一种微量光热转换效率测试计算方法

1.本发明涉及光热材料技术领域，具体是一种微量光热转换效率测试计算方法。


背景技术：

2.光热剂是一种可以吸收特定的波长，将光能转换为热能，从而实现针对光热剂所在区域局部加热的特殊材料。近年来，光热治疗和类点结构产热在肿瘤临床治疗领域具有相当广泛的应用，经近年来的技术发展，无机材料光热剂相较于有机材料更有优势，如四氧化三铁纳米粒子(fe3o4)是目前应用最广泛的光热剂之一，而在对光热剂的研究中，如何利用高光热转化效率的光热剂材料在局部将光能转化为热能是这项技术的关键问题，可以看到，光热剂的光热转换性能是光热剂应用效果的基础，因此对于光热剂光热转换性能的精确测定就显得非常重要。在目前的光热转换效率测试过程中，主要依靠的是针对光热剂溶液进行局部光照并根据光照前后的光能量损失来判定光热转换性能，其计算结果较为粗放，容易受到容器状态和溶液配置过程等外部因素的影响，导致测定结果不准确，影响针对光热剂性能的评价。


技术实现要素：

3.鉴于此，本发明提供了一种微量光热转换效率测试计算方法，相比于传统大量样品光热转化效率测定方法，对局部的光热剂颗粒精确测量光热转换效率，测量结果更加准确。
4.本发明提供的一种微量光热转换效率测试计算方法，主要包括以下步骤：
5.步骤s1：在载玻片和盖玻片组合成的透明密闭容器中设置能够透光的双面胶，作为能够内部透光的样品室；
6.步骤s2：将光热剂分散至纯水中进行显微稀释，并将所得溶液滴在样品室中的双面胶上，待其室温下自然晾干后待用；
7.步骤s3：将样品室内部注满纯水，利用波长为1064nm的激光照射双面胶表面的光热剂颗粒至产生气泡，在气泡开始产生时进行计时，对光热剂颗粒和气泡增长过程进行显微拍摄；
8.步骤s4：根据拍摄中收集到的图像数据和计算得到的水温变化情况，计算获得气泡增长过程中的表观光热转换效率f，利用lognormal模型对气泡增长过程中的表观光热转换效率f与气泡直径x数据进行拟合，获取拟合后的数据图像，根据拟合后的数据图像，得出光热转换效率y与气泡直径x的关系，其中，
9.水温升高值δt满足如下公式：
[0010][0011]
式(1)中，t为绝对温度，t0为绝对室温，x为气泡直径(即气泡边缘至微粒中心的二倍距离)，cw为水的热导率，p
abs
为颗粒产生的热量；
[0012]
表观光热转换效率f满足以下公式：
[0013][0014]
式(2)中，cw为水的比热容，mw为被加热的水的质量，δt为水温升高值，p
l
为激光消耗功率；
[0015]
理想条件下激光能量被光热剂颗粒完全吸收，则p
l
＝p
abs
，将δt带入式(2)中得到表观光热转换效率f与气泡直径x的关系式：
[0016][0017]
利用lognormal模型对满足式(3)的表观光热转换效率f与气泡直径x数据进行拟合，获取拟合后的数据图像，根据拟合后的数据图像，得出光热转换效率y与气泡直径x的关系满足以下公式：
[0018][0019]
式(4)中，y0为拟合图像起点，w为对数标准差，xc为拟合图像中心点，a为拟合图像积分面积，x为气泡直径。
[0020]
本发明的一种实施方式在于，所述样品室包括带孔硅胶垫和分别盖设在带孔硅胶垫两端通孔上的玻板，双面胶涂设在玻板上，玻板不对1064nm激光产生吸收。
[0021]
本发明的一种实施方式在于，所述光热剂颗粒为四氧化三铁微粒，其粒径范围为1.8-3.0μm。
[0022]
本发明的一种实施方式在于，所述激光功率范围为0.1-0.3w。
[0023]
本发明的一种实施方式在于，所述照射光热剂颗粒的激光源为光镊。
[0024]
本发明的技术效果在于：
[0025]
本技术通过光镊加热技术，可对单个、数个或一小堆光热剂粒子的光热转换效率进行准确测试和计算，相对于现有技术中大多采用对光热剂溶液进行光热转换效率测试的方法，本方法中针对少量粒子的测定可避免外部因素如环境因素的干扰，实现液体环境的原位测试，有效保证测试精度，且所需光热剂样本较少，更加节省成本，为准确测定光热剂的光热转换效率提供了一种新的技术思路。
附图说明
[0026]
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。
[0027]
图1为本发明中由带孔硅胶垫组成的样品室的结构示意图；
[0028]
图2为本发明中粒径为1.86μm的四氧化三铁粒子的气泡增长过程图；
[0029]
图3为本发明中粒径为2.25μm的四氧化三铁粒子的气泡增长过程图；
[0030]
图4为本发明中粒径为2.52μm的四氧化三铁粒子的气泡增长过程图；
[0031]
图5为本发明中粒径为2.90μm的四氧化三铁粒子的气泡增长过程图；
[0032]
图6为本发明中粒径为1.86μm的四氧化三铁粒子的光热效率数据拟合曲线图；
[0033]
图7为本发明中粒径为2.25μm的四氧化三铁粒子的光热效率数据拟合曲线图；
[0034]
图8为本发明中粒径为2.52μm的四氧化三铁粒子的光热效率数据拟合曲线图；
[0035]
图9为本发明中粒径为2.90μm的四氧化三铁粒子的光热效率数据拟合曲线图。
具体实施方式
[0036]
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地的详细说明。
[0037]
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
[0038]
步骤s1：在载玻片和盖玻片组合成的透明密闭容器中设置能够透光的双面胶，作为能够内部透光的样品室。
[0039]
样品室的作用是用于容纳光热剂颗粒，并将光热剂固定在样品室内的双面胶层上，同时需要允许外部光源能够射入样品室内部，从而对光热剂进行加热和过程拍摄，且光热剂的衬托材料不应当对外部光源产生额外的吸收，因此，参见图1，本实施例中的样品室包括带孔硅胶垫和玻板，玻板密封带孔硅胶垫两端的通孔形成密封的样品室，双面胶涂设在玻板上，用于对样品室内部的光热剂进行固定，值得注意的是，对用于对光热剂进行固定的物质包括但不限于双面胶，其他能够在溶液中针对光热剂颗粒保持粘性且不会影响光热剂颗粒加热的物质也可用于本发明当中，在此不作特别限定，在本发明中，双面胶可以采用3m双面胶，型号为49054910。
[0040]
步骤s2：将光热剂分散至纯水中进行显微稀释，并将所得溶液滴在样品室中的双面胶上，待其室温下自然晾干后待用。
[0041]
本发明中，用作光热剂的颗粒为四氧化三铁粒子，其粒径范围为1.8-3.0μm，而实验是需要对四氧化三铁粒子进行光加热并观察因光加热引发的液体蒸发产生气泡的过程，因此，为了能够对气泡产生过程进行不受干扰的观察，则需要对大量存在粒子的高浓度四氧化三铁溶液进行显微稀释，其显微稀释程度以稀释到能够在显微镜下观察到的四氧化三铁粒子为个位数，且相互之间不会干扰气泡生成和对其观察即可。
[0042]
显微稀释之后的溶液滴在样品室中的双面胶上，晾干后可得到被固定在双面胶上的四氧化三铁粒子。
[0043]
步骤s3：将样品室内部注满纯水，利用波长为1064nm的激光照射双面胶表面的光热剂颗粒至产生气泡，在气泡开始产生时进行计时，对光热剂颗粒和气泡增长过程进行显微拍摄。
[0044]
在测试时保证样品室密封，向样品室中注满纯水使得四氧化三铁粒子浸没在水中，使用波长为1064nm的强穿透激光光镊对单个的四氧化三铁粒子进行照射，激光功率范围为0.1-0.3w，此处采用0.15w功率的激光进行照射，并对四氧化三铁粒子进行显微拍摄，当四氧化三铁粒子因为光热效应加热蒸发周边水相产生气泡时，即开始计时，并持续拍摄气泡增长过程直至气泡直径处于稳定状态，并利用拍摄装置收集和出处理得出该过程中气
泡随时间的尺寸变化情况用于后续计算。
[0045]
步骤s4：根据拍摄中收集到的图像数据和计算得到的水温变化情况，计算获得气泡增长过程中的表观光热转换效率f，利用lognormal模型对气泡增长过程中的表观光热转换效率f与气泡直径x数据进行拟合，获取拟合后的数据图像，根据拟合后的数据图像，得到光热转换效率y与气泡直径x的关系。
[0046]
在激光照明过程中，纳米粒子产生的热量被转移到周围的水中，使得水中温度上升，由于没有其他的能量耗散，粒子产生的热量可认为等于吸收的功率，此时，水中温度上升满足式(1)：
[0047][0048]
而对于光热转化过程，假定气泡的生长速率是恒定的，期间激光所消耗的功率p
l
可认为被光热剂完全吸收用于转化为温度上升，则有p
l
＝p
abs
，而温度的升高同样满足式(2)：
[0049][0050]
即与表观光热转换效率f相关，因此将式(1)带入式(2)中可得到一组表观光热转换效率f与直径x之间关系的式子，即式(3)：
[0051][0052]
气泡在增长过程中气泡直径x将不断增加，从而使得表观光热转换效率f也随着时间推进呈现变化状态，由此可得出表观光热转换效率f与气泡直径x之间数据图像，接着可利用origin软件中的lognormal模型对数据图像进行拟合，得出拟合曲线，利用拟合曲线图像上的数据点分析得出光热转换效率y与气泡直径x所满足的关系，满足式(4)：
[0053][0054]
根据该公式，可以得出特定种类的光热剂在光加热过程中实际的光热转换效率y与时间和气泡直径x之间的关系，从而准确测定出光热剂光热过程中对应每一时刻的实际光热转换效率y，相对于常规方式中通过直接测定激光前后吸收功率来评价光热转换效率的方法，消耗的试剂量更少，尽可能地消除了环境因素对于测定的干扰，为准确测定光热剂的光热转换效率提供了一种新的技术思路。
[0055]
下面给出基于上述方法的实际例用于协助对于具体实施方式的理解。
[0056]
实施例1：
[0057]
将5μl 5mg/ml的四氧化三铁样品分散到250ml纯水中滴在双面胶上，双面胶为3m双面胶，型号为49054910，自然晾干，双面胶周围粘附带孔硅胶垫以制备出样品室。
[0058]
利用微量注射器将水注入，然后用1064nm激光照射四氧化三铁微粒，其中，激光功率为0.15w，四氧化三铁微粒的粒径为1.86μm，气泡随时间增长过程如图2所示，可以看到，从开始产生气泡计时，0ms到26ms气泡直径发生突变，之后保持稳定增长，气泡直径增长至
8.01μm时暂停增长，经过80ms继续增长。结合式(1)、式(2)和式(3)，其在照射过程中不同时间时气泡大小、温度和光热转化效率如表1所示：
[0059]
表1fe3o4(1.86μm)在1064nm激光下照射不同时间时的气泡大小、温度和光热转化效率
[0060][0061][0062]
结合图2可知，照射至500ms时，激光照射会使水温整体上升0.1k，再由公式(3)计算出500ms时的表观光热转换效率为43％左右。气泡直径在第一帧，即0ms到26ms发生的变化较大，之后增长速率趋于稳定，直至234ms。
[0063]
将表1中的数据带入origin软件中的lognormal模型进行拟合，将图6所示的拟合后曲线数据图像带入式(4)中，即可得出粒径为1.86μm的四氧化三铁粒子的在光热过程中的光热转换效率y与气泡直径x之间的关系，从而得出光热过程中任意时刻的光热转换效率y。
[0064]
实施例2：
[0065]
选用的四氧化三铁微粒的粒径为2.25μm，其余实验条件与实施例1相同。气泡随时间增长过程如图3所示，0ms开始有气泡产生，至30ms左右气泡直径会发生突变，之后气泡直径保持近乎固定的速率增长，直至500ms。结合式(1)、式(2)和式(3)，其在照射过程中不同时间时气泡大小、温度和光热转化效率如表2所示：
[0066]
表2fe3o4(2.25μm)在1064nm激光下照射不同时间时的气泡大小、温度和光热转化效率
[0067][0068]
结合图3可知，气泡直径变化较大的时间区间，水温的改变明显大于其他时间区间。气泡直径在130ms到443ms之间的增长速率较为稳定，表观光热转换效率接近。但在443ms到494ms之间气泡直径缩小。
[0069]
将表2中的数据带入origin软件中的lognormal模型进行拟合，将图7所示的拟合后曲线数据图像带入式(4)中，即可得出粒径为2.25μm的四氧化三铁粒子的在光热过程中的光热转换效率y与气泡直径x之间的关系，从而得出光热过程中任意时刻的光热转换效率y。
[0070]
实施例3：
[0071]
选用的四氧化三铁微粒的粒径为2.52μm，其余实验条件与实施例1相同。气泡随时间增长过程如图4所示，气泡直径在0ms到52ms之间发生突变，之后在每50ms保持稳定增长，156ms至416ms之间气泡直径变化较小，416ms之后继续增长，且增长速率更快。结合式(1)、式(2)和式(3)，其在照射过程中不同时间时气泡大小、温度和光热转化效率如表3所示：
[0072]
表3fe3o4(2.52μm)在1064nm激光下照射不同时间时的气泡大小、温度和光热转化效率
[0073][0074]
结合图4可知，气泡直径在0ms到52ms之间的变化明显大于其他时间区间，52ms之后的直径增长速率总体稳定，表观光热转换效率总体也变化极小。与前例类似，在390ms时也出现了气泡直径暂停增长的现象。
[0075]
将表3中的数据带入origin软件中的lognormal模型进行拟合，将图8所示的拟合后曲线数据图像带入式(4)中，即可得出粒径为2.52μm的四氧化三铁粒子的在光热过程中的光热转换效率y与气泡直径x之间的关系，从而得出光热过程中任意时刻的光热转换效率y。
[0076]
实施例4：
[0077]
选用的四氧化三铁微粒的粒径为2.90μm，其余实验条件与实施例1相同。气泡随时间增长过程如图5所示，气泡直径在26ms到52ms之间发生突变，但随后出现气泡直径略为缩小的现象。至520ms之后气泡直径继续保持稳定增长。结合式(1)、式(2)和式(3)，其在照射过程中不同时间时气泡大小、温度和光热转化效率如表4所示：
[0078]
表4fe3o4(2.90μm)在1064nm激光下照射不同时间时的气泡大小、温度和光热转化效率
[0079][0080]
结合图5可知，气泡直径在26ms到52ms之间的变化较大，但在52ms到520ms之间反而减小。520ms至5070ms气泡直径继续稳定增长，但增长速率逐步下降。
[0081]
将表4中的数据带入origin软件中的lognormal模型进行拟合，将图9所示的拟合后曲线数据图像带入式(4)中，即可得出粒径为2.90μm的四氧化三铁粒子的在光热过程中的光热转换效率y与气泡直径x之间的关系，从而得出光热过程中任意时刻的光热转换效率y。
[0082]
由此可见，本发明中的微量光热转换效率测试计算方法可实现对于不同尺寸光热剂粒子的任意时刻的光热转换效率的精确测量。
[0083]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。