專利名稱：一種測量液相微區溫度的方法
技術領域：
本發明屬于溫度測量技術領域，特別涉及液相微體系溫度的測量方法。
背景技術：
經檢索，現有測量液相微體系溫度的方法主要有荷蘭《色譜》(J.Chromatogr.A，1999年，第838卷，157-165頁)介紹的一種用微探針熱電偶緊貼毛細管外包皮的系統外部測溫法，其所測溫度為系統的平均值，不能反映系統內局部溫度變化，此外，該方法屬于接觸式測量，測溫元件本身的熱容必然會影響測量對象的溫度，難以真實反映系統的溫度。
荷蘭《傳感與制動》(Sens.Actuators A，2000年，第84卷，11-17頁)介紹了一種利用液體的電流、電導率、電滲流速度和電泳遷移率等物理參數和溫度間存在固定關系的特點來間接推知溫度的方法，其所測得的溫度也為系統外部的平均值，又由于方法中用到的計算公式要在實際測試條件符合時方可，即對系統運行狀態和環境有一定的要求，造成了實際運用中測量的局限性。
德國《色譜分析法》(Chromatographia，1992年，第33卷，445-448頁)介紹的吸收光譜法需要加熱敏染料，這不但會影響被測體系的性能，也會因染料本身的變色范圍窄限制其測量的范圍。
美國《分析化學》(Anal.Chem.，1993年，第65卷，293-298頁)報道了拉曼光譜法，但其只適合于具有拉曼散射光譜特性的體系的溫度測量。
發表于德國《流體實驗學》(Exp.Fluids，2001年，第30卷，190-201頁)的熱色液晶法，其測溫范圍窄，僅為0.5～5℃，且用于溫度探測的液晶微膠囊大小通常在幾十微米范圍，無法運用于空間尺度小于其尺度的測量。
綜上所述，現有的液相微體系溫度測量方法，存在測溫空間分辨率低、測溫范圍窄、測溫探頭會對體系造成影響及測溫對象受限等不足，無法實現對微體系內部某區域的精確定位和高分辨率測量。
發明內容
本發明提出一種測量液相微體系溫度的方法，通過借助微機械操作手段將測溫探頭精確定位于待測區域，以實現對該微體系內部某區域的高空間分辨率測量。
本發明測量液相微區溫度的方法，其特征在于按1∶103～1∶108的質量比將測溫探頭小球的乳濁液或粉末加入到待測樣品中，均勻混合后移入樣品池內，置于顯微鏡載物臺上；采用微機械操控手段將測溫探頭小球移動到待測微區并精確定位，將測溫探頭小球釋放，利用圖像采集系統記錄小球做自由布朗運動的圖像；經過圖像分析，得到一系列δt時間間隔內小球布朗運動的位移值，對500～1500組的δt時間間隔內小球布朗運動位移值做統計平均得出其均方值＜r2＞ave，代入式(1)K·T·d·δt3πa<r2>ave=η0eΔWKT---(1)]]>式(1)中，K為玻爾茲曼常數，T為熱力學溫度，d為微粒布朗運動的運動維數，＜r2＞ave為δt時間間隔內微粒布朗運動的均方位移值，a為微粒半徑，η0、ΔW為液體的特性參數；其中δt的數值可根據記錄圖像的總時間除以記錄的圖片總幀數得出；求解該式(1)，即可得到待測區域的溫度值。
所述用于制備測溫探頭小球的材料，包括與待測樣品的密度相差在±7％以內、物理性質穩定的聚苯乙烯或二氧化硅乳濁液或粉末。
所述將測溫探頭小球移動和精確定位的微機械操控手段，包括光鑷或微針。
本發明測溫方法是基于微粒布朗運動劇烈程度和液體的粘滯系數均與溫度有關的性質進行溫度測量的，該方法的空間分辨率取決于測溫探頭的精確定位及其布朗運動的范圍大小；測溫探頭的精確定位通過光鑷、微針等微機械操控手段實現，其精度取決于微機械操控的精度；其布朗運動的范圍大小與所選粒子的尺寸、待測對象的溫度及粘滯系數有關，實際應用時要根據具體情況選用尺寸合適的粒子；測量結果的精度誤差主要來自于統計誤差，這就要求在具體考慮所選用的測溫探頭小球的大小、布朗運動的劇烈程度帶來的影響后，再做統計置信度及誤差分析，以估算出合理的信息采集量，如要達到95％的置信度及小于5％的誤差，即使該方法的測量精度達到0.5℃，誤差小于3％的要求，信息采集量應為500～1500組；待測樣品中加入測溫小球的質量比要根據選用的小球乳濁液或粉末的濃度來具體估算，以使得配制好的樣品中測溫小球所占的體積分數在10-7～10-5間即可，如要使待測樣品中測溫探頭小球所占的體積分數為10-6時，則加入的測溫探頭小球乳濁液或粉末與待測樣品的質量比為1∶103～1∶108。
與現有技術相比較，由于本發明采用微機械操控手段將與待測樣品的密度相差在±7％以內、物理性質穩定、形狀規則、大小均一且表面光滑的測溫探頭小球精確定位于待測微區，解決了現有液相微體系溫度測量中測溫范圍受限于測溫探頭的問題；由于本發明利用微機械操控手段精確定位測溫探頭，實現了高空間分辨率的溫度測量；特別是若被探測體系中含有可作為測溫探頭的組分時，采用本發明方法即可實現非接觸式測溫；由于在很大的溫度范圍內，熱運動引起的布朗運動現象在各種液體中都是可以做到精確觀測的，所以本方法可以測量任何有一定能見度的液相物質，較現有技術在測溫空間分辨率低、對象受限、范圍窄、測溫探頭會對體系造成影響等方面都有所改進。
圖1為典型配置的納米光鑷系統實驗裝置結構原理示意圖。
具體實施例方式實施例1本實施例采用光鑷作為微機械操控手段精確定位測溫探頭，在不同溫度下對水和乙醇水溶液的某一微區溫度進行了測量。
圖1給出了本實施例采用的一種納米光鑷系統裝置，它由激光器1、顯微鏡(主要零部件有雙色反射鏡6，100倍油浸物鏡7，鹵素照明燈10，分束棱鏡11)、壓電掃描平臺8、數碼相機12、計算機控制系統13及反射鏡等光學元件組成采用功率為10mW、波長為632.8nm的氦-氖(He-Ne)激光器1作為光鑷光源，輸出的激光經過擴束鏡2擴束和準直透鏡3準直調焦后，再經反射鏡4和反射鏡5反射，耦合進倒置顯微鏡的光通道，光束經雙色反射鏡6反射再經100×油浸物鏡7強會聚后，在出射光焦點位置形成光梯度力勢阱，即光鑷；顯微鏡系統的樣品臺上設置由計算機程序(自動或手動)控制其三維運動的壓電掃描平臺8，以便通過它控制放置于其上的樣品池9相對物鏡的三維移動，實現光鑷操控對象的精確定位、移動等；在顯微鏡的觀察通道上，加設了圖像采集工具數碼相機(CCD)12，其采集的信號傳輸到計算機13后可實現對所有微操控過程的實時觀測。
氦-氖激光束可用中性衰減片組來改變光強，以適應不同測量范圍的需要。小球位移的測量是用分析軟件對動態顯微圖像進行相關分析實現。
在按上述實驗裝置圖搭建好納米光鑷系統設備后，按1∶10000的質量比將含有作為測溫探頭的聚苯乙烯小球乳濁液(可從Duke科學公司等直接購得)加入到待測樣品中，以使待測樣品中聚苯乙烯小球所占的體積分數為10-6，將調制后的待測樣品移入至設備專用的樣品池后即可以開始溫度測試了。
測量時先用光鑷捕獲測溫“探頭”小球，再用由計算機13程序控制(自動或手動)的壓電掃描平臺8來控制樣品池9相對于物鏡的移動，將所捕獲的測溫“探頭”移至待測溫度的微小區域后，關閉光鑷，讓小球做自由布朗運動，與此同時用圖像采集系統觀測并記錄測溫“探頭”。
為了盡可能減小光鑷對小球擴散運動的影響，即消除光鑷光源對被探測體系溫度可能造成的影響，在光鑷關閉后2秒再開始跟蹤測量小球的自由布朗運動，直到小球遠離物鏡焦平面時再停止測量。跟蹤測量的時間通常為20秒，在這樣的時間長度內，小球自由布朗運動在縱向的位置變化范圍約5μm。為得到足夠數量的布朗運動位移值，要多次重復上述操作，即重新捕獲“探頭”小球，移回至待測溫區，并跟蹤其布朗運動。用相關運算法圖像分析法對數碼相機(CCD)采集的小球布朗運動圖像進行處理，得到一系列相鄰兩幀時間間隔為Δt的小球的二維布朗運動位移值。對大量的布朗運動位移值進行統計平均，得出其均方值＜r2＞ave，代入K·T·d·δt3πa<r2>ave=η0eΔWKT=η]]>式得出體系動力粘滯系數與溫度的關系式，求解該式得待測區域的溫度值。該公式的推導可參見《熱力學·統計物理》(汪志誠編著，北京高等教育出版社，1980(2001年重印)版第386頁)和《熱學》(李椿等編著，北京人民教育出版社，1978版第313頁)。
以純水為例用所提出的方法進行了溫度測量，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時水的η＝182.3×10-6Kgf·s/m2，和T＝283.15K時的η＝133.1×10-6Kgf·s/m2求得。
求解上式得T＝302.5K，即實驗時樣品池內待測微區的溫度為29.35±0.1℃。
又對同樣實驗條件下質量百分含量為60％的乙醇水溶液用所提出的方法進行了驗證，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時水的η＝260.3008×10-6Kgf·s/m2，和T＝313.15K時的η＝149.8916×10-6Kgf·s/m2求得。
求解上式得T＝303.3K，即實驗時樣品池內待測微區的溫度為30.15±0.1℃。
對以上測量結果，用探頭尺寸約0.5mm、材料為鎳銅-鎳鋁K型熱電偶溫度計進行了驗證性測量，結果一致；此外，還用該方法對T為278K、318K時的水和乙醇水溶液進行了測量，其結果與鎳銅-鎳鋁K型熱電偶溫度計的測量結果一致。
本發明提出的測量液相微體系溫度的方法，可實現對微體系內部某區域溫度的精確測量，解決了現有液相微體系溫度測量中測溫范圍受限于測溫探頭的問題，利用微機械操控手段精確定位測溫探頭實現高空間分辨率測量，并且在具體對純水和乙醇水溶液進行了實施驗證后，分析得在所用實驗條件下本方法的測量空間分辨率為10×10×5μm3；當被探測體系中含有可作為測溫探頭的組分時，即可實現非接觸式測溫；此外，本方法的測量對象可以是任何有一定能見度的液相物質，測溫范圍不會因所用的探頭受到限制，因而，較現有技術本方法在測溫空間分辨率低、對象受限、范圍窄、測溫探頭會對體系造成影響等方面都有所改進。
權利要求
1.一種測量液相微區溫度的方法，其特征在于按1∶103～1∶108的質量比將測溫探頭小球的乳濁液或粉末加入到待測樣品中，均勻混合后移入樣品池內，置于顯微鏡載物臺上；采用微機械操控手段將測溫探頭小球移動到待測微區并精確定位，將測溫探頭小球釋放，利用圖像采集系統記錄小球做自由布朗運動的圖像；經過圖像分析，得到一系列δt時間間隔內小球布朗運動的位移值，對500～1500組的δt時間間隔內小球布朗運動位移值做統計平均得出其均方值<r2>ave，代入式(1)K·T·d·δt3πa<r2>ave=η0eΔWKT---(1)]]>式(1)中，K為玻爾茲曼常數，T為熱力學溫度，d為微粒布朗運動的運動維數，<r2>ave為δt時間間隔內微粒布朗運動的均方位移值，a為微粒半徑，η0、ΔW為液體的特性參數；其中δt的數值可根據記錄圖像的總時間除以記錄的圖片總幀數得出；求解該式(1)，即可得到待測區域的溫度值。
2.如權利要求1所述測量液相微區溫度的方法，特征在于所述用于制備測溫探頭小球的材料，包括與待測樣品的密度相差在±7％以內、物理性質穩定的聚苯乙烯或二氧化硅乳濁液或粉末。
3.如權利要求1所述測量液相微區溫度的方法，特征在于所述將測溫探頭小球移動和精確定位的微機械操控手段，包括光鑷或微針。
全文摘要
本發明測量液相微體系溫度的方法，特征是采用光鑷或微針將聚苯乙烯或二氧化硅的乳濁液或粉末測溫探頭小球移動到待測微區并精確定位，將測溫探頭小球釋放，利用圖像采集系統對δt時間內小球布朗運動位移值做統計平均得出其均方值< r
文檔編號G01K11/00GK1963420SQ20051009537
公開日2007年5月16日 申請日期2005年11月8日 優先權日2005年11月8日
發明者張文靜, 李銀妹, 樓立人 申請人:中國科學技術大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
