Способ определения температуры в диапазоне от 270 до 330 К

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В ДИАПАЗОНЕ ОТ 270 ДО 330 К(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Крук Николай Николаевич Старухин Александр Степанович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Способ определения температуры в диапазоне от 270 до 330 К, в котором в исследуемый объем помещают температурный датчик на основе красителя, в качестве которого используют растворенный в воде 5,10,15,20-тетракис-(4 метилпиридил)-порфирин, измеряют интенсивности полос флуоресценции возбужденных молекул красителя с длинами волн 654 нм и 677 нм либо длительность флуоресценции указанных молекул на любой длине волны, лежащей в диапазоне от 600 до 800 нм, и определяют температуру в указанном объеме по заранее построенной калибровочной температурной зависимости отношения измеренных интенсивностей либо длительности флуоресценции. Фиг. 2 Изобретение относится к области термометрии, оптики, нанотехнологии и органической химии и может быть использовано для создания миниатюрных датчиков дистанционного детектирования температуры объектов в режиме реального времени для 11177 1 2008.10.30 применения в различных областях науки и техники. В частности, способ может применяться в условиях воздействия электромагнитных полей для контроля температуры биологических тканей при проведении сеансов высокочастотной гипертермии злокачественных опухолей. Известен способ измерения температуры, основанный на измерении времени жизни фосфоресценции диацетила (СН 3 СОСОСН 3), по изменению величины которого судят о температуре 1. Диапазон измерения температуры с помощью данного способа составляет 273-393 К. Недостатками данного способа являются необходимость применения специальной системы регистрации для измерения времени жизни фосфоресценции, а также ограниченная применимость для измерения температуры в биологических тканях из-за несоответствия спектра фосфоресценции датчика (от 480 до 600 нм) окну прозрачности биологических тканей (650-850 нм). Наиболее близким техническим решением является способ оптического дистанционного измерения температуры в диапазоне от 270 до 320 К, заключающийся в создании люминесцентного датчика, фотовозбуждении люминесценции датчика, регистрации спектров люминесценции и измерении интенсивностей полос люминесценции, по соотношению которых судят о температуре исследуемого объекта 2. В качестве люминесцентного датчика использовалась полимерная матрица, активированная молекулами Р 2,3,7,8,12,13,17,18-октаэтилпорфина. Температура определялась из отношения пиковых интенсивностей полос термически активируемой замедленной флуоресценции и фосфоресценции. Недостатками данного способа являются относительно низкая чувствительность, обусловленная малой квантовой эффективностью замедленной флуоресценции и большой трудоемкостью, которая вызвана сильным различием (больше 103) пиковых интенсивностей фосфоресценции и замедленной флуоресценции. Это требует применения высокочувствительной системы регистрации свечения с большим динамическим диапазоном. Задачей данного изобретения является создание способа определения температуры в диапазоне от 270 до 330 К со спектральным диапазоном излучения, попадающим в окно прозрачности биологических тканей. Для выполнения поставленной задачи предложен способ определения температуры в диапазоне от 270 до 330 К, в котором в исследуемый объем помещают температурный датчик на основе красителя, в качестве которого используют растворенный в воде 5,10,15,20-тетракис-(4 метилпиридил)-порфирин, измеряют интенсивности полос флуоресценции возбужденных молекул красителя с длинами волн 654 нм и 677 нм либо длительность флуоресценции указанных молекул на любой длине волны, лежащей в диапазоне от 600 до 800 нм, и определяют температуру в указанном объеме по заранее построенной калибровочной температурной зависимости отношения измеренных интенсивностей либо длительности флуоресценции. Предлагаемый способ измерения температуры использует эффект увеличения энергии внутримолекулярного состояния с переносом заряда в молекуле 5,10,15,20-тетракис-(4-метилпиридил)-порфирина (Н 2 ТМПиП) в водном растворе при повышении температуры,который приводит к изменению формы спектра флуоресценции и длительности свечения. Пример 1. Свободное основание Н 2 ТМПиП (фиг. 1) растворяют в дистиллированной воде. Концентрация раствора определяется спектрофотометрически с использованием известных величин коэффициентов экстинкции и составляет 110-5 М. Раствор помещают в стеклянный капилляр и запаивают. Датчик, содержащий водный раствор Н 2 ТМПиП, помещают в исследуемый объем и осуществляют фотовозбуждение молекул красителя. Спектры флуоресценции регистрируют на люминесцентном спектрометре. Для возбуждения образцов используют излучение второй гармоники -ИАГ лазера (532 нм). 2 11177 1 2008.10.30 На фиг. 2 приведены спектры флуоресценции Н 2 ТМПиП в водном растворе. Как видно из фиг. 2, повышение температуры приводит к росту интенсивности полосы при 654 нм в спектре, причем ее положение в пределах погрешности остается неизменным. При данной трансформации спектров интенсивность флуоресценции при 677 нм остается неизменной (т. н. изобестическая точка). Для измерения температуры берется отношение интенсивности флуоресценции при 654 нм к интенсивности флуоресценции при 677 нм. Зависимость величины (654/677) от обратной температуры 1000/Т подчиняется закону Аррениуса в исследованном диапазоне (имеет линейный характер) и может быть предложена в качестве калибровочной для определения температуры (фиг. 3). Температура (в градусах К) определяется по формуле Т 955/(2,74 - (654/677. Пример 2. Аналогично, для данного датчика температура может быть определена с использованием зависимости отношения интенсивностей 654/677 от температуры (фиг. 4). При использовании данной зависимости температура образца (в градусах К) определяется как Т(654/6771,43)/0,0069. Пример 3. Аналогично, для данного датчика температура может быть определена с использованием зависимости времени жизни флуоресценцииот температуры (фиг. 5). Детектирование кинетики затухания флуоресценции осуществляется на любой длине волны в диапазоне от 600 до 800 нм. Калибровочная зависимость для определения температуры (в градусах К) с использованием данного способа имеет вид Т( - 0,0436)/0,0179. Таким образом, предлагаемый способ позволяет определять температуру в диапазоне от 270 до 330 К либо путем измерения соотношения интенсивностей флуоресцентного сигнала на двух длинах волн 1654 нм и 2677 нм, либо путем измерения времени жизни флуоресценциина любой длине волны в диапазоне от 600 до 800 нм, в случае, когда возможность проведения флуоресцентных измерений ограничена спектральными свойствами изучаемого объекта. Данный способ измерения температуры может использоваться или с применением датчика, содержащего водный раствор Н 2 ТМПиП порфирина,или непосредственно введением Н 2 ТМПиП порфирина в исследуемую среду в качестве флуоресцентного температурного зонда. При отсутствии специфических межмолекулярных взаимодействий зонда в растворе наблюдаемые спектральные изменения будут обусловлены только температурным фактором. Источники информации 1. А.с. 1647288 А 1 СССР, МПК 01 11/20. Устройство для измерения температуры. 2. , . .. - 2002. - . 81. -13. - . 2478-2480. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4