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华体会体育_微流控在便携式紫外水质传感器中的角色

文章来源:华体会体育  作者:华体会体育  发布日期:2021-09-07  浏览次数:197  【打印】  【关闭】   【返回

据麦姆斯咨询介绍,光子学特别是光谱学手艺,已普遍用在情况传感利用。在曩昔十年中,年夜部门情况传感都以远距离探测方式为主,例如用在丈量空气污染的差分光学接收光谱(DOAS)和差分接收激光雷达(DIAL)。固然从手艺角度来看,上述手艺很是有吸引力,并具有削减空气污染的庞大潜力,但在情况传感范畴光子学手艺的占比很是小。事实上,在曩昔25年里,原位紫外(in situ UV)光谱水质测试在情况传感的占比比拟其它所有光子利用的占比总和还高。

在年夜部门时候里,原位紫外水质传感器仅限在摆设在固定的持续流监测站。这首要是因为传统紫外光源的尺寸较年夜、功耗较高和寿命较短。荣幸的是,短波紫外发光二极管(UV-C LED)已成熟,典型利用寿命为持续工作跨越1000小时。更主要的是,与传统的发射器分歧,它们在反复开关轮回中几近没有退化,在典型工作前提下具有多年的利用寿命。因为年夜大都水质监测系统以很是低的占空比运行,这意味着典型的UV-C LED在正常工作前提下可以轻松利用5~10年。

2020年9月,Laser Focus World姊妹刊物LEDs Magazine一篇文章具体回首了UV-C LED用在水质监测的优势。在文章中,作者Hari Venugopalan专业地论述了水质阐发从传统的宽带紫外光源(如:氘灯和氙气灯)转换到UV-C LED背后的根基道理。他注释了LED手艺若何让设计师“简化光学设计,打消反射镜、光电二极管阵列和快门,同时有前提选择便宜的光电二极管。”他还会商了应若何按照水污染物如硝酸盐和多环芳烃(见下表)选择LED波长。可是,该文章仅限在各类水污染物的固有紫外光谱特征。现实上,这只是触和了原位紫外水质测试能力的“外相”。

微流控在便携式紫外水质传感器中的角色

在现有UV-C LED获得进展的同时,微流控和微型色谱手艺也获得了重猛进展,使得“湿化学传感器”用在紫外水份析变得可行。固然这个术语仿佛有悖常理,特殊是当提到水份析(所有样品都是湿的)时,在这类环境下,“湿化学传感器”是指经由过程微流控通道将试剂引入水样以构成UV活性衍生物。经由过程化学反映,紫别传感器的测试能力扩年夜到量化其它常见污染物,特殊是亚硝酸盐。

因为分歧类型的细菌将氨转化为亚硝酸盐,其它细菌将亚硝酸盐转化为硝酸盐,是以水质传感器必需正确地定量亚硝酸盐和硝酸盐的工业浓度,而不但仅是水的总氮含量。美国环保署对水中硝酸盐最年夜污染程度的指点方针是10 mg/L。比拟之下,对亚硝酸盐含量的要求高达1 mg/L,而只能检测硝酸盐或总氮含量的系统终究可能认定水质平安,但现实上水已蒙受不成接管的亚硝酸盐污染。

是以,学术界和贸易界对开辟便携式和手持式紫外水质测试仪器的爱好一日千里。为了周全领会下一代便携式紫外水质传感器,有需要更周全地领会UV-C LED和光电探测器是若何连系最新微流控和色谱手艺而利用的。

微流控在便携式紫外水质传感器中的脚色

对微流控最遍及的界说是液体流经一条或多条直径小在1 mm的通道。对微流控通道内切确动力学的严酷物理描写不在本文会商规模。虽然如斯,主要的是要理解通道越窄,层流越多。虽然湍流确切具有一些长处,好比夹杂样品体积内的时空不平均性凡是会致使丈量不肯定度,这类体例就很是合用。比拟之下,发生平均液滴的平均层流的微流控通道具有几个长处,如对样品需求量少、试剂耗损削减、检测极限较低、光功率要求较低和空气/油间隙液滴构成。

微流控器件的光路窄、体积小,具有良好的光学机能,但需要自动泵浦来发生活动。最多见的泵送类型,称为电渗流泵送,对通道施加电压以发生活动,再操纵通道壁内的概况离子。可是,这类方式凡是需要施加相当年夜的电压,材料昂贵,其实不是抱负的便携式仪器。别的,蠕动式压力泵和文丘里式压力泵的尺寸和本钱在曩昔几年里均有所下降,现在已完全可以集成到便携式装备中。

为了证实这些装配的有用性,由美国新泽西州罗文年夜学James Grinias带领的研究小组比来证实,3D打印蠕动泵(本钱约为80美元)和低本钱商用文丘里泵(本钱约为100美元)可以“在1~7 ml/min的规模内供给不变的流量(《2% RSD),并在约0.25 Hz的液滴构成率(《3% RSD)下供给旌旗灯号强度的高再现性。”在统一篇文章中,Grinias和他的团队进一步验证了这两种低本钱泵的机能与用在尝试室微流体更传统的荧鲜明微镜和氙灯的打针泵相当,见图1。

微流控在便携式紫外水质传感器中的角色

图1:在荧鲜明微镜下,用500 nm试卤灵溶液丈量流体在三种速度下的液滴构成速度与旌旗灯号强度对照,显示了打针泵(红色迹线)、蠕动泵(黑色迹线)、文丘里泵(蓝色迹线)的液滴流。

利用近似的便宜蠕动泵,Xize Niu和他的团队在南安普敦年夜学和SouthWestSensor公司(均位在英国南安普顿)开辟了一种可现场摆设的微流控紫外水质传感器,其合适在直径为102 mm、长度为226 mm的防水圆筒。装配基在一个单泵、三通道设计,此中水样被泵送并经由过程T形接头与试剂连系,然后被引入含油的第三条通道以构成液滴。因为试剂与水中的亚硝酸盐和硝酸盐以分歧速度产生反映,两个分歧的紫外LED接收池被归并。第一个接收池快速丈量接收以检测亚硝酸盐浓度。然后,在第二个接收池丈量组合浓度之前,利用加热器加快与硝酸盐的反映(见图2)。

微流控在便携式紫外水质传感器中的角色

图2:(a)传感器流体和操作模式的示意图;(b)聚四氟乙烯管中的试剂和2000 um硝酸盐在流经加热器之前(上图)和以后(下图)的显示;(c)活动池的原始数据;(d)集成了流体、加热器、流量池和节制电子元件的制品传感器。

研究成果颁发在Environmental Science & Technology,在潮汐河道中进行了为期三周的实地摆设,成果显示了极高的切确度(误差为6%)。传感器显示潮汐转变、降雨和其它情况影响对硝酸盐和亚硝酸盐浓度的影响。据研究人员称,“这类基在液滴微流控的传感器有普遍的利用,包罗监测河道、湖泊、沿海水域和工业废水。”

色谱紫外水质传感器

色谱又称色层法或层析法,是一种物理化学阐发方式,它操纵分歧溶质(样品)与固定相和活动相之间的感化力(分派、吸附、离子互换等)的不同,当两相做相对移动时,各溶质在两相间进行屡次均衡,使各溶质到达彼此分手。一个典型的例子是,当纸张变湿时,黑色墨水会分手成它的构成颜料。年夜大都系统依靠在专门设计的柱状进行阐发利用,这会引发各类液相或气相化学物资在流经时及时分手出来。从丈量角度来看,这增添了一个额外的维度,从这个维度可以阐发吸光度或荧光数据。但是,从仪器角度来看,全部光子系统的要求现实上与前面会商的液滴微流控不异。是以,一样的低本钱UV-C LED和泵的成长也鞭策了便携式和手持式紫外色谱仪器的成长。例如,来自爱尔兰TE Laboratories公司、爱尔兰都柏林城市年夜学和Australia塔斯马尼亚年夜学的合作者开辟并摆设了一种便携式离子色谱系统,该系统利用3D打印泵和工作在波长为235 nm的UV-C LED检测系统检测败北物、废料和溪水中的亚硝酸盐和硝酸盐。操纵这个重量只有11千克的便携式系统,取得了使人印象深入的亚硝酸盐和硝酸盐的阐发量程,别离为0.05~30 mg/L和0.10~75 mg/L。

或许更使人兴奋的是,西班牙巴伦西亚年夜学和洪都拉斯国立自治年夜学合作出产了一种“手持式”纳米液相色谱(nanoLC)仪器,利用波长为255 nm的LED丈量吸光度。固然研究小组没有陈述亚硝酸盐和硝酸盐的检测程度,以便进行直接比力,但他们确切证实了对水中可可碱、茶碱和咖啡因含量的丈量,从而证实真正手持式紫外色谱传感器在情况传感利用中的庞大前景。

跟着全球当局和非当局组织不竭鞭策愈来愈高的全球水质尺度,毫无疑问,UV-C LED将继续阐扬要害感化。另外,可以必定的是,下一代紫外光微流控水质测试装备将包括多条流体通道和多种检测波长。是以,LED、光电探测器、滤光片手艺和CMOS光电二极管阵列将成为便携式水质测试的要害,与LCD、背光和拜耳滤光片对消费电子产物的主要性一样。

原文题目:微流控+色谱手艺,紫外LED助力实现便携式水质传感器 责任编纂:pj

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