摘要

利用激光燈、常用的紅外溫度探測器和自製的多孔玻璃樣品電池，構建了一種基於光熱效應的新型、簡單、經濟的光熱傳感器裝置。利用光熱傳感器裝置對吸收峰為880 nm的金納米星進行了測量和分析。係統評價了輻照角度、激光燈高度、輻照時間、納米金顆粒種類等因素對器件性能的影響。結果表明，當金納米星的吸收峰接近激光燈的波長，相對於水平麵的照射角為90°時，溫度上升幅度最大。初步證實所構建的光熱傳感器裝置穩定、高效、操作方便。因此，它在分析化學、醫學檢測和環境分析方麵具有廣闊的應用前景。

關鍵字

光照效果;傳感器;建設;黃金nanostars

簡介

近幾十年來，隨著光電技術的快速發展，生物傳感技術取得了顯著的進步。生物傳感技術的發展可能包括各種方法，從傳統的酶聯免疫吸附分析、紫外分析、紅外光譜分析、電化學分析、質譜分析或熒光分析[1-4]。然而，這些方法需要昂貴和複雜的儀器，涉及繁瑣的檢測協議;因此，它們很難用於實時在線測量。考慮到這一局限性，開發一種快速、簡單、廉價的生物器件檢測方法成為研究熱點。

光熱轉換是一項備受研究者關注的實用技術[5-7]。他們大多研究各種腫瘤和癌症的治療性影像學。光熱傳感技術廣泛應用於快速、無損的在線檢測，但很少應用於光熱傳感器的製造。Bischof group通過免疫實驗，建立了一種以納米金為光熱轉化試劑，用紅外攝像機記錄溫度[8]的光熱傳感器分析方法。王組應用光熱傳感技術檢測炸藥[9]。然而，盡管這兩項研究中提出的方法有明顯的好處，但它們需要使用昂貴的儀器，因此阻礙了它們的廣泛應用。

本文利用激光燈、常用的紅外溫度探測器和自製的多孔玻璃樣品電池，構建了一種基於光熱效應的簡單、廉價的新型光熱轉換裝置。具體研究了影響光熱傳感器裝置的因素，包括激光波長、照射角度、激光燈高度、照射時間以及金納米顆粒的種類。結果表明，所構建的光熱傳感器裝置是可行的、穩定的、高效的、易於操作的。

實驗

試劑和化學物質

三水合氫氯金酸和三堿(TB)購自上海國藥化工試劑有限公司，其他化學品均為試劑等級，未經進一步淨化使用。實驗過程中使用的是超純去離子水。

裝置

激光燈購自西安赫歇爾激光科技有限公司;紅外測溫儀購自深圳市聚茂源科技有限公司紫外-可見吸收光譜記錄在Cary 5000分光光度計(安捷倫，美國)上。

金納米星的表征合成

根據我們早期的工作[11]，一步法製備了金納米星。在一個典型的合成中，0.36 g TB溶解在5 mL的超純水中，100µL為48 mmol/L^－1HAuCl₄磁攪拌15分鍾，然後按滴加1.0 mol/L調整pH至10- 11^－1氫氧化鈉溶液。然後將反應容器轉移到水浴中，60°保持60 min，溶液顏色由淡黃色變為紫色，最後變為藍綠色。產品經6000轉/分離心純化三次，所得沉澱物重新溶解於超純水中供進一步使用。

光熱傳感器裝置的構造

光熱傳感器裝置(圖1)以普通激光器為光源，在玻璃板的小孔中放置一定量的金納米星，在不同高度、角度200mw的激光燈照射次數下，用溫度探測器監測金納米星溶液的溫度。並得到了係統的溫度變化，建立了光熱傳感器分析方法。

圖1:所述光熱傳感器裝置的檢測機理。

結果與討論

激光燈照射角度對光熱轉換的影響

為了優化所構建的光熱轉換器件的性能，將金納米星作為光熱轉換試劑，金納米星的TEM和UV-Vis吸收光譜如圖2所示，金納米星的平均尺寸為100 nm，有5個以上的分支，在878 nm處觀察到金納米星的最大吸收峰。研究了激光照射角度對光熱轉換的影響。如圖3所示，每個金納米星樣品的溫度隨時間不斷升高。最大溫度變化(ΔT)為3.2°C。當試樣的輻照麵積達到最大時，即激光與水平麵夾角為90°時，升溫最快。

圖2:金納米星的TEM和UV-vis吸收光譜。

圖3:激光照射角度對光熱轉換的影響(金納米星的吸收峰:878 nm;激光燈波長:880 nm;輻照時間:10分鍾;激光燈的高度:8厘米)。

激光燈高度對光熱轉換的影響

為了進一步研究所構建的光熱轉換裝置的性能，分析了激光燈高度的影響。從圖4可以看出，激光燈的高度對金納米星的溫度有輕微的影響。這一結果可能是由於激光具有相當大的能量，在很短的距離內不會消散。

圖4:激光燈高度對光熱轉換的影響(金納米星的吸收峰:878 nm;激光燈波長:880 nm;輻照時間:10分鍾;激光燈照射角度:90°)

輻照時間對光熱轉換的影響

研究了輻照時間對體係溫度的影響。如果照射時間過短，係統中的金納米星無法吸收所有可用能量。如圖5所示，隨著輻照時間的延長，體係中金納米星的能量吸收逐漸達到飽和。輻照10分鍾內可檢測到最高溫度。

圖5:激光照射時間對光熱轉換的影響(金納米星的吸收峰:878 nm;激光燈波長:880nm;激光燈照射角度:90°;激光燈高度:8cm)

激光波長對光熱轉換的影響

不同波長(532 nm、880 nm、1200 nm)的激光燈對光熱轉換的影響不同。其機理可能與納米金粒子的激光波長與最大吸收波長的重疊程度不同有關。在高度重疊的情況下產生電子共振，進一步提高了光熱轉換效率和溫度。相關結果如圖6所示。當金納米星的最大吸收峰接近激光波長時，其最大溫升達到(ΔT=3.4°C)。當金納米星的最大吸收峰與激光波長顯著不同時，金納米星的溫度輕微緩慢升高，約1.8°C。

圖6:激光波長對光熱轉換的影響(金納米星的吸收峰:878 nm;輻照時間:10分鍾;激光燈照射角度:90°;激光燈高度:8厘米)

結論

基於光熱效應，構建了高效光熱轉換裝置。分析了輻照角度、波長、激光燈高度和輻照時間對測定結果的影響。在優化的測定條件下，測定的實際溫度提高了3.4℃。結果表明，該光熱傳感器裝置初步證實可行、穩定、操作方便。它在分析化學、醫學檢測、環境分析等方麵具有廣闊的應用前景。

確認

感謝國家自然科學基金(21565028)、廣西自然科學基金(2013GXNSFBA019045)、廣西高校創新科研團隊計劃項目和廣西榆林師範學院重點項目(2015YJYB10)的支持。

利益衝突

作者聲明本論文的發表不存在任何利益衝突。

參考文獻

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條信息

文章類型:研究文章

引用:羅錚，梁超，黃磊，陳磊，陳勇等(2017)一種操作簡單、成本低的新型光熱傳感器器件的構建與性能研究。生物化學分析研究2(1):doi http://dx.doi.org/10.16966/2576-5833.110

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出版的曆史:

收到日期:2017年8月29日

接受日期:2017年9月12日

發表日期:2017年9月18日