荧光测温资料整理

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1、微流动中双色激光诱导荧光测温双色激光诱导荧光测温是一种非接触式温度测量的方法。其对目前科学研究和工程上诸多涉及流体工质温度场、浓度场等方面的实时在线测量具有重要意义。激光诱导荧光法(LIF)可以在实现非接触式测量的同时快速、高精度地对溶液温度进行测量。本文对温度敏感荧光颜料罗丹明B和温度不敏感颜料101的混合水溶液的激光诱导荧光特性进行研究，并利用其混合溶液荧光强度随温度的变化特性发展了一种温度测量法，同时进行了理论上的改进，使得实际测量可以有更灵活的选择。近几年来微流动系统和理论的发展对微流动系统中温度场、速度场等的精确测量提出了新的

2、要求。精确的对微通道中流动参数的测量对工业设计的优化、效率的提高、方案的可行性具有重要的意义。同时，科学研究和工程上诸多涉及流体的场合都需要对流体工质的温度或浓度等标量参数有一个清晰地把握，同时要求实际测量过程能够实时在线进行，并且不会对流动结构及温度场造成影响。为了实现上述目的，非接触式测量担当起了重要的角色，而近年来发展起来的激光诱导荧光法作为一种流场成像技术尤为引人注意。然而，几种用在大尺度上的温度测量的方法直接用在微通道中是不适宜的。因为在微通道中温度的消散速度相比于大通道是非常快的，其具有很高的热传递效率。这样就造成了无法用大

3、通道中的测量方法来精确测定微通道中的温度梯度。激光诱导荧光法测温原理一般而言，当一束激光穿过试样溶液时，激发出的荧光强度会受到激发光沿程衰减和荧光自吸收的影响。按照比尔-朗伯定律，荧光强度可以表示为：其中,为激发光强度，A是探测到的荧光占总发射荧光的百分数，是荧光量子产率,为摩尔吸收系数，是激光穿过溶液的长度,C是溶液浓度。对于同一次实验来说，当系统光路固定后，上述各因子中，A和L就固定了，这两个因子的乘积可以用一个光路系统因子Kopt来表示。而激发光强度则会有略微波动，这取决于激光器自身的功率稳定度。于是上式就可以写成，从上式可以看出

4、，溶液荧光强度的变化既取决于荧光量子产率，也受摩尔吸收系数的影响。其中，摩尔吸收系数与吸收态分子的玻尔兹曼布居数成比例。而在凝聚性介质中，在0到100℃这样的低温范围，玻尔兹曼布居数对溶液温度是相当不敏感的，所以，摩尔吸收系数受温度的影响可以忽略。因此，荧光强度随温度的变化就主要归因于荧光量子产率对温度的敏感性。荧光量子产率，其值的大小取决于辐射跃迁和非辐射跃迁的竞争结果。尤其在较高温度下，这种辐射跃迁和非辐射跃迁之间的竞争就更为突出，因为非辐射跃迁的速率常数增加将导致荧光强度的下降。单位时间内可能发生的总跃迁量子数可以表示为，其中为爱

5、因斯坦自发辐射系数，Q是碰撞转换系数。对于单位时间内的荧光总量子辐射率来说，只有这部分跃迁是辐射跃迁。荧光总量子辐射率是在光猝灭不存在情况下的量子产率，其值一般为0.9～0.95。爱因斯坦自发辐射系数和荧光总量子辐射率都只和荧光物质自身分子结构有关。根据以上分析，荧光量子产率可以写成，式中，碰撞转换系数Q是和猝灭剂的浓度[M]有关的：其中kq为猝灭常数，受温度影响很大。当荧光指示剂的浓度很低时，猝灭剂就只体现为水分子自身，在实验中，其浓度可以看作常数。这样，猝灭常数kq就可以用下式来模拟：其中T为溶液温度；是荧光物质分子与溶剂分子碰撞过

6、程中涉及的激发能，为常数，这两者均取决于所用的荧光物质与溶剂的自身特性。在凝聚性介质中，碰撞转换比辐射跃迁占优，因此可以认为，综合以上推导，我们可以将溶液荧光强度的表达式写成，上式中可以定义两个常数，分别为：和这两个常数均只和荧光物质分子结构和其自身荧光特性有关，其中可以称为溶液荧光的温度敏感度，这样式子可以简化为，这样，溶液荧光强度和溶液温度之间就建立起一一对应关系，可以看出，这是一个指数衰减模型，其中，和由实验光路系统和所用荧光物质决定，对同一次实验而言，只要测量系统结构稳定，其值保持恒定。在实验数据处理时，为得到更强的荧光信号，通

7、常是对整个发射光谱中某一强度较大的光谱段进行光强积分，并用该积分值作为该工况的荧光强度，这种方法的好处是可以在得到大荧光强度的同时去除波峰飘移的影响。对于溶液荧光来说，公式中的和两个因子对发射光谱中不同波长点的影响是不同的，而且温度敏感度在不同波长处响应也不同。综上所述，对于光谱段[，]来说，积分式可以写成：当实验中使用不同的管径进行实验时，管径的不同对实验结果影响的分析如下：当溶液的浓度为时：当管径为时，分别在光谱段[，]和[，]进行积分，并对积分结果做比值：当管径为时，分别在光谱段[，]和[，]进行积分，并对积分结果做比值：由于这三

8、个参数仅是波长的函数，即当波长相同时其值是相同的，故有下面的式子成立：这样便可得到结论：即说明当溶液的浓度相同时，无论管径是还是它们分别在光谱段[，]和[，]进行积分，所得积分值的比值是相同的，也就是说管径