专利名称：一种测量液相微区温度的方法
技术领域：
本发明属于温度测量技术领域，特别涉及液相微体系温度的测量方法。
背景技术：
经检索，现有测量液相微体系温度的方法主要有荷兰《色谱》(J.Chromatogr.A，1999年，第838卷，157-165页)介绍的一种用微探针热电偶紧贴毛细管外包皮的系统外部测温法，其所测温度为系统的平均值，不能反映系统内局部温度变化，此外，该方法属于接触式测量，测温元件本身的热容必然会影响测量对象的温度，难以真实反映系统的温度。
荷兰《传感与制动》(Sens.Actuators A，2000年，第84卷，11-17页)介绍了一种利用液体的电流、电导率、电渗流速度和电泳迁移率等物理参数和温度间存在固定关系的特点来间接推知温度的方法，其所测得的温度也为系统外部的平均值，又由于方法中用到的计算公式要在实际测试条件符合时方可，即对系统运行状态和环境有一定的要求，造成了实际运用中测量的局限性。
德国《色谱分析法》(Chromatographia，1992年，第33卷，445-448页)介绍的吸收光谱法需要加热敏染料，这不但会影响被测体系的性能，也会因染料本身的变色范围窄限制其测量的范围。
美国《分析化学》(Anal.Chem.，1993年，第65卷，293-298页)报道了拉曼光谱法，但其只适合于具有拉曼散射光谱特性的体系的温度测量。
发表于德国《流体实验学》(Exp.Fluids，2001年，第30卷，190-201页)的热色液晶法，其测温范围窄，仅为0.5～5℃，且用于温度探测的液晶微胶囊大小通常在几十微米范围，无法运用于空间尺度小于其尺度的测量。
综上所述，现有的液相微体系温度测量方法，存在测温空间分辨率低、测温范围窄、测温探头会对体系造成影响及测温对象受限等不足，无法实现对微体系内部某区域的精确定位和高分辨率测量。
发明内容
本发明提出一种测量液相微体系温度的方法，通过借助微机械操作手段将测温探头精确定位于待测区域，以实现对该微体系内部某区域的高空间分辨率测量。
本发明测量液相微区温度的方法，其特征在于按1∶103～1∶108的质量比将测温探头小球的乳浊液或粉末加入到待测样品中，均匀混合后移入样品池内，置于显微镜载物台上；采用微机械操控手段将测温探头小球移动到待测微区并精确定位，将测温探头小球释放，利用图像采集系统记录小球做自由布朗运动的图像；经过图像分析，得到一系列δt时间间隔内小球布朗运动的位移值，对500～1500组的δt时间间隔内小球布朗运动位移值做统计平均得出其均方值＜r2＞ave，代入式(1)K·T·d·δt3πa<r2>ave=η0eΔWKT---(1)]]>式(1)中，K为玻尔兹曼常数，T为热力学温度，d为微粒布朗运动的运动维数，＜r2＞ave为δt时间间隔内微粒布朗运动的均方位移值，a为微粒半径，η0、ΔW为液体的特性参数；其中δt的数值可根据记录图像的总时间除以记录的图片总帧数得出；求解该式(1)，即可得到待测区域的温度值。
所述用于制备测温探头小球的材料，包括与待测样品的密度相差在±7％以内、物理性质稳定的聚苯乙烯或二氧化硅乳浊液或粉末。
所述将测温探头小球移动和精确定位的微机械操控手段，包括光镊或微针。
本发明测温方法是基于微粒布朗运动剧烈程度和液体的粘滞系数均与温度有关的性质进行温度测量的，该方法的空间分辨率取决于测温探头的精确定位及其布朗运动的范围大小；测温探头的精确定位通过光镊、微针等微机械操控手段实现，其精度取决于微机械操控的精度；其布朗运动的范围大小与所选粒子的尺寸、待测对象的温度及粘滞系数有关，实际应用时要根据具体情况选用尺寸合适的粒子；测量结果的精度误差主要来自于统计误差，这就要求在具体考虑所选用的测温探头小球的大小、布朗运动的剧烈程度带来的影响后，再做统计置信度及误差分析，以估算出合理的信息采集量，如要达到95％的置信度及小于5％的误差，即使该方法的测量精度达到0.5℃，误差小于3％的要求，信息采集量应为500～1500组；待测样品中加入测温小球的质量比要根据选用的小球乳浊液或粉末的浓度来具体估算，以使得配制好的样品中测温小球所占的体积分数在10-7～10-5间即可，如要使待测样品中测温探头小球所占的体积分数为10-6时，则加入的测温探头小球乳浊液或粉末与待测样品的质量比为1∶103～1∶108。
与现有技术相比较，由于本发明采用微机械操控手段将与待测样品的密度相差在±7％以内、物理性质稳定、形状规则、大小均一且表面光滑的测温探头小球精确定位于待测微区，解决了现有液相微体系温度测量中测温范围受限于测温探头的问题；由于本发明利用微机械操控手段精确定位测温探头，实现了高空间分辨率的温度测量；特别是若被探测体系中含有可作为测温探头的组分时，采用本发明方法即可实现非接触式测温；由于在很大的温度范围内，热运动引起的布朗运动现象在各种液体中都是可以做到精确观测的，所以本方法可以测量任何有一定能见度的液相物质，较现有技术在测温空间分辨率低、对象受限、范围窄、测温探头会对体系造成影响等方面都有所改进。
图1为典型配置的纳米光镊系统实验装置结构原理示意图。
具体实施例方式实施例1本实施例采用光镊作为微机械操控手段精确定位测温探头，在不同温度下对水和乙醇水溶液的某一微区温度进行了测量。
图1给出了本实施例采用的一种纳米光镊系统装置，它由激光器1、显微镜(主要零部件有双色反射镜6，100倍油浸物镜7，卤素照明灯10，分束棱镜11)、压电扫描平台8、数码相机12、计算机控制系统13及反射镜等光学元件组成采用功率为10mW、波长为632.8nm的氦-氖(He-Ne)激光器1作为光镊光源，输出的激光经过扩束镜2扩束和准直透镜3准直调焦后，再经反射镜4和反射镜5反射，耦合进倒置显微镜的光通道，光束经双色反射镜6反射再经100×油浸物镜7强会聚后，在出射光焦点位置形成光梯度力势阱，即光镊；显微镜系统的样品台上设置由计算机程序(自动或手动)控制其三维运动的压电扫描平台8，以便通过它控制放置于其上的样品池9相对物镜的三维移动，实现光镊操控对象的精确定位、移动等；在显微镜的观察通道上，加设了图像采集工具数码相机(CCD)12，其采集的信号传输到计算机13后可实现对所有微操控过程的实时观测。
氦-氖激光束可用中性衰减片组来改变光强，以适应不同测量范围的需要。小球位移的测量是用分析软件对动态显微图像进行相关分析实现。
在按上述实验装置图搭建好纳米光镊系统设备后，按1∶10000的质量比将含有作为测温探头的聚苯乙烯小球乳浊液(可从Duke科学公司等直接购得)加入到待测样品中，以使待测样品中聚苯乙烯小球所占的体积分数为10-6，将调制后的待测样品移入至设备专用的样品池后即可以开始温度测试了。
测量时先用光镊捕获测温“探头”小球，再用由计算机13程序控制(自动或手动)的压电扫描平台8来控制样品池9相对于物镜的移动，将所捕获的测温“探头”移至待测温度的微小区域后，关闭光镊，让小球做自由布朗运动，与此同时用图像采集系统观测并记录测温“探头”。
为了尽可能减小光镊对小球扩散运动的影响，即消除光镊光源对被探测体系温度可能造成的影响，在光镊关闭后2秒再开始跟踪测量小球的自由布朗运动，直到小球远离物镜焦平面时再停止测量。跟踪测量的时间通常为20秒，在这样的时间长度内，小球自由布朗运动在纵向的位置变化范围约5μm。为得到足够数量的布朗运动位移值，要多次重复上述操作，即重新捕获“探头”小球，移回至待测温区，并跟踪其布朗运动。用相关运算法图像分析法对数码相机(CCD)采集的小球布朗运动图像进行处理，得到一系列相邻两帧时间间隔为Δt的小球的二维布朗运动位移值。对大量的布朗运动位移值进行统计平均，得出其均方值＜r2＞ave，代入K·T·d·δt3πa<r2>ave=η0eΔWKT=η]]>式得出体系动力粘滞系数与温度的关系式，求解该式得待测区域的温度值。该公式的推导可参见《热力学·统计物理》(汪志诚编著，北京高等教育出版社，1980(2001年重印)版第386页)和《热学》(李椿等编著，北京人民教育出版社，1978版第313页)。
以纯水为例用所提出的方法进行了温度测量，得η=K·T·2×0.113π·0.5×10-6×0.2538×10-12=0.02483·e0.3555×10-19KT]]>其中，η0＝0.02483和ΔW＝0.3555×10-19是用已知的T＝273.15K时水的η＝182.3×10-6Kgf·s/m2，和T＝283.15K时的η＝133.1×10-6Kgf·s/m2求得。
求解上式得T＝302.5K，即实验时样品池内待测微区的温度为29.35±0.1℃。
又对同样实验条件下质量百分含量为60％的乙醇水溶液用所提出的方法进行了验证，得η=K·T·2×0.113π·0.5×10-6×0.2283×10-12=0.0462·e0.3494×10-19KT]]>其中，η0＝0.00462和ΔW＝0.3494×10-19是用已知的T＝293.15K时水的η＝260.3008×10-6Kgf·s/m2，和T＝313.15K时的η＝149.8916×10-6Kgf·s/m2求得。
求解上式得T＝303.3K，即实验时样品池内待测微区的温度为30.15±0.1℃。
对以上测量结果，用探头尺寸约0.5mm、材料为镍铜-镍铝K型热电偶温度计进行了验证性测量，结果一致；此外，还用该方法对T为278K、318K时的水和乙醇水溶液进行了测量，其结果与镍铜-镍铝K型热电偶温度计的测量结果一致。
本发明提出的测量液相微体系温度的方法，可实现对微体系内部某区域温度的精确测量，解决了现有液相微体系温度测量中测温范围受限于测温探头的问题，利用微机械操控手段精确定位测温探头实现高空间分辨率测量，并且在具体对纯水和乙醇水溶液进行了实施验证后，分析得在所用实验条件下本方法的测量空间分辨率为10×10×5μm3；当被探测体系中含有可作为测温探头的组分时，即可实现非接触式测温；此外，本方法的测量对象可以是任何有一定能见度的液相物质，测温范围不会因所用的探头受到限制，因而，较现有技术本方法在测温空间分辨率低、对象受限、范围窄、测温探头会对体系造成影响等方面都有所改进。
权利要求
1.一种测量液相微区温度的方法，其特征在于按1∶103～1∶108的质量比将测温探头小球的乳浊液或粉末加入到待测样品中，均匀混合后移入样品池内，置于显微镜载物台上；采用微机械操控手段将测温探头小球移动到待测微区并精确定位，将测温探头小球释放，利用图像采集系统记录小球做自由布朗运动的图像；经过图像分析，得到一系列δt时间间隔内小球布朗运动的位移值，对500～1500组的δt时间间隔内小球布朗运动位移值做统计平均得出其均方值<r2>ave，代入式(1)K·T·d·δt3πa<r2>ave=η0eΔWKT---(1)]]>式(1)中，K为玻尔兹曼常数，T为热力学温度，d为微粒布朗运动的运动维数，<r2>ave为δt时间间隔内微粒布朗运动的均方位移值，a为微粒半径，η0、ΔW为液体的特性参数；其中δt的数值可根据记录图像的总时间除以记录的图片总帧数得出；求解该式(1)，即可得到待测区域的温度值。
2.如权利要求1所述测量液相微区温度的方法，特征在于所述用于制备测温探头小球的材料，包括与待测样品的密度相差在±7％以内、物理性质稳定的聚苯乙烯或二氧化硅乳浊液或粉末。
3.如权利要求1所述测量液相微区温度的方法，特征在于所述将测温探头小球移动和精确定位的微机械操控手段，包括光镊或微针。
全文摘要
本发明测量液相微体系温度的方法，特征是采用光镊或微针将聚苯乙烯或二氧化硅的乳浊液或粉末测温探头小球移动到待测微区并精确定位，将测温探头小球释放，利用图像采集系统对δt时间内小球布朗运动位移值做统计平均得出其均方值< r
文档编号G01K11/00GK1963420SQ20051009537
公开日2007年5月16日 申请日期2005年11月8日 优先权日2005年11月8日
发明者张文静, 李银妹, 楼立人 申请人:中国科学技术大学