摘要

摘要利用激光光源、普通红外温度探测器和自制多孔玻璃样品池，构建了一种新颖、简单、经济的基于光热效应的光热传感器装置。利用光热传感器装置对具有880 nm吸收峰的金纳米星进行了测量和分析。系统评价了辐照角度、激光光源高度、辐照时间和金纳米颗粒的种类等对器件性能的影响因素。结果表明，当金纳米星的吸收峰接近激光波长，且照射角度相对于水平面为90°时，温度上升幅度最大。初步验证了所构建的光热传感器装置稳定、高效、易于操作。在分析化学、医学检测、环境分析等领域具有广阔的应用前景。

关键字

光照效果;传感器;建设;黄金nanostars

介绍

近几十年来，随着光电技术的快速发展，生物传感技术得到了长足的发展。生物传感技术的发展可能包括多种方法，从传统的酶联免疫吸附分析、紫外分析、红外光谱分析、电化学分析、质谱或荧光分析[1-4]。然而，这些方法需要昂贵和复杂的仪器，涉及繁琐的检测协议;因此，它们很难用于实时在线测量。鉴于这一局限性，开发一种快速、简单、廉价的生物器件检测方法已成为研究热点。

光热转换是一种非常实用的技术，引起了研究者的广泛关注[5-7]。他们大多研究各种肿瘤和癌症的治疗影像学。光热传感技术广泛应用于快速、无损的在线检测，但在光热传感器的构建中应用较少。Bischof小组通过免疫学实验，建立了以纳米金为光热转换试剂，红外摄像机记录温度[8]的光热传感器分析方法。王集团将光热传感技术应用于爆炸物[9]的探测。然而，尽管这两项研究中提出的方法有明显的好处，但它们需要使用昂贵的仪器，从而阻碍了它们的更广泛的应用。

利用激光光源、普通红外温度探测器和自制多孔玻璃样品池，构建了一种简单、廉价的基于光热效应的光热转换装置。具体研究了激光波长、照射角度、激光灯高度、照射时间以及金纳米颗粒的种类等因素对光热传感器器件的影响。结果表明，所构建的光热传感器装置是可行的、稳定的、高效的、易于操作的。

实验

试剂和化学物质

三水合氢氯金酸和三碱(TB)购自上海国药化学试剂有限公司，其他化学品均为试剂级，未经进一步纯化使用。实验全程使用超纯去离子水。

装置

激光灯购自西安赫歇尔LD激光科技有限公司;红外测温仪购自深圳巨茂源科技有限公司紫外-可见吸收光谱记录在Cary 5000分光光度计(美国安捷伦)上。

金纳米星的合成与表征

根据我们早期的工作[11]，金纳米星是一步制得的。在典型合成中，0.36 g TB溶于5 mL超纯水，100µL为48 mmol/L^－1HAuCl₄磁搅拌15 min加入溶液，然后滴加1.0 mol/L pH至10- 11^－1氢氧化钠溶液。然后将反应容器转移到水浴中，60°维持60 min，溶液颜色由淡黄色变为紫色，最后变为蓝绿色。产品经6000转/分离心净化三次，所得沉淀物在超纯水中重新溶解以供进一步使用。

光热传感器装置的构造

光照传感器装置(图1)使用一个共同的激光作为光源,一定量的黄金nanostars放在玻璃板上的小洞,和黄金nanostars溶液的温度监控,温度探测器在不同高度下,角200 mW的激光灯,照射时间。并得到了系统内的温度变化，建立了光热传感器分析方法。

图1:所提出的光热传感器装置的检测机理。

结果与讨论

激光照射角度对光热转换的影响

为了优化所构建的光热转换器件的性能，以金纳米星作为光热转换试剂，金纳米星的TEM和UV-Vis吸收光谱如图2所示。金纳米星的平均粒径为100 nm，有5个以上的分支，金纳米星的最大吸收峰出现在878 nm处。研究了激光照射角度对光热转换的影响。如图3所示，金纳米星样品的温度随时间不断升高。最大温度变化(ΔT)为3.2℃。当样品的照射面积最大时，即激光与水平面夹角为90°时，温度上升最快。

图2:金纳米星的TEM和UV-vis吸收光谱。

图3:激光照射角度对光热转换的影响(金纳米星吸收峰:878 nm;激光灯波长:880 nm;照射时间:10分钟;激光灯的高度:8厘米)。

激光灯的高度对光热转换的影响

分析了激光光源高度对光热转换器件性能的影响，进一步研究了光热转换器件的性能。从图4可以看出，激光光源的高度对金纳米星的温度有轻微的影响。这一结果可能是由于激光具有相当大的能量，不会在短距离内消散。

图4:激光光源高度对光热转换的影响(金纳米星吸收峰:878 nm;激光灯波长:880 nm;照射时间:10分钟;激光灯照射角度:90°)

辐照时间对光热转换的影响

研究了辐照时间对体系温度的影响。如果辐照时间过短，系统中的金纳米星就不能吸收所有的可用能量。如图5所示，随着辐照时间的延长，体系中金纳米星的能量吸收逐渐达到饱和。最高温度可在辐照10分钟内检测到。

图5:激光照射时间对光热转换的影响(金纳米星吸收峰:878 nm;激光灯波长:880nm;激光灯的照射角度:90°;激光灯高度:8cm)

激光波长对光热转换的影响

不同波长(532 nm、880 nm和1200 nm)的激光灯对光热转换的影响不同。其机理可能与金纳米粒子的激光波长与最大吸收波长的重叠程度不同有关。在高度重叠时产生电子共振，进一步提高光热转换效率和温度。相关结果如图6所示。当金纳米星的最大吸收峰接近激光波长时，达到最大温度升高(ΔT=3.4℃)。当金纳米星的最大吸收峰与激光波长有显著差异时，金纳米星的温度略有缓慢升高约1.8℃。

图6:激光波长对光热转换的影响(金纳米星吸收峰:878 nm;辐照时间:10分钟;激光灯的照射角度:90°;激光灯高度:8厘米)

结论

在光热效应的基础上，构造了高效的光热转换装置。分析了辐照角度、波长、光源高度和辐照时间对测定结果的影响，在优化的测定条件下，测定温度提高了3.4℃。初步验证了该光热传感器装置的可行性、稳定性和易操作性。在分析化学、医学检测、环境分析等领域具有广阔的应用前景。

确认

国家自然科学基金项目(21565028);广西自然科学基金项目(2013GXNSFBA019045);广西高校创新团队计划项目(2015YJYB10)。

利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

参考文献

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2. 金K，南YS，李Y，李kb(2017)高灵敏比色法测定铁^３＋基于金纳米颗粒与乙二醇壳聚糖偶联。J Anal Methods Chem 2017: 3648564。［Ref。］
3. (in chinese)基于表面增强拉曼散射技术快速测定发酵过程中s -腺苷- l-蛋氨酸的含量。J Anal Methods Chem 2016: 4910630。［Ref。］
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条信息

文章类型:研究文章

引用:(2017)一种操作简单、成本低的光热传感器件的结构与性能研究。J Biochem analysis Stud 2(1): doi http://dx.doi.org/10.16966/2576-5833.110

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出版的历史:

收到日期:2017年8月29日

接受日期:2017年9月12日

发表日期:2017年9月18日