TWI818055B - 透析液再生系統 - Google Patents

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TWI818055B
TWI818055B TW108127286A TW108127286A TWI818055B TW I818055 B TWI818055 B TW I818055B TW 108127286 A TW108127286 A TW 108127286A TW 108127286 A TW108127286 A TW 108127286A TW I818055 B TWI818055 B TW I818055B
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布魯斯 海恩兹
邵國征
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美國華盛頓大學
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Abstract

本文中揭示用於光化學氧化之裝置及方法。在一項實施例中，一種透析液再生系統包含：一奈米結構陽極；一光源，其經組態以照明該陽極；及一陰極，其係透氧的。

Description

透析液再生系統
本申請案係關於一種用於尿素光氧化之裝置及方法。
全世界有超過200萬末期腎病(ESRD)患者接受透析以維持生命，其中此數目可能代表不足實際需要之10%。僅在美國有超過460,000人接受腎透析，其中每年有89,000人死亡，5年存活率為僅35%。血液透析之間歇特性致使血液代謝物濃度之大幅波動。觀察表明，與習知血液透析相比，藉由延長血液透析(即，更頻繁或更長時間治療)治療之患者之長期透析存活予以改良。
圖1係一習知透析系統10之一平面圖。在操作中，一患者5經連接至透析系統10，使得該患者之血液透過一管道14流入一透析系統10。管道14穿過一血液泵18。血液泵18之泵送作用會推動患者之血液通過透析系統10且推回至患者體內。泵18通常係一非接觸泵。
透析物12係一種幫助自患者之血液移除多餘廢物(例如，尿素)之液體。在透析期間，透析物12及患者之血液流過透析系統10，但兩個流未物理混合。代替地，來自機器之新鮮透析物12藉由一隔膜與血流分離。來自患者之血流之雜質透過隔膜濾出至透析物12中。例如，通常每日需要在一正常成人中移除12g至24g尿素，但每日減少蛋白質飲食15g 係一足夠高目標。其他雜質亦自血流濾出至透析物中。含有多餘廢物及過量電解質之透析物離開透析器進行處理。
由於血液透析之上作原理係擴散至具有低目標濃度之一透析物中，因此固有地需要大量液體。習知血液透析藉由每次作業階段運行約120升透析物來達成自體內移除過量代謝廢物，此通常需要3小時至4小時治療。透析可能每週需要三次。患者遭受嚴重生活破壞，包含必須固定達數小時且必須安排輸送至透析中心，此影響其等生活品質。據此，需要用於改良透析(包含改良尿素移除)之系統及方法。
提供本[發明內容]以依一簡化形式介紹下文在[實施方式]中進一步描述之概念之一選擇。本[發明內容]並非意欲於識別所主張標的物之關鍵特徵。
簡而言之，本發明技術涉及自一透析物移除尿素。本發明技術可用於透析，包含腎透析、血液透析、血液過濾、血液透析過濾、雜質移除等。
在一些實施例中，一光化學氧化(亦稱為「透析液再生」或「尿素處理」)自透析物移除尿素。一種透析系統液體再生系統可包含：一奈米結構陽極；一光源，其經組態以照明該陽極；及一陰極，其係透氧的。奈米結構可為水熱生長之TiO2奈米線。可由一LED陣列提供光源。透氧或透氣陰極可為一鉑塗佈(Pt塗佈)布或紙。
在一些實施例中，該系統之大小可足夠小以變為穿戴式及/或可攜式。穿戴式透析器件不僅達成持續透析，而且透過增強移動性來幫助降低臨床相關治療成本及改良生活品質。
在一項實施例中，一種透析液再生系統包含：一奈米結構陽極；一光源，其經組態以照明該陽極；及一陰極，其係透氧。
在一個態樣中，該透析液係一透析物。在另一態樣中，該系統係一腎透析系統。在一個態樣中，該系統係一血液過濾系統。在一個態樣中，該系統係一血液透析系統。在一個態樣中，該系統係一血液透析過濾系統。
在一個態樣中，該系統亦包含一電壓源，該電壓源可操作地耦合至該陽極及該陰極。在另一態樣中，該電壓源係可攜式的。
在一個態樣中，該透析液再生系統係可攜式的。在另一態樣中，該透析液再生系統係穿戴式的。在另一態樣中，該透析液再生系統係穩態的。
在一個態樣中，該陽極、該光源及該透氧陰極係一第一透析液體再生單元之部分，且該系統包含複數個透析液再生單元。
在一個態樣中，該陰極係一透氣性陰極。在另一態樣中，該陰極係一導電布基陰極。在一個態樣中，該布係一鉑塗佈(Pt塗佈)布。 在一個態樣中，該陰極係一導電紙基陰極。
在一個態樣中，該陰極經組態以電化學地分解水。在另一態樣中，該陽極之奈米材料經組態以在暴露於光時產生光電子或電洞。
在一個態樣中，該光源包括一發光二極體(LED)陣列。在一個態樣中，該等LED係以一二維(2D)陣列配置。在另一態樣中，該等LED在該陽極之一表面處產生小於4mW/cm2之一輻照度。在一個態樣中，該等LED發射365nm波長之光。
在一個態樣中，該光源包括一UV源。在另一態樣中，該 光源包括一可見光源。在一個態樣中，一入射光子對光電子效率為約51%。
在一個態樣中，該奈米結構陽極包括TiO2奈米線。在另一態樣中，該等個別奈米線具有約500nm之一厚度。在一個態樣中，該等TiO2奈米線係水熱製備的。在一個態樣中，該等奈米線經安置於一基板上，且該等個別奈米線個別地電耦合至承載該等奈米線之一基板。
在一個態樣中，一透析物溶液具有10mM或更低之一尿素濃度。在另一態樣中，該系統亦包含一自由基捕獲劑，該自由基捕獲劑經組態以移除氧化副產物、自由基副產物及氯。
在一個態樣中，該系統亦包含一隔膜，該隔膜經組態以使小分子通過且阻止大分子通過。在另一態樣中，該隔膜係一反滲透(RO)隔膜。
在一項實施例中，一種透析液再生系統包含：一奈米結構基板，其經組態以在暴露於光時產生光電子或電洞；一光源，其經組態以照明該基板；及一透氧阻障。
在一個態樣中，該光源係天然存在的。
在一項實施例中，一種用於再生一透析液之方法包含：使該透析液流過前述技術方案中任一技術方案之系統；及隨著該透析液經過該陽極用該光源照明該陽極，由此光電化學地消除該透析液中之尿素。
在一項實施例中，一種用於再生一透析液之方法包含：使該透析液在一透析系統之一陽極與一陰極之間流動，其中該陽極包括複數個奈米結構；用一光源照明該陽極；使氧流過該陰極流向該透析液；將該透析液中之尿素轉化成CO2、N2及H2O，由此再生該透析液。
在一個態樣中，該方法亦包含使該透析液在一透析系統內再循環。
在一個態樣中，該方法亦包含：將一正電壓耦合至該陽極；及將一負電壓耦合至該陰極。
在一個態樣中，該正電壓與該負電壓之間的電壓差在自約0.6V至約0.8V之一範圍內。
在一個態樣中，該光源包括一UV光源及可見光源。
在一個態樣中，使氧流過該陰極流向該透析液包含使環境空氣流過該陰極。
在一個態樣中，該方法亦包含：使該透析液流過一自由基捕獲劑；及自該自由基捕獲劑中之該透析液移除氯。
在一項實施例中，一種用於製備一透析液之方法包含：使待處理水在一透析液再生系統之一陽極與一陰極之間流動，其中該陽極包括複數個奈米結構；用一光源照明該陽極；使氧流過陰極流向該待處理水；及氧化該待處理水中之雜質，由此產生該透析液。
在一個態樣中，該方法亦包含使該透析液在一透析系統內再循環。在一個態樣中，該方法亦包含：將一正電壓耦合至該陽極；及將一負電壓耦合至該陰極。
5:患者
10:透析系統
12:透析物
14:管道
18:血液泵
20:尿素處理單元
22:紫外線(UV)燈
24:電極
26:電極
27:介電質間隔件
28:管道
29:氣流
31:氣泡
100:可攜式尿素透析系統
105:背包或其他載體/手提箱
110:管
410:血流/血液輸入
414:血流
416:血流
600:毒素選擇性移除單元
610:流
612:隔膜
613:隔膜
614:溶液
616:流
650:單元
651:流
700:尿素氧化單元
712:隔膜
715:透析液流/透析物
716:泵
720:光化學氧化單元/尿素處理單元
720-1至720-(i+2):單元
721:基板
722:奈米結構陽極
723:奈米結構
724:基板保持件
732:間隔件
734:入口
736:出口
742:陰極
744:間隔件
745:網狀支撐元件
746:間隔件
747:網狀支撐元件
750:光源
752:光陣列
760:氣流
780:自由基/痕跡捕獲劑
792:電壓源
794:控制器
805:血流
810:泵
本發明技術之前述方面及諸多伴隨優點將變得更容易明白，因為其等係參考結合隨附圖式所作之下文詳細描述來理解，其中：圖1係根據習知技術之一透析系統之一平面圖；圖2係根據本技術之一實施例之一透析系統之一示意圖； 圖3係根據本技術之一實施例之一操作中透析系統之一示意圖； 圖4A係根據本技術之一實施例之一尿素處理單元之一分解圖； 圖4B係根據本技術之一實施例之一操作中尿素處理單元之一示意圖； 圖5A係根據本技術之一實施例之一尿素處理單元之一分解圖；圖5B係根據本技術之一實施例之一尿素處理單元之一分解圖；圖6A及圖6B係根據本技術之一實施例之奈米結構之顯微鏡影像；圖7係根據本技術之一實施例之一尿素處理單元之一示意圖；圖8係根據本技術之一實施例之一尿素處理單元之流程圖； 圖9係根據本技術之一實施例之一可攜式尿素透析系統之一示意圖；圖10A至圖10D係根據本技術之實施例之可攜式透析系統之示意圖； 圖11係根據本技術之一實施例之光電流之一圖表；圖12係根據本技術之一實施例之隨水熱生長時間變化之光電流之一圖表； 圖13係根據本技術之一實施例之隨波長變化之吸收率之一圖表；圖14係根據本技術之一實施例之隨有效LED電流變化之光電流之一圖表；及圖15係根據本技術之一實施例之一Pt塗佈陰極與一Pt黑陰極之間的一效能比較；及圖16係根據本技術之一實施例之隨時間變化之光電流之一圖表。
雖然已繪示及描述若干實施例，但將明白在不脫離所主張標的物之精神及範疇之情況下，可在其中進行各種改變。
圖2係根據本技術之一實施例之一透析系統之一示意圖。所繪示系統(例如，一腎透析系統、血液透析系統、血液透析過濾系統，或一血液過濾系統)包含一尿素氧化單元700及一毒素選擇性移除單元600。在操作中，包含尿素及其他毒素之血流410進入尿素氧化單元700。血流410係藉由一隔膜712來與透析液(例如，透析物)715之一流分離，此允許血流與透析液(為了簡單起見，稱為「透析物」)流之間的選擇分子的質量交換。在一些實施例中，一低分子量截止透析隔膜僅允許小分子(例如，小於100Da)通過。在一些實施例中，隔膜可為一反滲透(RO)隔膜。在一些實施例中，尿素氧化單元700包含：一光化學氧化單元720(亦稱為「透析液再生單元」或「尿素處理單元」)，其經組態以移除尿素；及一自由基/痕跡捕獲劑780，其經組態以移除氧化副產物、自由基副產物、氯，及/或其他毒素。下文參考圖4A至圖8更詳細地描述光化學氧化單元 720。術語「光氧化」、「光化學氧化」及「光激化學氧化」在本說明書中可互換使用。
在一些實施例中，於自血流410移除尿素及/或其他小分子毒素之後，因此經部分清潔的血流414繼續流向一蛋白質結合的毒素選擇性移除單元600。血流414係藉由一隔膜612來與細胞組分分離，隔膜612經組態以傳遞大分子量蛋白質及小分子，通常稱為血漿。在隔膜612的滲透側上係用於清潔較大分子量及/或蛋白質結合之毒素的選擇性吸附劑。此溶液614透過一隔膜613流入單元650，其中吸附劑及選擇性隔膜之一混合物用於透過流610移除小分子毒素。營養物作為流651及隔膜612之滲透物/血漿側上的流616中之解吸蛋白質返回至血流416。由單元600移除之流610中之毒素的一些非排他性實例係與人類白蛋白結合的硫酸吲哚酯。通常，尿素氧化單元700移除小毒性分子，而毒素選擇性移除單元600移除大毒性分子或與蛋白質(諸如白蛋白)結合之彼等分子。然而，在不同實施例中，毒素移除單元之不同配置亦係可能的。自毒素選擇性移除單元600離開之血流及/或血漿流(例如：流616)繼續流向透析程序之進一步元件/步驟或返回至患者。
圖3係根據本技術之一實施例之一操作中透析系統之一示意圖。所繪示分析系統作為透析物715之一再生系統而操作。在操作中，血流410、805在患者之血管系統與尿素氧化單元700及毒素選擇性移除單元600(或其他毒素移除單元)之間流動，此通常需要一泵(例如，泵810)。在一些實施例中，透析物715之流在單元600、700內再循環，因此消除或至少限制向該程序添加新鮮透析物之一需要。因此，與習知透析相比，本發明技術之實施方案減少透析物之消耗。
透析物715可具有10mM或更低之一尿素濃度。在一些實施例中，一控制器794可控制泵810及716之操作以調節血液輸入410及透析物715之流。
圖4A係根據本技術之一實施例之一尿素處理單元20之一分解圖。所繪示之尿素處理單元20係藉由一電化學反應移除尿素之一光電尿素處理單元。系統20包含藉由一介電質間隔件27(例如，橡膠、矽或塑膠間隔件)分離之兩個電極24、26。在操作中，含有尿素之透析物經保持於兩個電極24、26之間，且經受光照以促進尿素光氧化成CO2、H2O及N2。
可由一紫外線(UV)燈22提供所要光源。該反應亦需要氧用於電化學反應。下文參考圖4B描述提供所要氧。
圖4B係根據本技術之一實施例之一操作中尿素處理單元之一示意圖。在所繪示實施例中，空氣流入管道28且進一步流至含有光電尿素處理單元20內部之尿素之透析物。箭頭29指示在透析物中產生氣泡31之射入氣流。然而，自UV燈22至電化學反應之入射光子之量子效率可能相對低，有時小於1%。因此，若待在一可攜式器件中達成移除約15g至20g尿素之目標，則尿素處理單元20仍可能大得不切實際。下文關於圖5A描述經改良之氧供應。
圖5A係根據本技術之一實施例之一尿素處理單元720之一分解圖。在尿素處理單元720中發生之電化學反應可被描述為：陽極：CO(NH2)2+6 OH-─>CO2+N2+5 H2O+6e-陰極：O2+2 H2O+4 e-─>4 OH-淨：CO(NH2)2+3/2 O2─>CO2+N2+2 H2O(方程式1)
在一些實施例中，透析物715透過一間隔件732自一入口 734流至一出口736。透析物715攜帶待電化學地分解成CO2及N2之尿素。間隔件732可經夾置於一陽極722與一陰極742之間，陽極722及陰極742之各者個別地連接至一電壓源792(例如，一DC電壓源)。在一些實施例中，電壓源792提供在約0.6V至約0.8V之一範圍內之電壓差。在間隔件732之一些實施例中，整個透析物流經引導以流經TiO2層。
在一些實施例中，陽極722裝配有奈米結構(例如，TiO2奈米線)。在操作中，陽極722係由發射光(例如，UV光)之一光源照明以用於方程式1中所展示之電化學反應。在陽極處，光激發之TiO2奈米結構提供用於氧化表面上之溶液物種之電洞，同時電子經收集於下伏導電氧化物(例如，氟摻雜薄氧化物或FTO)上，且接著經輸送至陰極電極以將水分解成OH-時。可由一光源750或由天然光提供光激發。
在一些實施例中，陰極742可為透氣的(例如，透氣的或透氧的)。在操作中，包含氧之氣流760可流過陰極742流向包含尿素之透析物。
在一些實施例中，尿素處理單元720可用於製備一透析液。例如，待處理水可在陽極722與陰極742之間傳遞以氧化待處理水中之雜質，由此產生透析液。下文參考圖5B至圖6B進一步描述尿素處理單元720之一些實施例。
圖5B係根據本技術之一實施例之一尿素處理單元720之一分解圖。在一些實施例中，尿素處理單元720包含具有承載奈米結構723之一基板721之一或多個奈米結構陽極722。奈米結構陽極722可經保持於一基板保持件724中。可由包含一或多個光源(例如，發光二極體(LED)、雷射、放電燈等)之一光陣列752提供尿素之光化學分解所要之光。光源可 以一二維(2D)陣列配置。在一些實施例中，LED發射365nm波長之光。在一些實施例中，LED發射紫外線(UV)或可見光波長之光。在一些實施例中，LED在陽極之表面處(例如，在基板721之表面處)產生具有小於4mW/cm2之強度之光。在其他實施例中，可使用其他更高光強度，例如在陽極之表面處具有大於mW/cm2之強度之光。在一些實施例中，入射光子之量子效率(入射光電效率)為約51%。在一些實施例中，奈米結構陽極722可基於射入天然光、結合或不結合專用光陣列752而操作。
如參考圖5A所解釋，陰極可為一透氣陰極742，其阻擋液體(例如，水)，但使氣體(例如，空氣或氧)通過。在一些實施例中，陰極742由導電布製成。例如，導電布可為一鉑塗佈(Pt塗佈)布或碳布。在一些實施例中，陰極742可為一導電紙基陰極。透氣(透氣性)陰極742可藉由具有用於陰極742之支撐元件之間隔件744及746(例如具有網狀支撐元件745、747(或其他透氣結構元件)之間隔件)機械地保持於適當位置。
利用本發明技術之至少一些實施例，與習知技術之效能相比，觀察到顯著效能改良。例如，將每日尿素產量與15克(0.25摩爾)之6e-氧化程序相匹配，每日目標需要在24小時週期內產生1.7A電流。在TiO2奈米結構陽極上具有一目標1mA/cm2光電流密度之情況下，所要之總器件面積變為約1700cm2或1.82ft2。利用此總器件面積，可部署每日氧化約15g尿素之一背包大小器件。背包大小器件將需要約12個8000mAh電池用於8小時操作而無需再充電，且相對較少電池用於較短操作。
此外，低濃度尿素分解之高轉化效率表明TiO2用來氧化尿素對產生通常非期望之氧氯物種之一高選擇性。另外，光電流密度比藉由不具有奈米結構或LED之先前技術所達成之光電流密度高一個數量級。
器件效能之樣本計算
針對所繪示實施例，UV LED之操作電流保持於50mA。在6.7%之光子幾何地入射於TiO2樣本上之情況下，吾人可獲得入射LED電流對光電子電流效率
Figure 108127286-A0305-02-0014-7
其中I LED 及I photocurrent 分別係用來驅動LED之電流及所得光電流。由於LED量子效率為40%，因此入射光子對光電子效率為
Figure 108127286-A0305-02-0014-8
。通過電路之光電流之總量係用Q total =∫I photocurrent dt計算。用於尿素分解之累積光電流可自尿素濃度變化計算，即Q urea =6×96485×(C start -C end )×V，其中6係氧化單個尿素分子所涉及之電子之數目乘以法拉第常數，C start 及C end 係在光氧化實驗之前及之後量測之尿素濃度，且V係0.3ml。光電流對尿素分解之選擇性係
Figure 108127286-A0305-02-0014-9
。假定尿素移除率在操作期間係恆定的。為了計算所要電極面積及操作電流，吾人可假定每日需要移除15g尿素。
與本發明技術相反，先前技術需要高得多之操作電流。為了計算如下文在表1中所展示之先前技術之入射光子對光電子效率，使用文獻中之光源模仿之來自NREL之太陽能AM.15光譜。針對文獻中使用之100mW/cm2強度，總光子通量變為3.89×1017 s -1 cm -2，其中280nm與380nm之間的光子具有1.16×1016 s -1 cm -2之通量。因此，入射光子對光電子效率為0.28%。即使僅考慮380nm以下之波長，效率仍為僅9.3%。假定光源(相同於此研究中使用之UV LED)之量子效率為40%，此將需要在臨床、家庭或可攜式使用中不實際之一2000A操作電流。
下文在表1中展示本技術及習知技術之效能之一些比較。
Figure 108127286-A0305-02-0015-1
圖6A及圖6B係根據本技術之一實施例之兩種不同尺度之奈米結構723之顯微鏡影像。通常，為了改良TiO2之效能，存在一固有權衡：使一樣本足夠厚以吸收所有射入光，而且足夠薄以收集電子電流而在基板之主體中不具有大量載子復合。在一些實施例中，藉由高度有序之奈米級結構獲得此最佳化，該等奈米級結構具有高表面積及有效導電對電子收集電極(例如，作為一FTO層之一基板)。在操作中，奈米結構723之垂直方向上之相對高密度允許電子/電洞載子之分離，因此減少低效載子復合。在一些實施例中，奈米結構723為約500nm厚。
圖7係根據本技術之一實施例之一尿素處理單元之一示意圖。所繪示之尿素處理單元720包含若干單元720-i(亦稱為尿素處理單元、透析液再生單元或光化學氧化單元)。在不同實施例中，單元720-i可共用相同入口及/或出口。通過單元之透析物之流可經配置成並列或串列流，或兩者之一組合。通常，堆疊單元720-i減小系統之總寬度及高度，因此使系統更精巧且係可攜式的。
圖8係根據本技術之一實施例之一尿素處理單元720之流程圖。尿素處理單元720包含多個單元720-i。一透析物流進入一單元720-1，其中透析物中之尿素至少部分分解，且繼續朝向其他單元720-i。總而言之，單元720-i中之電化學反應將尿素轉化成CO2及N2，如上文參考方程式1所解釋。通常，配置單元720-i可使系統更模組化及/或更便宜。
圖9係根據本技術之一實施例之一可攜式尿素透析系統100之一示意圖。所繪示之系統100包含具有多個透析物入口734及出口736之多個單元720-i。通過單元720-i之流可如圖7至圖9中所展示般配置。因此，尿素透析系統100之大小可經減小至系統變為可攜式之一程度，例如系統可經裝配於一背包或其他載體105內。
圖10A至圖10D係根據本技術之實施例之可攜式透析系統之示意圖。在本發明技術之一些實施例中，透析系統之精巧性可實現系統之穿戴性或可攜性。透析系統之此穿戴性/可攜性提高患者之移動性及生活品質。
圖10A繪示經附接至患者5之一身體之一可攜式透析系統100。可攜式透析系統100係藉由一管110與血管通路位置之其他可能實施例連接至患者之血管系統。圖10B繪示包含可被裝配於背包105內之尿素處理單元720之一可攜式透析系統100。圖10C繪示包含可被裝配於一手提箱105內之尿素處理單元720之一可攜式透析系統100。圖10D繪示包含可被裝配於一殼體105內之尿素處理單元之一可攜式透析系統100。在不同實施例中，可攜式透析系統100之其他實例係可能的。
圖11係根據本技術之一實施例之光電流之一圖表。該圖表之水平軸展示以秒為單位之時間，且垂直軸展示以mA/cm2為單位之光電流。藉由照明，憑藉水熱合成(上曲線)及浸塗(下曲線)製造的TiO2奈米結構來獲得資料。在採集資料時，LED於5秒時開啟(50mA)以便量測；0V經施加至TiO2；且使用靜態尿素/NaCl溶液。藉由水熱合成製成之TiO2隔膜展示高初始電流。此初始電流係質量輸送受限的且具有比藉由浸塗製備之TiO2隔膜高約8倍的穩態光電流。TiO2/FTO基板上之有效LED強度為4 mW/cm2。
圖12係根據本技術之一實施例之隨水熱生長時間變化之光電流之一圖表。該圖表之水平軸展示以秒為單位之時間，且垂直軸展示以mA/cm2為單位之光電流。TiO2/FTO基板上之有效LED強度為4mW/cm2。隨水熱生長時間變化之一穩態光電流在約185分鐘時展示最佳生長時間(對應於最大光電流)。
圖13係根據本技術之一實施例之隨波長變化之吸收率之一圖表。該圖表之水平軸展示以奈米為單位之射入光的波長，且垂直軸展示以原子為單位的吸收率。紫外線光吸收光譜通常隨水熱生長時間而增加(時間步驟相同於上文在圖12中循序地展示之時間步驟)。
圖14係根據本技術之一實施例之隨有效LED電流(光強度)變化之光電流之一圖表。該圖表之水平軸展示以mA為單位之有效LED電流，且垂直軸展示以mA/cm2為單位之光電流。圓形符號對應於0.8V之經施加之陰極至陽極電壓電位，且菱形符號對應於不具有陰極至陽極電壓之情況。因此，該圖表展示在+0.8V偏壓經施加至TiO2陽極之情況下之一穩態光電流顯著增加。該增加歸因於分離TiO2中之電子電洞對，將電洞推至反應表面且將電子汲取至陰極電路中。有效LED電流係負責入射於被測基板(具有40%量子效率之LED)上之光子之LED電流之部分。歸因於器件幾何結構，僅6.7%之經發射光子入射於TiO2表面上(即，在TiO2基板表面上)。
圖15係根據本技術之一實施例之一Pt塗佈陰極與一Pt黑陰極之間的一效能比較。該圖表之水平軸展示以秒為單位之時間，且垂直軸展示以mA/cm2為單位之光電流。LED燈在約5秒時開啟，其中0V經施加 至陽極，且利用一靜態尿素溶液。TiO2/FTO基板上之有效LED強度為4mW/cm2。針對Pt黑電極，在370秒時引入氣泡(2mL/min)。此事件致使Pt黑陰極之光電流突然增加。然而，就光電流而言，Pt塗佈陰極始終優於Pt黑陰極。
圖16係根據本技術之一實施例之隨時間變化之光電流之一圖表。TiO2/FTO基板上之有效LED強度為4mW/cm2。結果表明一原型器件在10mM尿素及0.15M NaCl之一經循環(0.3ml/min)溶液中運行超過100小時之幾乎連續操作。
上文所描述之技術之諸多實施例可採取電腦或控制器可執行指令之形式，包含由一可程式化電腦或控制器執行之常式。熟習此項技術者將明白，該技術可在除上文所展示及描述之電腦/控制器系統以外之電腦/控制器系統上實踐。該技術可經體現於一專用電腦、控制器或資料處理器中，該專用電腦、控制器或資料處理器專門經程式化、經組態或經構建以執行上文所描述之電腦可執行指令之一或多者。據此，如本文中通常使用之術語「電腦」及「控制器」指代任何資料處理器，且可包含網際網路器具及手持型器件(包含掌上型電腦、穿戴式電腦、蜂巢式或行動電話、多處理器系統、基於處理器或可程式化之消費性電子產品、網路電腦、小型電腦及類似者)。術語「約」意謂所述值之+/-5%。
自前述內容將明白，本文中已出於繪示之目的描述該技術之特定實施例，但在不脫離本發明之情況下可進行各種修改。此外，雖然上文已在彼等實施例之內文中描述與特定實施例相關聯之各種優點及特徵，但其他實施例亦可展現此等優點及/或特徵，且並非所有實施例必定展現此等優點及/或特徵落於該技術之範疇內。據此，本發明可涵蓋本文 中未明確展示或描述之其他實施例。
410:血流/血液輸入
414:血流
416:血流
600:毒素選擇性移除單元
610:流
612:隔膜
613:隔膜
614:溶液
616:流
650:單元
651:流
700:尿素氧化單元
712:隔膜
715:透析液流/透析物
720:光化學氧化單元/尿素處理單元
780:自由基/痕跡捕獲劑

Claims (28)

  1. 一種透析液再生系統，其包括：一奈米結構光電化學(photo-electrochemical)陽極；一光源，其經組態以照明該光電化學陽極；及一陰極，其對提供至一透析液之氧氣係可滲透的(permeable)而對該透析液之一液體係不可滲透的(non-permeable)，其中該光電化學陽極經組態以與該透析液接觸，且經組態以藉由透過一光電化學反應將該透析液中之尿素轉化成CO2、N2及H2O而再生該透析液。
  2. 如請求項1之透析液再生系統，其中該透析液係一透析物。
  3. 如請求項1之透析液再生系統，其中該透析液再生系統係一腎透析系統。
  4. 如請求項3之透析液再生系統，其中該透析液再生系統係一血液過濾系統(hemofiltration system)、一血液透析系統(hemodialysis system)、或一血液透析過濾系統(hemodiafiltration system)。
  5. 如請求項1之透析液再生系統，進一步包括一電壓源，該電壓源經可操作地耦合至該光電化學陽極及該陰極。
  6. 如請求項5之透析液再生系統，其中該電壓源係可攜式的。
  7. 如請求項1之透析液再生系統，其中該透析液再生系統係可攜式的或穿戴式的。
  8. 如請求項1之透析液再生系統，其中該透析液再生系統係穩態的(stationary)。
  9. 如請求項1之透析液再生系統，其中該光電化學陽極、該光源、及對該氧氣係可滲透的而對該透析液之該液體係不可滲透的該陰極係一透析液再生單元的部分，且其中該透析液再生系統包括複數個額外透析液再生單元。
  10. 如請求項1之透析液再生系統，其中該陰極係一透氣性(air-breathable)陰極。
  11. 如請求項10之透析液再生系統，其中該陰極係一導電布基(cloth-based)陰極或一導電紙基(paper-based)陰極。
  12. 如請求項11之透析液再生系統，其中該布基陰極包括一鉑塗佈布。
  13. 如請求項11之透析液再生系統，其中該陰極經組態以電化學地分解水。
  14. 如請求項1之透析液再生系統，其中該光電化學陽極之奈米結構經組態以在暴露於由該光源所發射之光時產生光電子或電洞。
  15. 如請求項1之透析液再生系統，其中該光源包括一發光二極體(LED)陣列。
  16. 如請求項15之透析液再生系統，其中該等LED係以一二維(2D)陣列配置。
  17. 如請求項15之透析液再生系統，其中該等LED在該光電化學陽極之一表面處產生小於4mW/cm2之一輻照度(irradiance)。
  18. 如請求項15之透析液再生系統，其中該等LED發射365nm波長之光。
  19. 如請求項1之透析液再生系統，其中該光源包括一UV源。
  20. 如請求項1之透析液再生系統，其中該光源包括一可見光源。
  21. 如請求項14之透析液再生系統，其中一入射光子對光電子效率為約51%。
  22. 如請求項1之透析液再生系統，其中該奈米結構光電化學陽極包括TiO2奈米線。
  23. 如請求項22之透析液再生系統，其中個別奈米線具有約500nm之一厚度。
  24. 如請求項22之透析液再生系統，其中該等TiO2奈米線係水熱製備的(prepared hydrothermally)。
  25. 如請求項22之透析液再生系統，其中該等奈米線係安置於一基板上，且其中該等個別奈米線係個別地電耦合至承載該等奈米線之該基板。
  26. 如請求項1之透析液再生系統，進一步包括一透析物溶液，該透析物溶液具有10mM或更低之一尿素濃度。
  27. 如請求項1之透析液再生系統，進一步包括一自由基捕獲劑(radical scavenger)，該自由基捕獲劑經組態以移除氧化副產物、自由基副產物及氯。
  28. 如請求項1之透析液再生系統，進一步包括一隔膜，其中該隔膜係一反滲透(reverse osmosis,RO)隔膜。
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