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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：If = 10 A 呼 LC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Ko加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，七=10 K诉C从上式可以看出，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°C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A21 + Q，其中为爱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，只有中0 A 21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，AA^A + Q21式中，碰撞转换系数Q是和猝灭剂的浓度[M]有关的：Q = kq[ M ]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：kq = kq e - Ea/ kT其中T为溶液温度；是荧光物质分子与溶剂分子碰撞过程中涉及的激发能，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，21综合以上推导，我们可以将溶液荧光强度的表达式写成，I = K - I •£• C 甲0A21 eEa/kTf 顷 0 kq [ M ]上式中可以定义两个常数，分别为：Kspec中A kq"Q[ MM]p=乌k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，If = K • K • 10 •£ • C • eP/t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，K顷和 % 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K顷和*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：JX21 (X)dX = 10 •£• CJX2K (X)-K (X)eP(X)/TdXX1 X1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:K1 I2101 -8 -CJX2K (X)］• K (X)1 eP(X)1/TdXI -8-CJX3K (X) • K (X) eP(X)2/TdX01 x opt 2 spec 24JX2A(X) L “o')111 eP(x)1 /TdXX1 1 1 kqJM ] “fXJX4A(X) L 2~21 eP(x)2 /TdXx3 2 1 kq[ M ] 2JX2 A(X) “ (X) eP(x)1 /TdX1O 1JX4A(X)中(X) eP(x)2/TdXx 2 O 23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:/ 102 -8 • CJX2K (X)3 • K (X)3eP(X)3/TdX2 14 102 -8 -CJX3K (X)4 -K (X)4eP(X)4/TdXX4Jx2 A(X )L *(X)3A2i e P ( x )3/TdXX1 3 2 kq*M ] JX4A(X) L “o"Lli eP(x)4/TdX x3 4 2 kq [ M ]JX2 A(X)中(X) e P ( x )3 / t dX 3O 3J^4A(X) ^ (X) e P(^)4 / TdX 入 4 。

43由于A(X)、甲0(X)、p (X)这三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：JX2 A(X)甲(X) e P(x)1/rdX = JX2 A(X)甲(X) e P(x)3 /TdXX 1 O 1 X 3 O 31 1JX4A(X)甲(X) e P (X)2/ rdX = JX4A(X)甲(X) e P (X)4 / TdXX 2 O 2 X 4 O 43 3这样便可得到结论：K1 = K 2 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，也就是说管径对比值不产生影响。