ICS71.040.50 A42 中华人民共和国国家标准 GB/T32006—2015 金纳米棒光热效应的评价方法 Evaluationofphotothermaleffectofgoldnanorods 2015-09-11发布 2016-10-01实施 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 中国国家标准化管理委员会发布前 言 本标准按照GB/T1.1—2009给出的规则起草。 本标准由中国科学院提出。 本标准由全国纳米技术标准化技术委员会(SAC/TC279)归口。 本标准负责起草单位:国家纳米科学中心。 本标准参加起草单位:北京大学。 本标准主要起草人:吴晓春、胡志健、纪英露、方哲宇。 ⅠGB/T32006—2015 引 言 贵金属纳米结构因其尺寸和形状依赖的表面等离激元共振吸收,可产生较大的光热效应,是一类理 想的光热成像和光热治疗材料,在疾病诊疗等方面具有潜在应用。其中,金纳米棒因其较好的生物相容 性和化学稳定性成为最受关注的贵金属纳米光热材料之一。为了推动该领域发展,制定金纳米棒光热 效应的评价方法。 ⅡGB/T32006—2015 金纳米棒光热效应的评价方法 1 范围 本标准规定了金纳米棒光热效应评价的原理、仪器部件、样品制备、测试步骤和数据处理。 本标准适用于金纳米棒溶胶体系光热效应的评价,其他贵金属纳米颗粒溶胶体系的光热效应评价 亦可参照本标准执行。 2 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文 件。凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。 GB/T13966 分析仪器术语 GB/T19267.2 刑事技术微量物证的理化检验 第2部分:紫外-可见吸收光谱法 GB/T19619 纳米材料术语 GB/T24369.1—2009 金纳米棒表征 第1部分:紫外/可见/近红外吸收光谱方法 3 术语和定义 GB/T13966、GB/T19267.2、GB/T19619、GB/T24369.1—2009界定的及下列术语和定义适用于 本文件。 3.1 光热效应 photothermaleffect 光被物质吸收后转换为热能的效应。 3.2 光热转换效率 photothermalconversionefficiency 光被物质吸收后转变成的热能与吸收光能的比值。 3.3 表面等离激元共振 surfaceplasmonresonance;SPR 光入射到金属纳米结构表面时,使金属表面的自由电子与光子耦合而产生的集体振荡。 4 原理 金纳米棒的表面等离激元共振具有横向(transverseSPR,TSPR)和纵向(longitudinalSPR, LSPR)两个基本模式,其中LSPR的共振波长与其长径比密切相关,通常位于近红外光谱区并使金纳米 棒具有较高的光热转换效率。若入射光的波长与LSPR波长匹配,可以使金纳米棒高效地将吸收的光 能转化为热能,使其周围环境温度升高。通过实验测量升、降温曲线,基于热平衡方程,可计算出其光热 转换效率。 1GB/T32006—2015 5 仪器及部件 5.1 装置图 见图1。 说明: 1———磁力搅拌器; 2———磁转子; 3———比色皿; 4———石蜡密封盖; 5———激光器; 6———热电偶。 图1 金纳米棒光热效应的测量装置示意图 5.2 激光器 激光波长位于金纳米棒LSPR光谱区内。 5.3 热电偶 温度测量精度优于±0.1℃。 5.4 激光功率计 功率测量精度优于±1mW。 5.5 样品池 比色皿。 6 样品的制备 金纳米棒溶胶样品的制备见GB/T24369.1—2009附录A。 7 测量步骤 7.1 测试条件:室内恒温、恒湿,仪器校准,测量时间为60min。 2GB/T32006—2015 用经过校准的激光功率计测量入射激光的功率。 7.2 将金纳米棒溶胶加入样品池,调节入射光方向,使其垂直照射到样品池表面。 7.3 将热电偶和磁搅拌转子置入金纳米棒溶胶中,使用固体石蜡密封样品池,并调整搅拌速度以保证 样品均匀受热。 7.4 记录样品温度与光照射时间关系的升温曲线,升温达到平衡时,读取平衡温度Tend。之后,停止激 光照射,测定样品的降温曲线。利用式(A.5)拟合降温曲线,得到系数B和C,见附录A。 7.5 在同样的测试条件下测定分散溶剂(如水)的升温曲线,并利用式(A.6)得到系数ξ。 7.6 待测样品取样4次,每个样品重复测量降温曲线3次,所得数据代入式(1),计算光热转换效率,得 到平均值和不确定度,具体实施参见附录B。 7.7 如需研究样品参数影响,更换样品,按上述步骤重复进行,具体实施实例参见附录C。 8 数据处理 光热转换效率以百分比表示。 光热转换效率按式(1)计算: η=B(Te-T0)+C(Te-T0)2-Iξ I(1-ξ)(1-10-Eλ)×100%……………………(1) 式中: η———光热转换效率; Te———平衡温度,单位为开(K); T0———周围环境温度,单位为开(K); B———热耗散泰勒展开一级系数,单位为焦每开分(J·K-1·min-1); C———热耗散泰勒展开二级系数,单位为焦每二次方开分(J·K-2·min-1); ξ———样品池和分散溶剂对入射光能量的吸收率; I———入射到样品上的激光功率,单位为瓦(W); Eλ———分光光度计测得的样品于激光波长处的消光度。 3GB/T32006—2015 附 录 A (规范性附录) 金纳米棒光热转换效率的计算 A.1 光热转换效率的计算方法 计算金纳米棒的光热转换效率,需测量随着激光照射时间金纳米棒溶胶温度的变化。此过程遵循 能量守恒原理,能量转移包括两部分,一部分是样品吸收的单位时间的激光能量(Qlaser),另一部分是样 品向外界环境耗散的单位时间的能量(Qloss)。 (mscp,s+mccp,c)dΔT dt=Qlaser-Qloss…………………………(A.1) 式中: ΔT———溶胶t时刻的温度与起始温度(T0)之差; ms———溶胶质量,单位为克(g); cp,s———溶胶定压热容(J·g-1·K-1); mc———样品池质量,单位为克(g); cp,c———样品池的热容(J·g-1·K-1)。 模型中Qlaser来源于两部分贡献,一部分是溶胶中金纳米棒吸收的能量,另一部分是样品池和溶剂 吸收的能量。如果样品池和溶剂吸收的激光能量比例为ξ,这两部分贡献对于Qlaser可以写为: Qlaser=I(1-ξ)(1-10-Eλ)η+Iξ…………………………(A.2) 式中: I———激光功率,单位为瓦(W); ξ———样品池和分散溶剂对入射光能量的吸收率; Eλ———照射激光波长处样品的消光度; η———光热转换效率。 单位时间向外界环境的能量耗散Qloss主要通过热传导和热辐射进行。Qloss通常可以展开为ΔT的 泰勒级数形式。 Qloss=BΔT+C(ΔT)2…………………………(A.3) 式中: B———热耗散泰勒展开一级系数,单位为焦每开分(J·K-1·min-1); C———热耗散泰勒展开二级系数,单位为焦每二次方开分(J·K-2·min-1)。 结合式(A.1)~式(A.3)可以得到如下公式: (mscp,s+mccp,c)dΔT dt=I(1-ξ)(1-10-Eλ)η+Iξ-BΔT-C(ΔT)2……(A.4) 停止激光照射,测量溶胶的降温曲线。在这种条件下,式(A.4)变为: (mscp,s+mccp,c)dΔT dt=-BΔT-C(ΔT)2……………………(A.5) 对式(A.5)积分得到的公式对实验的降温曲线进行拟合,可求出B和C值。 样品池和溶剂吸收的激光能量比例ξ,可以通过测量溶剂的升温曲线得到,式(A.4)变为: (mscp,s+mccp,c)dΔT dt=Iξ-BΔT-C(ΔT)2……………………(A.6) 4GB/T32006—2015 当水的温度达到平衡温度时,上式的左侧等于零,ξ由最后的平衡温度值决定。 参数B,C和ξ得到后,光热转换效率可由式(A.4)导出。当金纳米棒溶胶到平衡温度Te时, 式(A.4)左侧为零,因此光热转换效率η为: η=B(Te-T0)+C(Te-T0)2-Iξ I(1-ξ)(1-10-Eλ)…………………………(A.7) 式中: Te———平衡温度,单位为开(K); T0———周围环境温度,单位为开(K)。 5GB/T32006—2015