激光泵浦上转换荧光测温系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光学设备技术领域，具体涉及一种激光栗浦上转换荧光测温系统。
【背景技术】
[0002]光学温度传感在工业、军事、医疗等领域有着十分重要的意义。不同于其他接触式的测温方法如热膨胀测温、热阻测温、热电测温等，光学测温能够实现对样本的非接触式温度检测，对于一些超小尺度的样品如细胞、微纳器件以及要求低损乃至无损的样本如活体组织来说，光学测温是一种无可替代的测温方式。鉴于荧光检测技术在近几十年来的迅猛发展，荧光检测的灵敏度以及精确度都有了很大的提高，因此使用荧光信号进行光学温度检测具有检测速度快、需要的样品量少、检测灵敏度高等优势。最近，基于小分子或者纳米材料的荧光温度探针受到了国内外研究者越来越多的重视，通过荧光温度探针对样本进行标记能够实现样本温度变化的实时跟踪、特异性，选择性观测以及高分辨成像等。目前能够实现荧光温度检测的探针包括温敏荧光小分子、量子点、纳米金刚石、荧光聚合物纳米材料和稀土上转换纳米晶等，这些温敏探针的工作原理主要是荧光的发射能级的布居数与温度的指数成线性相关的关系，即符合布尔兹曼分布，通过对荧光信号强度变化的检测，就可以获知当前温度探针所处的环境的温度值。上述这些荧光温度探针在材料科学、生命科学和医学领域有着广泛的应用前景，比如有文献报道使用温度敏感的荧光小分子实现微纳器件的温度检测，使用纳米金刚石实现高分辨率的细胞升温监控，使用上转换发光纳米晶实现光热治疗的温度检测等。从这些例子中可以看出，基于荧光的温度检测技术将大大推动纳米材料学、生命科学、医学朝向更加精准的方向发展。
[0003]在已经报道的荧光温度探针中，基于激光栗浦的稀土上转换发光的荧光温度探针有一些独特的性质而优于其他探针。首先，上转换发光的机理与一般的荧光探针的机理不同，是将两个或者多个低能量的近红外光子转化为一个高能量光子的过程。这样的发光机理能够大大降低背景自发荧光的干扰，通过近红外的激光激发，还能够提高检测的深度并且减少激发光对样本尤其是生物组织的损伤。另外，一般的荧光温度探针都是单谱带发射，会因为样品的吸收、散射或者位置移动而造成检测的不准确性。稀土上转换发光温度探针的另一特征是多谱带发射，这些多谱带发射的能级分布关系符合布尔兹曼分布，因而能实现荧光比度温度检测，由此避免了单一谱带检测的误差。例如稀土铒掺杂的上转换纳米材料的两条绿光发射带(分别对应能级跃迀2Hn/P4I15/2和4S3/2—4I15/2)的发射强度比例与温度相关，因此被用来作为比度温度探针。目前荧光温度检测还处于发展阶段，尚缺乏基于上转换发光的荧光温度检测系统，如果能够将激光栗浦的上转换发光采集技术与温度检测技术结合起来，发展一种新型的荧光温度检测系统，将十分有助于提高荧光温度检测的可操作性和实时性，为材料科学、生命科学和医学研究以及荧光温度检测技术的应用提供一种有力的工具。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种激光栗浦的上转换荧光温度检测系统，该系统能够对标记有温度敏感的上转换发光探针的材料、细胞或者生物组织进行实时、非侵入式的成像，能够通过对上转换荧光的采集，监控材料、细胞或者生物组织内温度变化的情况。
[0005]本发明提出的激光栗浦上转换荧光温度检测系统，其结构组成如图1所示，由第一半导体激光器1、第二半导体激光器2、样品台3、循环控温器4、体相测温计5、滤光片6、CCD检测器7和计算机8组成;其中，样品台3用于放置荧光温度探针材料、细胞培养皿、活体动物以及组织;第一半导体激光器I作为荧光温度探针的荧光激发源，其出射光对准样品台3，第二半导体激光器2作为荧光温度探针的光致加热源;对准样品台3，循环控温器4围绕样品台3，体相测温计5通过测温探头与样品台3连接，循环控温器4和体相测温计5用于对荧光温度探针的光强与温度相关曲线进行测定;样品台3的正前方放置滤光片6，滤光片6的出光口对准CXD检测器7，CXD检测器7通过信号接收线路连接计算机8。
[0006]本发明中，第一半导体激光器I可采用中心波长为980 nm、808 nm、1532 nm的半导体激光器。
[0007]本发明中，第二半导体激光器2可采用中心波长为808 nm、730 nm、1064 nm的半导体激光器。
[0008]本发明中，滤光片6可采用720 nm、850 nm的短通滤光片。
[0009]本发明能对荧光温度探针的光学性质和温度响应的相关性进行检测，对激光控制的荧光温度探针进行微区加热并能够对标记有荧光温度探针的材料、细胞和活体动物和组织进行实时温度变化监控。
[0010]本发明的工作过程是:第一半导体激光器I产生的激光束照射在样品台3上，样品台3上承载的标记有上转换荧光温度探针的材料、细胞或者活体动物以及组织可以在激光的激发下发射上转换发光，一部分上转换发光信号通过滤光片6后截取一定波长的信号后被CCD检测器7接收，被CCD检测器7接收的荧光信号通过计算机8进行数字化处理得到温度值。
[0011]本发明还可以进行荧光温度探针的荧光-温度校正曲线的确定，通过循环控温器4和体相测温计5对含有荧光温度探针的材料、细胞或者活体动物以及组织进行外部加热，在半导体激光器I的照射下，采集不同外部加热温度下的上转换荧光信号，上转换发光信号通过滤光片6后截取一定波长的信号后被CCD检测器7接收，被CCD检测器7接收的荧光信号通过计算机8进行数字化处理得到荧光-温度校正曲线。
[0012]本发明还可以对荧光温度探针进行激光微区加热，使用第二半导体激光器2对含有荧光温度探针的材料、细胞或者活体动物以及组织进行微区加热，在第一半导体激光器I的照射下，采集不同外部加热温度下的上转换荧光信号，上转换发光信号通过滤光片6后截取一定波长的信号后被CCD检测器7接收，被CCD检测器7接收的荧光信号通过计算机8进行数字化处理得到激光微区加热的温度变化曲线。
[0013]有益效果:与现有技术相比，本发明具有以下优点:
1.本发明可以实现上转换荧光温度探针的比度荧光温度监控，可以消除样品的自发荧光、吸收、散射或者位置移动而造成检测的不准确性；
2.本发明可以实现上转换荧光温度探针荧光-温度校正曲线的测定，在同一系统中实现校正曲线的测定以及温度检测可以避免仪器的系统误差不同而导致的不精确性； 3.本发明可以实现上转换荧光温度探针的微区加热，可用于测定与上转换荧光温度探针结合的光热转换材料的温度。这将十分有助于研究光热转换材料的升温特性，并为目前实行的光热治疗提供更多的信息与策略。
【附图说明】
[0014]图1本发明的基本结构示意图。
[0015]图2实施例1的荧光-温度校正曲线。
[0016]图3实施例2的微观温度监控曲线。
【具体实施方式】
[0017]以下具体实例用来进一步说明本发明。
[0018]实施例1:使用激光栗浦上转换荧光测温系统测定上转换荧光温度探针NaLu0.78Yb0.2Er0.02F4@NaLuF4 的焚光-温度校正曲线
将上转换荧光温度探针的纳米材料NaLu0.78YbQ.2ErQ.()2F4_aLuF4分散于水中，配制成
0.5 mg/mL的溶液2 mL，将该溶液置于比色皿中，放置于如图1所示的样品台3上。使用循环控温器4和体相测温计5进行变温从0°C至90°C，同时使用980 nm激发上转换荧光，上转换发光信号通过滤光片6后截取一定波长的信号后被CCD检测器7接收，被CCD检测器7接收的荧光信号通过计算机8进行荧光发射峰的积分并比值，荧光发射随温度变化的标准曲线。如图2所示，荧光强度随着温度上升呈线性相关趋势。
[0019]实施例2:使用激光栗浦上转换荧光测温系统测定与光热治疗材料结合的上转换荧光温度探针在光热激发下的微观温度监控
将与光热转换材料结合的上转换荧光温度探针NaLuQ.78YbQ.2Er().()2F4_aLuF4分散于水中，配制成0.5 mg/mL的溶液2 mL。使用300mW/cm2的730 nm激光对溶液进行持续照射，在0-8分钟内取不同时间点，使用体相测温计5进行溶液测温，使用980 nm激光激发，采集上转换发射光谱，上转换发光信号通过滤光片6后截取一定波长的信号后被CCD检测器7接收，被CXD检测器7接收的荧光信号通过计算机8，选取815 nm和840 nm两条发射带进行发射强度积分并比值，带入荧光发射随温度变化的标准曲线，得到微观温度变化结果。如图3所示，可以观测到光热转换材料结合的上转换荧光温度探针NaLuQ.78YbQ.2Er().()2F4_aLuF4的微观温度上升至67.5°C，说明光热材料在微观下能够上升到比宏观状态更高的温度。
[0020]虽然已经用优选实施例详述了本发明，然而其并非用于限定本发明。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，应当可以作出各种修改与变更。因此本发明的保护范围应当视为所附的权利要求书所限定的范围。
【主权项】
1.一种激光栗浦的上转换荧光温度检测系统，其特征在于:由第一半导体激光器、第二半导体激光器、样品台、循环控温器、体相测温计、滤光片、CCD检测器和计算机组成；其中，样品台用于放置荧光温度探针材料、细胞培养皿、活体动物以及组织;第一半导体激光器作为荧光温度探针的荧光激发源，其出射光对准样品台，第二半导体激光器作为荧光温度探针的光致加热源，对准样品台；循环控温器围绕样品台，体相测温计通过测温探头与样品台连接，循环控温器和体相测温计用于对荧光温度探针的光强与温度相关曲线进行测定;样品台的正前方放置滤光片，滤光片的出光口对准CCD检测器，CCD检测器通过信号接收线路连接计算机。2.根据权利要求1所述的激光栗浦的上转换荧光温度检测系统，其特征在于所述第一半导体激光器采用中心波长为980 nm、808 nm或1532 nm的半导体激光器。3.根据权利要求1所述的激光栗浦的上转换荧光温度检测系统，其特征在于所述半导体激光器2采用中心波长为808 nm、730 nm或1064 nm的半导体激光器。4.根据权利要求1所述的激光栗浦的上转换荧光温度检测系统，其特征在于所述滤光片采用720 nm或850 nm的短通滤光片。
【专利摘要】本发明属于光学设备技术领域，具体为一种激光泵浦上转换荧光测温系统。本发明由半导体激光器、样品台、循环控温器、体相测温计、滤光片、CCD检测器和计算机组成。该系统能够对标记有温度敏感的上转换发光探针的材料、细胞或者生物组织进行实时、非侵入式的成像，通过对上转换荧光的采集，监控材料、细胞或者生物组织内温度变化的情况；另外，该系统能对荧光温度探针的光学性质和温度响应的相关性进行检测以及实现上转换荧光温度探针的微区加热，用于测定与上转换荧光温度探针结合的光热转换材料的温度。本发明可提高荧光温度检测的可操作性和实时性，为材料科学、生命科学和医学研究以及荧光温度检测技术的应用提供一种有力的工具。
【IPC分类】G01K11/00
【公开号】CN105547516
【申请号】CN201610005174
【发明人】李富友, 朱幸俊, 李家畅
【申请人】复旦大学
【公开日】2016年5月4日
【申请日】2016年1月7日