基于光热抗肿瘤材料的光热特性测试系统设计.pdf

第 卷第 期大学物理实验.年 月 .收稿日期:基金项目:陕西省教育科学“十三五”规划 年度课题()资助陕西省自然科学基础研究计划项目()资助通讯联系人文章编号:()基于光热抗肿瘤材料的光热特性测试系统设计尹祖舜韦力铖张 康张 萍(西北农林科技大学 理学院陕西 咸阳)摘要:针对光热抗肿瘤材料的光热特性测试需求通过合理的设计制作了一套集近红外激光辐照、温度测量、数据传输处理等功能的光热特性测试系统 该测试系统性能可靠、测得数据精度高且具有体积小、成本低、操作方便等优点为光热抗肿瘤材料的光热特性测试提供了可靠的测试装置关键词:光热特性光热抗肿瘤单片机测试系统中图分类号:.文献标志码:./.大学物理实验投稿网址:/.癌症又称恶性肿瘤已经成为全球死亡的首要原因 光热治疗()是近年来兴起的一种新的肿瘤治疗方法其主要利用光热材料将吸收的近红外光能转化成热能导致肿瘤部位温度迅速上升从而实现肿瘤细胞的定点消除 相对传统的化学治疗、放射治疗和手术治疗手段光热治疗具有创伤小、副作用小、易操作等优点因而受到了广泛关注 由于生物体本身对波长 的近红外区域光吸收少导致这个区域的光具有非常好的生物组织穿透性因此理想的光热剂需对近红外光具有较强吸收且具有较强光热转换效率近年来随着光热治疗技术的发展很多纳米材料被用于光热剂的研究比如贵金属纳米材料、碳纳米材料、过渡金属碳化物和碳氮化物()、硫属铜基纳米材料、有机化合物等 虽然很多材料在近红外区有吸收效应能将近红外光的能量转变为热能 然而材料在近红外有吸收不一定就是理想的光热试剂这就需要材料自身有较理想的光热转换效率 因此对合成出的材料进行光热特性测试是该类材料研究中必不可少的工作虽然国内外在基于纳米材料的光热治疗方面开展了大量实验研究已经取得了较好的成绩且对大量具有较强近红外吸收的纳米材料进行了光热特性测试 但是目前尚无商业化的用于光热抗肿瘤材料的光热特性测试仪器相关文献中进行的光热特性测试均为按实验需要临时搭建而成的简易装置测试条件离散性较大 同时受环境因素影响较大且由于测试者人为因素的影响测试数据的读取和记录离散性较大 此外测试结果的归档保存碎片化不利于工作长期连续性不利于在海量数据中进行对比挖掘潜在用途 因此为光热抗肿瘤材料的光热特性测试设计一款简单实用可靠性高的测试系统具有重要意义基于光热抗肿瘤材料的光热特性测试需求本文设计了一套集近红外激光辐照、温度测量、数据传输处理等功能的光热特性测试系统 该测试系统具有体积小、成本低、测试性能可靠、操作方便等优点为光热抗肿瘤材料的光热特性测试提供了可靠的测试装置 实验部分.实验测试系统基于光热抗肿瘤材料的光热特性测试系统主要包括三部分:激光器、测温装置以及上位机软件(测温软件)(系统实物如图)激光器发出的激光照射到待测样品表面由于光热效应待测样品将吸收近红外光并将其转化为热能使其温度迅速上升测温装置由载物台、热电偶、单片机、液晶显示屏等构成其中激光器探头置于载物台上方发出的激光可以垂直照射放置在载物台上的样品表面且升降载物台可以方便地取出待测样品的容器方便更换待测样品待测样品温度由热电偶测得热电偶通过单片机与电脑连接将温度数据传输给电脑通过测温软件实时记录并绘制待测样品的温度变化曲线 图 为该测试系统的结构简图图 实验系统实物图图 测试系统结构简图.激光器纳米光热抗肿瘤材料在近红外光照射下由于其特有的光热特性对近红外激光具有较强的吸收能力且能将吸收的近红外光辐射转化为热能从而使得材料温度出现明显的上升现象 本系统拟采用常见的、或 半导体激光器(功率 可调)通过光纤输出激光并由激光头准直成 的激光束激光头可固定在测温装置的载物台上方 调节载物台可使激光器发出的激光垂直照射在测试样品表面且可根据不同的实验要求更换不同波长的激光器 此外可以通过调节激光器的电流改变激光器的输出功率从而输出不同激光功率密度的激光辐射以满足不同实验需求.测温装置测温原理示意图如图 所示 型热电偶作为温度传感器伸入样品溶液中获得待测样品溶液的温度产生的电压输出热电偶的输出信号通过热电偶温度转化板上的 芯片进行冷端补偿和数字化后再通过 串口发送到主控芯片 型单片机(宏晶科技)上单片机在采集到温度数据后会将温度数据实时显示在系统核心板上的 液晶显示屏上并通过串口将温度数据发送至电脑端电脑端的上位机软件在接收到单片机发送的温度数据后会在软件界面中将温度随时间变化曲线实时绘制出来以方便用户观察温度变化情况同时绘图的采样时间可通过电脑软件调节以方便用户在不同的时间尺度下查看温度变化趋势测温装置包括测温电路和载物台两部分两部分独立设计然后组装在一起 测温电路部分设计合适的外壳起保护和固定热电偶以及单片机的作用同时也可以方便与载物台组装在一起与其成为一体图 测温原理示意图.上位机软件为了实现温度数据的自动测量、自动记录和存储利用 语言设计了自动测温系统的上位机软件 采用 接口将单片机与电脑连接用于接收温度数据并实时绘制温度变化曲线测试界面如图 所示测试人员可以根据界面指示快速高效地完成实验操作图 软件界面图.实验过程()将待测光热抗肿瘤材料测试样品配置成不同浓度的溶液使用胶头滴管将少量溶液加入样品容器中将样品容器放置在载物台合适的位置 第 期尹祖舜等:基于光热抗肿瘤材料的光热特性测试系统设计()选择所需波长的半导体激光器打开激光器电源开关使激光器预热 分钟()将激光器激光输出头固定在相应位置()调节载物台高度使热电偶探头靠近样品容器边沿并完全浸入样品溶液中()用 线连接测温装置和电脑端打开测温软件.温度测量()打开测温装置开关()软件界面点击“连接”按钮点击“开始绘图”软件开始接收温度数据并进行绘图(可根据测试需要更改采样时间或设置波特率和小数位数)()打开激光器开关 在激光照射下待测样品开始升温软件界面实时显示温度变化曲线()测试完成后点击“停止绘图”.导出数据点击“保存数据”可以导出测试实验数据(如图)图 软件运行界面图 结果与讨论利用该测试系统本文设计了几组不同的实验来测试 光热抗肿瘤材料的光热特性:.测试不同 浓度在相同激光功率密度照射下的升温情况 本文设计了不同浓度梯度的 溶液并与纯水做对比在 和 激光辐照下记录温度数据 实验结果用 拟合后如图 和图 所示根据实验结果可知样品浓度越高 升温越明显.相同样品浓度但不同功率密度下的升温情况本文观察相同样品浓度但不同功率密度下的升温情况 基于不同功率密度分别用 和 进行升温实验 实验结果如图 所示表明激光功率密度越大 样品升温越明显 因此实验()和()为定量研究激光辐照下 的光热抗肿瘤性能提供可能.进一步验证 的光热稳定性本文选择 和 近红外激光间断照射 (激光开)再自然冷却(激光关)情况下进行 个周期循环测量并记录温度变化 实验结果如图 所示由此可见 在 近红外光照射下具有良好的光热稳定性.利用 的降温数据计算光热转化效率 采用公式()计算光热转化效率:()()()式中 为光热转化效率 为容器的传热系数/()为容器的表面积()为体系所能达到的最高温度()为周围环境温度()为溶剂在激光照射下吸收的功率()为激光功率为 水溶液在 处的吸光度 值由公式()确定:()式中、分别为体系升温时间和温度为水的质量()为水的比热容/()通过计算得到 的光热转换效率为.().()(如图)/图 不同浓度温度变化()大 学 物 理 实 验 年/图 不同浓度温度变化()/图 不同功率下温度变化()/图 不同功率下温度变化()/图 激光间断照射下温度变化()/图 激光间断照射下温度变化()/图 计算光热转化效率()/图 计算光热转化效率()结 语本系统将近红外激光垂直照射光热抗肿瘤材料表面由于光热效应样品能够快速升温 温度值采用热电偶测量测量精确度高所测数据能够实时自动传输到 软件并实时绘图具有良好的视觉观察效果操作方便且减少了人为误差最终得到 数据储存文件便于后续实验数据的进一步分析处理 此外装置小巧成本低 第 期尹祖舜等:基于光热抗肿瘤材料的光热特性测试系统设计易于推广方便教学和科研应用参考文献:.():.武霖李卓炘张韫等.光热纳米材料在肿瘤治疗中的研究进展.江苏大学学报(医学版)():.():.():.():.:.():.():.():.周永利应佩晋耿阳等.窄带隙 复合多级碳基底材料的光热转换性能.实验室研究与探索():.():.罗浩向泽英谢英英等.电位差计测热电偶电动势实验的 拓 展 与 应 用 .大 学 物 理 实 验():.陈鹏王如梅王征等.金属比热容测量和温度传感器测试热学实验的对比教学探讨.大学物理实验():.罗志高苏丹.铜电阻和半导体热敏电阻温度特性测量实验 设 计 与 实 现 .大 学 物 理 实 验():.张萍韦力铖黄家豪等.稳态法测量不良导体导热系数实 验 仪 器 改 进 .大 学 物 理 实 验():.():.():.:大 学 物 理 实 验 年