光催化活性物种原位实时监测装置及方法

本发明涉及一种光催化活性物种原位实时监测装置及方法，属于化学发光与光催化技术交叉领域。

背景技术：

1、光催化技术是一种新型的高效、节能、绿色环保的高级氧化技术，在环境净化等领域蕴藏巨大的应用潜能。活性物种是光催化反应中产生的一类关键因子，其种类、数量、形态及动力学行为决定着光催化反应效率。因此，对光催化反应中的活性物种进行原位实时监测有助于理解光催化反应机理，最终为提高光催化反应效率提供理论指导。然而，光催化反应中生成的活性物种具有活性高、寿命短、浓度低等特点，传统的分析检测技术(如电子自旋共振、光谱法、色谱法等)通常需要先加入反应试剂捕获，再离线进行上机测定，无法实现光催化反应中活性物种的原位实时监测，因此发展一种灵敏度高的瞬时检测技术是开展上述工作的技术保障。

2、化学发光技术是一种灵敏度高、检测瞬时性以及操作简单方便的分析检测技术，在自由基等活性物种的测定方面具有独特优势。现有技术中，曾经发展过一种连续流动化学发光技术实现了光催化反应中·oh和o2·-的在线动态测定(wang et al.，anal.chem.，2014，86(21)，10535-10539；zl201410158002.3；zl201410157985.9)。然而，该方法同样存在自身局限性：(1)活性物种从反应器到检测室存在监测延时，无法实现原位实时测定；(2)所用发光探针为商业化探针，发光反应只能在碱性条件下进行，而光催化反应介质ph值一般偏近中性。由此可见，该方法无法实现光催化反应中活性物种的原位实时监测。目前实现光催化反应中活性物种的原位实时监测主要面临两个问题：(1)缺少实验装置，目前市面上尚无商品化的监测装置；(2)现有商业化的发光探针由于其局限性无法满足不同ph值条件下的原位实时监测需求。

3、综上所述，尚需要一套既能满足光催化反应，又能实现光催化反应中活性物种的原位实时监测的装置及方法。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种光催化活性物种原位实时监测装置及方法。

2、本发明所述光催化活性物种原位实时监测装置，包括光催化装置、密封腔和监测装置，光催化装置产生的活性物种与发光试剂反应产生光信号被监测装置接收转换成电信号输出，最终实现光催化活性物种的原位实时监测，其中：

3、光催化装置，包括光纤、光源和反应器，光纤自密封腔外延伸至密封腔内部，光源位于光纤末端并通过光纤将激发光汇聚至反应器侧方；

4、密封腔，包括反应器放置区、光电倍增管放置区，反应器放置区位于密封腔上部，形状为一个中间镂空的黑色圆柱体，可供放置反应器，且周围均匀分布四个可放置光纤的圆孔，光电倍增管放置区位于反应器放置区的正下方，两个区域中间由透明玻璃隔开，且光电倍增管上方设有可放置滤光片的推拉装置，密封腔顶端为盖板；

5、监测装置，包括光电倍增管、滤光片以及传输线；

6、同时开启光催化装置和监测装置实现光催化活性物种原位实时监测。

7、需要说明的是：光催化装置包括光源、光纤、反应器，其中，光源可为不同波长的激光、氙灯、汞灯或led光源，光纤可为单芯或多芯，皆采用直径为250μm，易被弯曲不敏感光纤(g657)，使该规格2×3.1mm的室内布线光缆实现了高强度抗折叠的实用效果。反应器为圆形透明玻璃杯；密封腔材质为钢板，上部形状为正方体或长方体，上端带有盖板，盖板上留有黑色橡胶圈密封的注射孔，注射孔可供实验中向反应器注射试剂。

8、密封腔上部作为光催化反应场所，供放置反应器，下部为镂空圆柱体，供放置监测装置，上部和下部之间由透明玻璃隔开，底座为方形或圆盘型起支撑固定作用，密封腔须具有良好的避光性能。

9、监测装置的光电倍增管采用型号为h1072的光电倍增管，滤光片采用型号为sigmakoki的西格玛光机隔热滤光片。

10、优选地，所述光纤包含若干条光束，每条光束一端连接光源，另一端通过密封腔安装在黑色圆柱体的圆孔中。

11、优选地，所述盖板中心处设置有注射孔，可使用注射器通过注射孔向反应器内添加试剂。

12、优选地，所述监测装置实时将反应器中生成的光信号转换成电信号输出至控制器，控制器经过分析计算后将信号传递至显示器。

13、本发明所述的光催化活性物种原位实时监测装置的方法，包括如下步骤:将一定浓度的光催化剂悬浮液加入反应器中，向其中加入自制的发光试剂，开启光催化装置和监测装置，此时反应器中的催化剂产生的活性物种与发光试剂发生化学发光反应，产生光信号，光信号被光电倍增管接收转化为电信号输出。

14、本发明所述的监测方法为化学发光原位实时监测技术，其核心为发光试剂，该发光试剂为烟草或茶叶提取物，具体制作过程详见已申请专利zl201810538178.x，zl202110763363.0。具体实施过程为：取一定体积发光试剂加入到盛有光催化剂悬浮液的反应器中，搅拌均匀后，打开盖板将其放入密封腔中，开启监测装置待背景信号稳定后，再开启光催化装置，此时反应器中光催化剂受激发产生活性物种，活性物种与发光试剂发生发光反应产生光信号，光信号被光电倍增管捕获转换成电信号输出，最终实现光催化反应中活性物种的原位实时监测。

15、优选地，所述自制的发光试剂为烟草提取物或者茶叶提取物。

16、本发明的有益效果是：本发明所述的光催化活性物种原位实时监测装置，利用光纤进入密封腔的方式，使得监测装置能够原位实时感知光催化反应中活性物种，而且发光试剂对活性物种的反应活性良好，并不再受介质ph值的限制，在酸性、中性及碱性环境中都能进行化学发光反应，具有极大地科研价值；本发明所述的光催化活性物种原位实时监测方法，发光试剂的发光强度与单位时间内生成的活性物种数量密切相关，可用于光催化反应中光催化剂的催化机理及性能评价研究。

技术特征：

1.一种光催化活性物种原位实时监测装置，其特征在于，包括光催化装置、密封腔和监测装置，光催化装置产生的活性物种与发光试剂反应产生光信号被监测装置转换成电信号输出，最终实现光催化活性物种的原位实时监测，其中：

2.根据权利要求1所述的光催化活性物种原位实时监测装置，其特征在于，所述光纤(1)包含若干条光束，每条光束一端连接光源(2)，另一端通过密封腔安装在黑色圆柱体的圆孔(4)中。

3.根据权利要求1所述的光催化活性物种原位实时监测装置，其特征在于，所述盖板中心处设置有注射孔(9)，使用注射器通过注射孔(9)向反应器内添加试剂。

4.根据权利要求1所述的光催化活性物种原位实时监测装置，其特征在于，所述监测装置实时将反应器(3)中生成的光信号转换成电信号输出至控制器(10)，控制器(10)经过分析计算后将信号传递至显示器(11)。

5.一种基于权利要求1～4任意一项所述的光催化活性物种原位实时监测装置的方法，其特征在于，包括如下步骤:将一定浓度的光催化剂悬浮液加入反应器(3)中，向其中加入自制的发光试剂，开启光催化装置和监测装置，此时反应器中的催化剂产生的活性物种与发光试剂发生化学发光反应，产生光信号，光信号被光电倍增管(6)接收转化为电信号输出。

6.根据权利要求5所述的光催化活性物种原位实时监测装置的方法，其特征在于，所述自制的发光试剂为烟草提取物或者茶叶提取物。

技术总结
本发明涉及一种光催化活性物种原位实时监测装置及方法，属于化学发光与光催化技术交叉领域。本发明包括光催化装置、密封腔和监测装置，具体过程为：光催化装置在密封腔内产生的活性物种与发光试剂反应产生光信号，光信号被监测装置转换成电信号输出，最终实现光催化活性物种的原位实时监测。其中：光催化装置，包括光源、光纤、反应器，光纤自密封腔外延伸至密封腔内部，光源位于光纤末端并通过光纤将激发光汇聚至反应器侧面；监测装置，包括光电倍增管、滤光片、光电倍增管位于密封腔内反应器下方，中间有玻璃隔开。本发明可实现光催化反应中活性物种的原位实时监测，可用于光催化反应中光催化剂的催化机理及性能评价研究。

技术研发人员：王大彬,宋德安,赵利霞,刘雪,耿方兰,邱军,孔凡玉
受保护的技术使用者：中国农业科学院烟草研究所（中国烟草总公司青州烟草研究所）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11