CN106404211B - 一种不依赖激发光强的上转换荧光强度比测温方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学传感领域，具体涉及一种利用激光的热效应规律改进上转换荧光强度比测温技术的精度的不依赖激发光强的上转换荧光强度比测温方法。本发明包括：(1)制备稀土离子掺杂上转换纳米材料作为测温探头；(2)将测温探头至于电加热盘上，调节加热盘输入功率至不同温度，测量无激光入射情况下探头实际温度随环境温度的变化，用作标定公式中的T₀等。本发明不在既有测温系统中添加硬件，只需要在测量时采用多组光强数据即可，故本发明成本低廉，操作便捷。

Description

一种不依赖激发光强的上转换荧光强度比测温方法

技术领域

本发明属于光学传感领域，具体涉及一种利用激光的热效应规律改进上转换荧光强度比测温技术的精度的不依赖激发光强的上转换荧光强度比测温方法。

背景技术

温度是表征物体冷热程度的物理量，在科研、工业生产和医学等领域具有十分重要的地位。随着微电子学、光子学、纳米医学等领域的发展，传统的热电偶、热电阻等利用电信号来表征温度的传感元件难以实现微纳米尺度范围的温度测量，尤其是某些特殊的需要较高空间分辨率及测量精度的生物测温应用。例如：在各种癌症治疗方案中，高温热疗是一种低成本、易操作、副作用小的癌症治疗方法，该方法可以明显增加常规治疗手段对肿瘤的局部空置率、改善远期生存，具有其它治疗手段无法比拟的作用。对于热疗方法，要保证杀死肿瘤细胞而不伤害周围健康组织，温度是治疗过程中的关键参量，实现局域温度的精确测量十分必要。除了癌症治疗，精确测温在其它医学领域也有重要的应用：如药物的可控释放、减轻肌肉痉挛、定量病毒检测等。当前临床上通常采用有损测温方式，即在局部麻醉后将测温元件通过穿刺置入人体内，基于待测组织中心单点，或周围多点来监测温度，明显这种有损测温的方法操作复杂且精度较低。为了克服传统侵入式测温技术的局限,急需探索新型温度响应纳米材料，建立全新的温度测量方法，以及设计结构新颖的纳米级温度传感器。

基于上转换荧光强度比技术，使用稀土掺杂纳米材料作为测温探头能够较好的解决上述问题。一方面，荧光强度比技术由于采用比值的测量方法，能够减少外界环境及信号强度的浮动对测量结果的影响。另一方面，上转换荧光的激发光通常处于近红外波段，具有较强的组织穿透能力；对有机组织造成的损伤较小；相应产生的背景荧光干扰较低，因此适用于生物应用。将稀土掺杂上转换纳米材料作为荧光强度比技术的测温探头，在原有荧光强度比技术自身优势的基础上进一步整合了上转换纳米材料的特性，能够满足生物体内的微纳米尺度及高精度的测温需求。

荧光强度比测温原理是利用源自发光中心的一对热耦合能级向低能级跃迁产生的荧光强度进行温度监测。其表达式为，

其中I₂和I₁分别为两个热偶合能级辐射的荧光强度，C为由材料决定的常数，ΔE为能级间距，k为波尔兹曼常数，T为绝对温度。

利用荧光强度比技术测温，首先需要根据公式1标定该测温仪的参数，即公式中的常数C及能级间距ΔE。标定时，一般会使用比较小的激发光功率，其目的在于忽略入射激光在探针上产生的加热效果。通常认为，如果所使用的激光功率不能引起荧光强度比数值的明显变化，则可以忽略其热效应。然而根据图1所示，尽管使用较低的激光功率确实能够保证荧光强度比值不会出现明显的上升，但是在这个荧光强度比值的“稳定区”当中，仍然会出现明显的激光加热效应(图2)。这就意味着荧光强度比测温技术在进行标定的时候就会存在一定误差，虽然可以通过减小激发光功率来降低这种误差，但却没有办法避免。并且使用小功率激光必然会造成荧光信号的减弱，也就是较低的信噪比，同样不利于进行精确的标定。更重要的一点在于：由于激光加热效应的存在，在原则上，人们必须在测量时使用和标定时相同的激光功率(严格来讲是相同的功率密度分布)，否则由于标定和测量时不同的激光加热温度会导致更大的误差。

对于生物应用而言，由于生物组织环境的复杂性，例如：生理组织对入射激光存在明显的吸收及散射，以及很难确定纳米测温探头的具体深度等，这些因素都使得人们很难确定照射到探头上的实际激光功率是多少，所以无法保证测量与标定时激光功率的相同。

本发明拟提供一种不依赖激发光功率的上转换荧光强度比测温技术的改进方案，解决上述当前存在的问题。

发明内容

本发明主要目的在于提供一种简单易行的提高稀土离子荧光温度传感器测温精度的一种不依赖激发光强的上转换荧光强度比测温方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)制备稀土离子掺杂上转换纳米材料作为测温探头；

(2)将测温探头至于电加热盘上，调节加热盘输入功率至不同温度，测量无激光入射情况下探头实际温度随环境温度的变化，用作标定公式中的T₀；

(3)在步骤(2)使用的加热条件下，测量多组不同激光功率激发下的荧光强度比数据，测量过程中准直光束保证不同功率下光斑大小不变；

(4)在改进公式中，实测温度T₀及激光功率P为双自变量，C，ΔE，α为待定的标定参数，基于最小二乘法同时拟合步骤(3)中的多组数据，确定标定参数，

(5)在实际应用中，使用两种不同的激发功率测量对应的强度比值FIR₁和FIR₂，利用公式

在已知标定参数及激光功率的情况下反推环境温度数值T₀，实现高精度温度传感。

本发明的有益效果在于：

1、不在既有测温系统中添加硬件，只需要在测量时采用多组光强数据即可，故本发明成本低廉，操作便捷。

2、可以使用较强的激光照射测温探头，相对传统低功率泵浦具有更高的信噪比。

3、本方案不依赖于入射的激光功率，所以适用于复杂环境的生物体内测温。

附图说明

图1为荧光强度比值随激光功率的变化；

图2为测温探头温度随激光功率的变化；

图3为本发明提出的改进方案与不同激发功率下传统方法的测温性能对比；

图4为本专利的操作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明公开了一种改进的上转换荧光强度比测温技术。传统的荧光强度比技术原则上应该使用和标定仪器时相同的激光功率，这样能保证激光的热效应在标定时与实际测量时相同。但是对于某些特殊情况，例如生物体内的温度传感，由于生理组织对激光信号的吸收及散射，很难确保照射在测温探头上的实际激光功率与标定时相同，这种偏差将会导致明显的测量误差。本方案在传统上转换荧光强度比测温公式中引入激光的热效应项，使用两种激光功率测量对应的强度比值，通过差值方法移除测温公式中的激光功率项，最终求得周围环境温度。

本发明提供了一种不依赖激发光源强度的荧光强度比测温方法，能够有效提高测温精度，具有不添加附件、操作简单等优点。一种改进的上转换荧光强度比测温技术，基于激光热效应的线性规律，将激光产生的加热项引入到传统的荧光强度比标定公式中，利用多组数据标定改进的测温公式。在具体应用时，使用至少两种功率的激光激发测温探头获得多个荧光强度比值，通过差值运算移除激光加热温度，最终实现生物体内的高精度温度传感。本发明利用近红外激光功率与探头温度之间的线性规律。本发明使用无激光激发情况下的探头实测温度作为环境温度进行标定。本发明在传统上转换荧光强度比标定公式中引入激光产生的温度修正项。本发明使用至少两个不同的激光功率进行测量。本发明通过差值运算移除激光功率对温度的影响。

本发明具体为使用多组激光功率测量对应的荧光强度比值，基于激光的加热效应，修正测量温度中入射激光引起的温度效应，从而减少测量误差，提高精度。

为达到上述目的，本发明的实现原理如下。

当激光照射在稀土掺杂纳米材料表面时，入射能量一部分被材料吸收，另一部分则被散射至外界。由于稀土离子的上转换量子效率较低，所以被吸收的光子能量中只有少部分能转化为材料的荧光信号，其中的绝大部分将通过晶格声子转化为热量。这些热量又会有相当部分通过热辐射或热对流发散至外界，最后剩余的部分存储在材料中，使其温度升高，以上即为激光加热的物理过程。

实验表明，稀土掺杂上转换荧光材料的温度随激光功率线性增加(如图2所示)。因而可以将这种线性关系引入到荧光强度比标定公式当中，可得

其中α为材料的光热转化系数，T₀为环境温度。

利用上述改进的荧光强度比标定公式，可以使用两种不同的激光功率来进行传感，假设在功率为P₁时测得的荧光强度比值为FIR₁；功率为P₂＝AP₁时测得的比值为FIR₂。则可以通过差值运算将公式(2)中的激光功率消去，最终获得环境温度T₀。具体公式如下：

实施方式如图4所示，具体如下：

步骤1制备稀土离子掺杂上转换纳米材料作为测温探头。

步骤2将测温探头至于电加热盘上，调节加热盘输入功率至不同温度，测量无激光入射情况下探头实际温度随环境温度的变化，用作标定公式中的T₀。

步骤3在步骤2使用的加热条件下，测量多组不同激光功率激发下的荧光强度比数据，测量过程中准直光束保证不同功率下光斑大小不变。

步骤4在改进公式(2)中，实测温度T₀及激光功率P为双自变量，C，ΔE，α为待定的标定参数，基于最小二乘法同时拟合步骤3中的多组数据，确定标定参数。

步骤5在实际应用中，使用两种不同的激发功率测量对应的强度比值FIR₁和FIR₂，利用公式(3)在已知标定参数及激光功率的情况下反推环境温度数值T₀，实现高精度温度传感。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、原理、技术方案和有益效果进行了详细说明。所理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例而已，而不用于限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种不依赖激发光强的上转换荧光强度比测温方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)制备稀土离子掺杂上转换纳米材料作为测温探头；

(2)将测温探头至于电加热盘上，调节加热盘输入功率至不同温度，测量无激光入射情况下探头实际温度随环境温度的变化，用作标定公式中的T₀；

(3)在步骤(2)使用的加热条件下，测量多组不同激光功率激发下的荧光强度比数据，测量过程中准直光束保证不同功率下光斑大小不变；

(4)在改进公式中，实测温度T₀及激光功率P为双自变量，C，ΔE，α为待定的标定参数，k为波尔兹曼常数，基于最小二乘法同时拟合步骤(3)中的多组数据，确定标定参数，

(5)在实际应用中，使用两种不同的激发功率测量对应的强度比值FIR₁和FIR₂，利用公式

在已知标定参数及激光功率的情况下反推环境温度数值T₀，实现高精度温度传感。