CN111256872B - 一种荧光测温材料、测温方法以及温度检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种荧光测温体系、温度测量方法与温度检测系统，属于温度测量的技术领域。荧光测温体系包括敏化剂、光能缓存单元与荧光染料，光照下敏化剂产生的单线态氧将光能缓存单元氧化生成中间体，中间体不稳定发生分解并释放能量，能量被荧光染料吸收并以荧光形式释放；所述荧光寿命与温度呈负相关。本发明荧光测温体系的荧光寿命不受激发光强度、荧光染料浓度等因素的影响，仅与荧光染料所处微环境有关，溶剂确定后，仅有环境温度有关。中间体分解为一元反应，半衰期在秒级，中间体分解步骤为决速步骤，荧光染料的发光寿命可被延长至秒级。本发明的测温体系测温准确，灵敏度高，纳米胶囊可以对活体内温度进行测量。

Description

一种荧光测温材料、测温方法以及温度检测系统
技术领域
本发明具体涉及一种荧光测温材料、测温方法以及温度检测系统，属于温度测量领域。
背景技术
温度在人们的学习，生活中有着非常重要的作用。通过对温度的测量，人们可以了解一些生物、物理、化学现象。尤其对于一个生命系统而言，温度的变化通常与诸多生命活动息息相关。所以温度的测量尤其是高灵敏度的温度测量显得尤为重要。
传统的接触式温度测量工具都是要接触才能实现精确测量，温度传感器接触测量区域时会影响原温度场，并且接触式测量很难测量物体内部的温度。温度测量也有部分会通过红外温度测量仪进行测试，但其测试的准确度不高，一般不用于精确测量。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种高精度的荧光测温材料、测温方法以及温度检测系统。
本发明提供了一种荧光测温材料，用于检测温度，具有这样的特征，包括：敏化剂，用于在光照下产生单线态氧；光能缓存单元，用于被单线态氧氧化生成不稳定中间体，不稳定中间体分解释放能量；以及荧光染料，用于吸收能量并释放荧光，其中，荧光的寿命与温度呈负相关。
在本发明提供的荧光测温材料中，还可以具有这样的特征，还包括：载体，用于负载敏化剂、光能缓存单元以及荧光染料，其中，载体为有机溶剂或BSA包覆的纳米胶囊。
在本发明提供的荧光测温材料中，还可以具有这样的特征，其中，当载体为BSA包覆的纳米胶囊时，纳米胶囊的制备方法为：将敏化剂、光能缓存单元以及荧光染料分散至液体石蜡中得到储备液D1；将BSA溶解于水中得到储备液D2，将储备液D1加入到储备液D2中；乳化、过滤以及离心处理，即得纳米胶囊。
在本发明提供的荧光测温材料中，还可以具有这样的特征，其中，有机溶剂为二氯甲烷，N,N-二甲基甲酰胺，二甲基亚砜，四氢呋喃，环己烷，甲苯，乙醇或甲醇中的至少一种。
在本发明提供的荧光测温材料中，还可以具有这样的特征，其中，当载体为甲苯时，荧光测温材料的测温范围为-20℃～50℃；当载体为BSA包覆的纳米胶囊且在水中测温时，荧光测温材料的测温范围为4℃～45℃。
在本发明提供的荧光测温材料中，还可以具有这样的特征，其中，当载体为有机溶剂时，敏化剂的浓度为0.1μM-100μM，光能缓存单元的浓度为0.01mM-10mM，荧光染料额浓度为0.01mM-10mM；当载体为BSA包覆的纳米胶囊时，敏化剂的浓度为1μM-100μM，光能缓存单元的浓度为0.1mM-10mM，荧光染料额浓度为0.1mM-10mM。
在本发明提供的荧光测温材料中，还可以具有这样的特征，其中，敏化剂的结构式为
Figure GDA0003107239850000031
光能缓存单元为
Figure GDA0003107239850000032
荧光染料为
Figure GDA0003107239850000033
本发明还提供了一种测温方法，具有这样的特征，包括如下步骤：S1，绘制荧光测温材料的荧光寿命的自然对数lnτ与温度倒数1/T的lnτ-1/T线性关系曲线；S2，测试荧光测温材料在测试环境下的荧光寿命τ’；S3，将荧光测温材料在测试环境下的荧光寿命τ’代入lnτ-1/T线性关系曲线，计算得到测试环境下的温度。
本发明还提供了一种温度检测系统，具有这样的特征，包括：样品室，用于放置待测样品，待测样品含有荧光测温材料；激光器，用于发出低频脉冲激光激发荧光测温材料信号发生器，用于控制激光器；检测器，用于接收荧光测温材料被激发后发出的发射光；以及计算机，用于控制信号发生器以及对发射光进行处理。
在本发明提供的温度检测系统中，还可以具有这样的特征，其中，低频脉冲激光的激光频率为0.001Hz～1.0Hz，检测器为PMT、EMCCD、数码相机或手机摄像头中的任意一种，信号发生器为波形发生器、函数发生器、数字延迟发生器、射频信号发生器中的任意一种或为经同步后波形发生器、函数发生器、数字延迟发生器、射频信号发生器中的任意多种或为计算机驱动的数据采集卡。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的荧光测温材料，因为本发明中的荧光染料的荧光发射是随机的，符合单指数衰减。其衰减速率常数用k表示，其与荧光寿命的关系为τ＝1/k。而荧光寿命是荧光染料的本身特性，在一定条件下仅与温度相关。但是由于荧光染料的激子从激发单重态S1至基态S0的跃迁为允许跃迁，其衰减速率常数非常大，荧光寿命一般在纳秒级，不能满足利用荧光寿命进行测温的需求。荧光寿命通常来讲是荧光材料的固有特性，不受激发光强度、荧光染料浓度等因素的影响，仅仅与荧光染料所处的微环境有关。本发明的荧光测温材料包括敏化剂、光能缓存单元与荧光染料，敏化剂吸收激发光后，能级跃迁至激发态，不稳定的激发态可以将能量传递给氧气产生单线态氧，单线态氧将光能缓存单元氧化成中间体1,2-氧杂环丁烷，中间体不稳定会分解成双酮分子，并释放出能量；该能量被有机染料perylene吸收后跃迁至激发态，中间体1,2-氧杂环丁烷的分解为一元反应，半衰期在秒级，中间体的分解步骤为决速步骤所以，本发明的采用的荧光染料的发光寿命可被延长至秒级，所发出的荧光称之为超长荧光。
根据本发明所涉及的荧光测温材料，因为本发明中的荧光测温材料可以直接滴到固体的表面，激光照射后再测试其荧光寿命，匹配标准的lnτ-1/T线性关系曲线即可以得到测试固体表面的准确温度。生物分子细胞、组织或活体样本等的温度测量中，可以使用能分散至水中的纳米胶囊，此纳米胶囊完全考虑到水溶性与生物相容性，可以在毒害作用最小的情况下对生物细胞、组织或活体样本进行准确测温。生物组织对激发光和荧光信号的散射和吸收作用极低。光在穿透皮肤、脂肪等生物组织时的“折损率”就极大程度地下降，获得的荧光信号会随着不同深度的组织而变化，无法有效地利用多个波长来对活体中不同的分析物进行同时定量检出，无法实现活体中基于多光谱信号的多重检测。生命体中如有炎症或是肿瘤恶性生长等异常现象发生时，常会使得部分区域的温度升高，本发明的纳米胶囊在注射入合适位置后，即可以对此区域进行测温，并且与温度对应的荧光寿命并不会随着其他条件的改变而改变，所以本发明可以实现精确、可重复的测温，根据所在区域温度判断此区域是否有异常。
根据本发明所涉及的荧光测温材料，因为本发明为了测试溶液、固体表面、生物分子、细胞、组织或活体样本的温度，配套地设计了温度检测系统，信号发生器用于控制激光器发出低频脉冲激光，频率低至0.03HZ，现有的带有共轭结构，能有发生能级跃迁再以荧光形式形成发生光的物质，其激子从激发单重态S1至基态S0的荧光寿命只能是纳秒级的；激光器用于对荧光测温材料进行激发；所述检测器用于接收被激发的荧光测温材料发出的发射光，此检测器可以是日常常见的拍照设备或是光电转换设备；计算机用于控制信号发生器和对检测器接收到的发射光进行处理，其内部已经预存有荧光寿命的自然对数lnτ与温度倒数1/T的线性关系式，通过实际测试得到的荧光寿命带入到预存关系式中，既可以得到测试环境的温度。所以本发明的温度检测系统具有测量精度高，灵敏度好，稳定性好等优点。
附图说明
图1是本发明中敏化剂、光能缓存单元与荧光染料三组分的机理关系图；
图2是本发明的实施例1中甲苯为溶剂，荧光测温材料的荧光随时间变化的衰减曲线图；
图3是本发明的实施例1中甲苯为溶剂，温度倒数与荧光寿命自然对数得到的lnτ-1/T曲线图；
图4是本发明的实施例2中纳米胶囊的TEM图；
图5是本发明的实施例2中纳米胶囊的荧光随时间变化的衰减曲线图；
图6是本发明的实施例2中纳米胶囊的温度倒数与荧光寿命自然对数得到的lnτ-1/T曲线图；
图7是本发明的实施例3中不同时间下温度检测系统(以EMCCD为检测器)对小鼠成像的灰度图；
图8是本发明的实施例3中荧光测温材料的温度检测系统的示意图；
图9是本发明的实施例3中温度检测系统测试小鼠体内温度的示意图；
图10是本发明的实施例3中纳米胶囊用于小鼠感染区域与正常区域温度测试对比。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。
下述实施例中的敏化剂为
Figure GDA0003107239850000071
也可以写为PdPc(OBu)8；
光能缓存单元为
Figure GDA0003107239850000072
也可以简写为PCU；
荧光染料为
Figure GDA0003107239850000073
也可以写为perylene。
本发明中敏化剂、光能缓存单元与荧光染料三组分的机理关系如图1所示。敏化剂吸收激发光后，能级跃迁至激发态，不稳定的激发态将能量转移至氧气产生单线态氧，单线态氧将光能缓存单元氧化成中间体1,2-氧杂环丁烷，中间体不稳定会分解成双酮分子，并释放出能量；该能量被有机染料perylene吸收后跃迁至激发态，中间体1,2-氧杂环丁烷的分解为一元反应，半衰期在秒级，中间体的分解步骤为决速步骤，因此perylene的发光寿命可被延长至秒级。当去掉激发光后，分子的荧光强度降到激发时的荧光最大强度I0的1/e所需要的时间，称为荧光寿命。
本发明此荧光测温材料可以用于测试所在有机溶剂的温度，或是负载至固体表面、生物分子、细胞、组织或活体样本上来测试温度。
<实施例1>
一种荧光测温材料，用于检测温度，包括：敏化剂、光能缓存单元、荧光染料以及载体。
在本实施例中，敏化剂为1μM PdPc(OBu)8，光能缓存单元为1mM PCU，荧光染料为1mM perylene，载体为甲苯。
本实施例的荧光测温材料的制备方法为在20℃将1μM PdPc(OBu)8，1mM PCU，1mMperylene加入至甲苯中后即得。
图2是本发明的实施例1中甲苯为溶剂，荧光测温材料的荧光随时间变化的衰减曲线图。
如图2所示，经激光照射1s后，利用荧光光谱仪测试该荧光测温材料的荧光随时间变化的衰减曲线，得到其荧光强度随时间成单指数衰减，由图中数值计算可得甲苯为溶剂的荧光材料荧光寿命为4.28s。相较于激光激发perylene，得到荧光测温材料的荧光寿命有109倍的延长。
在别的实施方式中，仅将甲苯更换为别的有机溶剂，得到了其他一些荧光测温材料，使用同样的方法进行测试，得到不同有机溶剂下的荧光测温材料的荧光寿命，具体结果如表1所示。
表1
Figure GDA0003107239850000081
图3是本发明的实施例1中甲苯为溶剂，温度倒数与荧光寿命自然对数得到的lnτ-1/T曲线图。
如图3所示，将不同温度下得到的荧光寿命做成以温度倒数(1/T)为横坐标，荧光寿命的自然对数(lnτ)为纵坐标得到的lnτ-1/T曲线，数据符合拟合方程:lnτ＝8708.64/T–28.28。
以本实施例提供的荧光测温材料测试甲苯溶液温度，已知温度(25℃)甲苯溶液下，该超长荧光材料的荧光寿命为2.52s，经计算该未知甲苯溶液的温度为25.2℃，温度响应灵敏度为5.7％K-1。
<实施例2>
一种荧光测温材料，用于检测温度，包括：敏化剂、光能缓存单元、荧光染料以及载体。
在本实施例中，敏化剂为10μM PdPc(OBu)8，光能缓存单元为3mM PCU，荧光染料为3mM perylene，载体为BSA包覆的纳米胶囊。
本实施例的荧光测温材料的制备方法为将10μM PdPc(OBu)8，3mM PCU，3mMperylene分散至液体石蜡中得到储备液D1；将BSA溶解至去离子水中得到BSA浓度为10mg/mL的储备液D2，将0.1mL储备液D1加入到10mL储备液D2中，使用细胞粉碎仪在冰水浴下乳化10min，然后用0.8微米滤膜过滤，最后，经过梯度离心得到粒径均匀的纳米胶囊，得到的水溶性的纳米胶囊。
图4是本发明的实施例2中纳米胶囊的TEM图。
如图4所示，本实施例提供的纳米胶囊呈球形，粒径约为150nm。
图5是本发明的实施例2中纳米胶囊的荧光随时间变化的衰减曲线图。
如图5所示，20℃下，经激光照射1s后，利用温度检测系统(以PMT为检测器)测试该荧光测温材料的荧光随时间变化的衰减曲线，得到其荧光强度随时间成单指数衰减，由图中数值计算可得水溶性纳米胶囊的荧光寿命为1.58s。
图6是本发明的实施例2中纳米胶囊的温度倒数与荧光寿命自然对数得到的lnτ-1/T曲线图。
于不同温度下，激光照射1s后，测试本实施例提供的荧光测温材料的荧光寿命。如图6所示，将不同温度下得到的荧光寿命做成以温度倒数(1/T)为横坐标，荧光寿命的自然对数(lnτ)为纵坐标得到的lnτ-1/T曲线,数据符合拟合方程:lnτ＝6492.56/T–21.70。
纳米胶囊可以与水互溶，溶解于水中的纳米胶囊的测温范围为4℃-45℃。
将本实施例制得的水溶性纳米胶囊测试活体小鼠皮下温度，将该水溶性纳米胶囊经皮下注射入小鼠体内，10分钟后，经温度检测系统(以EMCCD为检测器)对小鼠进行成像，测得位于小鼠体内的纳米胶囊的荧光寿命0.90s，经计算得到小鼠皮下温度为27.7℃，温度响应灵敏度为7.2％K-1。不同时间下温度检测系统(以EMCCD为检测器)小鼠成像的灰度图如图7所示。
<实施例3>
图8是本发明的实施例3中荧光测温材料的温度检测系统的示意图。
如图8所示的，一种温度检测系统，用于检测以上实施例中的荧光测温材料的荧光寿命，包括：计算机1、信号发生器2、激光器3、检测器5以及样品室4。
样品室4用于放置待测样品，待测样品上含有荧光测温材料。信号发生器2用于控制激光器3发出0.03HZ的低频脉冲激。激光器3用于对荧光测温材料进行激发。检测器5用于接收被激发的荧光测温材料发出的发射光。计算机1用于控制信号发生器2和对检测器5接收到的发射光进行处理。计算机可以为带有处理器的电脑、平板电脑或是手机等的移动终端。
图9是本发明的实施例3中温度检测系统测试小鼠体内温度的示意图。
如图9所示，以实施例2制得的纳米胶囊经皮下注射入小鼠体内，10分钟后，将小鼠放入样品室4中，计算机1控制信号发生器2产生电信号，电信号再作用在激光器3发射出730nm的发射光，用于对小鼠体内的纳米胶囊进行激发，纳米胶囊经过激发发射出450nm的发射光，EMCCD检测器5对此发射光进行探测，将测得发射光信号转化为电信号后传递给计算机，计算机进行处理，得到荧光寿命。
图10是本发明的实施例3中纳米胶囊用于小鼠感染区域与正常区域温度测试对比。
对于同一只小鼠，在其受感染的区域与正常的区域同时注射纳米胶囊，测试两区域的荧光寿命，用于表征所在区域的温度，具体如图10所示。由图可知，感染区域的温度要比正常区域的温度高2.8℃。由此可以看出，本发明材料是可以精确的显示出炎症区域，可为之后的医学用途提供支持。
实施例的作用与效果
根据上述实施例所涉及的荧光测温材料，因为实施例中的荧光染料的荧光发射是随机的，符合单指数衰减。其衰减速率常数用k表示，其与荧光寿命的关系为τ＝1/k。而荧光寿命是荧光染料的本身特性，在一定条件下仅与温度相关。但是由于荧光染料的激子从激发单重态S1至基态S0的跃迁为允许跃迁，其衰减速率常数非常大，荧光寿命一般在纳秒级，不能满足利用荧光寿命进行测温的需求。荧光寿命通常来讲是荧光材料的固有特性，不受激发光强度、荧光染料浓度等因素的影响，仅仅与荧光染料所处的微环境有关。本发明的荧光测温材料包括敏化剂、光能缓存单元与荧光染料，敏化剂吸收激发光后，能级跃迁至激发态，不稳定的激发态可以将能量传递给氧气产生单线态氧，单线态氧将光能缓存单元氧化成中间体1,2-氧杂环丁烷，中间体不稳定会分解成双酮分子，并释放出能量；该能量被有机染料perylene吸收后跃迁至激发态，中间体1,2-氧杂环丁烷的分解为一元反应，半衰期在秒级，中间体的分解步骤为决速步骤所以，上述实施例的采用的荧光染料perylene的发光寿命可被延长至秒级，所发出的荧光称之为超长荧光。
根据上述实施例所涉及的荧光测温材料，因为实施例中的荧光测温材料可以直接滴到固体的表面，激光照射后再测试其荧光寿命，匹配标准的lnτ-1/T线性关系曲线即可以得到测试固体表面的准确温度。生物分子细胞、组织或活体样本等的温度测量中，可以使用能分散至水中的纳米胶囊，此纳米胶囊完全考虑到水溶性与生物相容性，可以在毒害作用最小的情况下对生物细胞、组织或活体样本进行准确测温。生物组织对激发光和荧光信号的散射和吸收作用极低。光在穿透皮肤、脂肪等生物组织时的“折损率”就极大程度地下降，获得的荧光信号会随着不同深度的组织而变化，无法有效地利用多个波长来对活体中不同的分析物进行同时定量检出，无法实现活体中基于多光谱信号的多重检测。生命体中如有炎症或是肿瘤恶性生长等异常现象发生时，常会使得部分区域的温度升高，实施例中的纳米胶囊在注射入合适位置后，即可以对此区域进行测温，并且与温度对应的荧光寿命并不会随着其他条件的改变而改变，所以上述实施例可以实现精确、可重复的测温，根据所在区域温度判断此区域是否有异常。
根据上述实施例所涉及的荧光测温材料，因为实施例为了测试溶液、固体表面、生物分子、细胞、组织或活体样本的温度，配套地设计了温度检测系统，信号发生器用于控制激光器发出低频脉冲激光，频率低至0.03HZ，现有的带有共轭结构，能有发生能级跃迁再以荧光形式形成发生光的物质，其激子从激发单重态S1至基态S0的荧光寿命只能是纳秒级的；激光器用于对荧光测温材料进行激发；所述检测器用于接收被激发的荧光测温材料发出的发射光，此检测器可以是日常常见的拍照设备或是光电转换设备；计算机用于控制信号发生器和对检测器接收到的发射光进行处理，其内部已经预存有荧光寿命的自然对数lnτ与温度倒数1/T的线性关系式，通过实际测试得到的荧光寿命带入到预存关系式中，既可以得到测试环境的温度。所以实施例中的温度检测系统具有测量精度高，灵敏度好，稳定性好等优点。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种荧光测温材料，用于检测温度，其特征在于，包括：
敏化剂，用于在光照下产生单线态氧；
光能缓存单元，用于被所述单线态氧氧化生成不稳定中间体，所述不稳定中间体分解释放能量；荧光染料，用于吸收所述能量并释放荧光；以及
载体，用于负载所述敏化剂、所述光能缓存单元以及所述荧光染料，
其中，所述荧光的寿命与所述温度呈负相关，
所述载体为有机溶剂或BSA包覆的纳米胶囊，
当所述载体为BSA包覆的纳米胶囊时，所述纳米胶囊的制备方法为：将所述敏化剂、所述光能缓存单元以及所述荧光染料分散至液体石蜡中得到储备液D1；将BSA溶解于水中得到储备液D2，将储备液D1加入到储备液D2中；乳化、过滤以及离心处理，即得所述纳米胶囊。
2.根据权利要求1所述的荧光测温材料，其特征在于：
其中，所述有机溶剂为二氯甲烷，N,N-二甲基甲酰胺，二甲基亚砜，四氢呋喃，环己烷，甲苯，乙醇或甲醇中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的荧光测温材料，其特征在于：
其中，当所述载体为甲苯时，所述荧光测温材料的测温范围为-20℃～50℃；
当所述载体为BSA包覆的纳米胶囊且在水中测温时，所述荧光测温材料的测温范围为4℃～45℃。
4.根据权利要求1所述的荧光测温材料，其特征在于，
其中，当所述载体为有机溶剂时，所述敏化剂的浓度为0.1μM-100μM，所述光能缓存单元的浓度为0.01mM-10mM，所述荧光染料的浓度为0.01mM-10mM；
当所述载体为BSA包覆的纳米胶囊时，所述敏化剂的浓度为1μM-100μM，所述光能缓存单元的浓度为0.1mM-10mM，所述荧光染料的浓度为0.1mM-10mM。
5.根据权利要求1所述的荧光测温材料，其特征在于：
其中，所述敏化剂的结构式为
Figure FDA0003268170640000021
所述光能缓存单元为
Figure FDA0003268170640000022
所述荧光染料为
Figure FDA0003268170640000023
6.一种测温方法，基于权利要求1-5任意一项所述的荧光测温材料实现，其特征在于，包括如下步骤：
S1，绘制所述荧光测温材料的荧光寿命的自然对数lnτ与温度倒数1/T的lnτ-1/T线性关系曲线；
S2，测试所述荧光测温材料在测试环境下的荧光寿命τ’；
S3，将所述荧光测温材料在测试环境下的荧光寿命τ’代入所述lnτ-1/T线性关系曲线，计算得到所述测试环境下的温度。
7.一种温度检测系统，其特征在于，包括：
样品室，用于放置待测样品，所述待测样品含有权利要求1-5任意一项所述的荧光测温材料；
激光器，用于发出低频脉冲激光激发所述荧光测温材料；
信号发生器，用于控制所述激光器；
检测器，用于接收所述荧光测温材料被激发后发出的发射光；以及
计算机，用于控制所述信号发生器以及对所述发射光进行处理。
8.根据权利要求7所述的温度检测系统，其特征在于，
其中，所述低频脉冲激光的激光频率为0.001Hz～1.0Hz，所述检测器为PMT、EMCCD、数码相机或手机摄像头中的任意一种，所述信号发生器为波形发生器、函数发生器、数字延迟发生器、射频信号发生器中的任意一种或为计算机驱动的数据采集卡。
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