基于光磁检测的磁纳米颗粒温度测量方法及系统

本发明属于磁测温，更具体地，涉及基于光磁检测的磁纳米颗粒温度测量方法及系统。

背景技术：

1、温度是生命科学、医学诊疗及材料科学研究中的重要参数。目前常用温度测量方法主要包括热电偶测温、电阻测温、红外测温及荧光测温等。其中，热电偶和热敏电阻需要与被测对象接触；红外热成像只能测量表面温度；荧光测温存在光漂白、自发荧光干扰以及生物相容性问题。

2、近年来，磁纳米颗粒由于其良好的生物相容性以及对温度敏感的磁弛豫特性，被广泛用于磁测温研究。现有磁测温方法主要基于交流磁化率检测、磁粒子谱检测（magneticparticle spectroscopy，mps）以及磁粒子成像（magnetic particle imaging，mpi）等技术，通过测量磁纳米颗粒在交流磁场中的动态磁响应反演环境温度。然而上述方法均采用磁传感器进行检测，存在以下问题：1）磁信号强度随距离迅速衰减；2）需要检测线圈靠近样品；3）易受到背景磁场耦合及馈通效应影响；4）测量距离和测量精度受到限制。

3、cn115541047b提出使用法拉第磁光效应对温度进行测量，将磁纳米粒子的磁信号调制到光的偏转角上，实现远程且非侵入式的体内温度测量，不需要将传感器距离目标很近，并避免直接电磁耦合对信号检测的影响，但该方法易受光强波动影响，稳定性较差。

4、总体而言，现有的磁测温技术存在信号耦合效率低、测量距离短以及易受电磁干扰的问题，因此，如何实现远距离、非接触、高灵敏度且高稳定性的温度测量，仍然是一个亟待解决的技术难题。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了基于光磁检测的磁纳米颗粒温度测量方法及系统，其目的在于，实现远距离、非接触、高灵敏度且高稳定性的温度测量。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于光磁检测的磁纳米颗粒温度测量方法，包括：

3、s0：利用激光照射含有磁纳米粒子的待测对象，并测量其透射光强；

4、s1：对待测对象施加方向与激光照射方向一致的正弦交变磁场，并测量待测对象在正弦交变磁场作用下的透射光强；

5、s2：按照计算光磁信号；

6、s3：提取光磁信号的二次谐波，并计算二次谐波相位；和分别表示二次谐波的实部和虚部，表示正弦交变磁场的频率；

7、s4：根据以及布朗弛豫时间的分布系数计算布朗弛豫时间服从对数柯西分布的中位数；表示反正切；

8、s5：设置，并根据布朗弛豫时间与温度的关系计算绝对温度，完成温度测量。

9、进一步地，磁纳米粒子的粒径范围为[30nm,300nm]。

10、进一步地，的拟合方式包括：

11、维持激光不变，通过s1~s2获取不同频率的正弦交变磁场作用下的光磁信号二次谐波相位；

12、对二次谐波相位随正弦交变磁场的频率变化的曲线进行非线性拟合，得到布朗弛豫时间的分布系数。

13、进一步地，布朗弛豫时间与温度的关系为：

14、；

15、其中，表示磁纳米颗粒的水动力学粒径，表示为载流体的黏度常数，表示粘性流动活化能，表示气体常数，表示玻尔兹曼常数。

16、按照本发明的又一个方面，提供了一种基于光磁检测的磁纳米颗粒温度测量系统，包括：激光器、磁场施加模块、探测模块、控制模块以及计算模块；

17、激光器和磁场施加模块均与控制模块相连；计算模块与探测模块相连；

18、控制模块用于控制激光器照射含有磁纳米粒子的待测对象；控制模块还用于控制磁场施加模块对待测对象施加方向与激光照射方向一致的正弦交变磁场；

19、探测模块位于激光器的透射光路上，用于探测激光经待测对象透射后的透射光强；未施加正弦交变磁场时，透射光强为；施加正弦交变磁场时，透射光强为；

20、计算模块用于执行以下操作：

21、按照计算光磁信号；

22、提取光磁信号的二次谐波，并计算二次谐波相位；和分别表示二次谐波的实部和虚部，表示正弦交变磁场的频率；

23、根据以及布朗弛豫时间的分布系数计算布朗弛豫时间服从对数柯西分布的中位数；表示反正切；

24、设置，并根据布朗弛豫时间与温度的关系计算绝对温度，完成温度测量。

25、进一步地，磁纳米粒子的粒径范围为[30nm,300nm]。

26、进一步地，控制模块还用于控制磁场施加模块所施加的正弦交变磁场的频率；

27、并且，计算模块还用于获取不同频率的正弦交变磁场作用下的光磁信号二次谐波相位；对二次谐波相位随正弦交变磁场的频率变化的曲线进行非线性拟合，得到布朗弛豫时间的分布系数。

28、进一步地，布朗弛豫时间与温度的关系为：

29、；

30、其中，表示磁纳米颗粒的水动力学粒径，表示为载流体的黏度常数，表示粘性流动活化能，表示气体常数，表示玻尔兹曼常数。

31、进一步地，本发明提供的基于光磁检测的磁纳米颗粒温度测量系统，还包括：承载部；

32、承载部位于激光器和探测模块之间，用于放置待测对象。

33、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

34、本发明采用激光照射内含磁纳米颗粒的待测对象，并对待测对象施加正弦交变磁场，在外加交变磁场作用下，磁纳米颗粒发生取向变化及链状聚集，导致消光截面发生周期变化，从而使透射光强被调制到激励磁场频率的倍频周期上，通过测量施加正弦交变磁场前、后的透射光强，即可计算得到光磁信号，并进一步基于光磁信号完成温度测量。由于本发明采用光学信号代替磁信号作为信息载体，不受磁场耦合距离限制，因此，可实现远距离、非接触的测量；由于检测信号为光信号，避免了磁场馈通效应对测量精度的影响，可实现高灵敏度的温度测量；本发明具体基于光磁信号的二次谐波相位完成温度测量，由于相位信息不受光强波动的影响，因此，本发明能够实现更高精度、更稳定的温度测量，实验表明，在298 k～318 k范围内，温度测量均方根误差低于0.05 k。

35、总体而言，本发明提供的基于光磁检测的磁纳米颗粒温度测量方法及系统，能够远距离、非接触、高灵敏度且高稳定性的温度测量。

1.一种基于光磁检测的磁纳米颗粒温度测量方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的基于光磁检测的磁纳米颗粒温度测量方法，其特征在于，所述磁纳米粒子的粒径范围为[30nm,300nm]。

3.如权利要求1或2所述的基于光磁检测的磁纳米颗粒温度测量方法，其特征在于，的拟合方式包括：

4.如权利要求1或2所述的基于光磁检测的磁纳米颗粒温度测量方法，其特征在于，布朗弛豫时间与温度的关系为：

5.一种基于光磁检测的磁纳米颗粒温度测量系统，其特征在于，包括：激光器、磁场施加模块、探测模块、控制模块以及计算模块；

6.如权利要求5所述的基于光磁检测的磁纳米颗粒温度测量系统，其特征在于，所述磁纳米粒子的粒径范围为[30nm,300nm]。

7.如权利要求5或6所述的基于光磁检测的磁纳米颗粒温度测量系统，其特征在于，

8.如权利要求5或6所述的基于光磁检测的磁纳米颗粒温度测量系统，其特征在于，布朗弛豫时间与温度的关系为：

9.如权利要求5或6所述的基于光磁检测的磁纳米颗粒温度测量系统，其特征在于，还包括：承载部；