电子温度计

Vallée-Bélisle等人用DNA制造出了温度计，用于纳米级别的测温。这些纳米级温度计极大地帮助人们了解在微观世界中温度是如何存在的。　　本周《纳米通讯》上发表了一项新的研究成果，蒙特利尔大学的研究者利用DNA发明了一种温度计。这种人工编码的DNA，大小只有头发的1/20000。这种温度计可以测量微观环境的温度，这将极大地加深了人们对自然和纳米技术的了解。　　60年前，科学家发现DNA是存储人类遗传信息的关键生物分子，DNA双链在受热的时候会解开(这个过程称为解链)。Alexis Vallée-Bélisle教授说：“近年来生化学家发现，蛋白质和RNA等生物分子在生物体内也会随着温度的变化而发生状态的改变。我们的团队受此启发，制造了各种编码的DNA温度计，这些DNA可以在特定的温度下解链，这样就实现了温度的测量。”　　使用DNA作为温度计最主要的好处就是结构简单、可以人工编码。David Gareau是这篇论文的第一作者，他解释说：“DNA中包含了4中脱氧核苷酸：ATGC，其中A和T配对，G和C配对。碱基之间是由氢键连接的，AT之间有两个氢键，GC之间有三个氢键。所以当GC配对在DNA中比例较大时，解链就需要更多的能量。利用这样的结构特点，我们可以制造出在特定温度条件下解链的DNA。”另一位作者Arnaud Desrosiers补充说：“为了能看到这些微观的变化，我们在这些DNA结构中加上荧光标记，这样我们就制造出了长度仅有5纳米的温度计。”　　因为DNA温度计的发明，纳米科技向我们敞开了新的大门，而且这帮助我们更深层次地了解分子生物学。“现在生物学中仍然有很多亟待解决的问题。比如，我们知道人体的正常体温是37.5℃，但是我们不清楚在细胞内温度是否更高。”这一团队正在研究的问题就是，在细胞高速生产分子时，是否会过热。“相信在不久的将来，我们可以将这一研究成果应用于电子设备，从而实现纳米级别的温度监控。”

p style="text-align: justify text-indent: 2em "10月14日，国家药品监督管理局发布《国家药监局综合司关于履行《关于汞的水俣公约》有关事项的通知》，通知要求“自2026年1月1日起，全面禁止生产含汞体温计和含汞血压计产品。”/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "20世纪中期发生在日本水俣的汞污染事件是最早出现的由于工业废水排放污染造成的公害病。日本至少有5万人因此受到不同程度的影响，确认了2000多例“水俣病”。“水俣病”在1950年代达到高潮，重症病例出现脑损伤、瘫痪、语无伦次和谵妄。这一事件影响甚大，并最终促成了《关于汞的水俣公约》，简称《水俣公约》。随着水银温度计即将退出市场，根据中研普华产业研究院出版的《2020-2025年中国电子体温计行业供需分析及发展前景研究报告》统计分析显示，预计到2022年电子体温计行业市场规模大约为29亿元。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "水银温度计，是膨胀式温度计的一种，水银的凝固点是-39℃，沸点是356.7℃，测量温度范围是-39° C—357° C，它只能作为就地监督的仪表。用它来测量温度，不仅简单直观，而且还可以避免外部远传温度计的误差。相比于其他类型的体温计，水银温度计经济实用，由于其中没有其他转换电子介质和电源，因此测量数值不会受体温计内本身因素的影响出现偏差。这种体温计一旦封装出厂，在生命周期内一般不用调校，可以做到“终身精准”。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "不过长期以来，水银体温计的污染性一直被人诟病，一只家用水银体温计含汞约为1克，如果没有有效回收，水银可能会变成汞蒸汽后进入大气，当它飘到湖泊内，还会转变为甲基汞污染鱼类。美国国家野生动物联盟的一项数据显示，1克水银可能使一个10万平方米的湖泊中所有的野生鱼类污染至不安全食用标准。/ph3 style="text-align: justify text-indent: 0em "水银温度计替代方案有哪些？/h3p style="text-align: justify text-indent: 2em "鉴于水银温度计存在一定的危险性，打破水银温度计导致汞中毒的事件也频频发生，温度计市场急需无毒无害，测量精准的替代方案。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong酒精温度计/strong，是利用酒精热胀冷缩的性质制成的温度计。在1个标准大气压下，酒精温度计所能测量的最高温度一般为78℃。因为酒精在1个标准大气压下，其沸点是78℃。但是温度计内的压强一般情况下都高于1标准大气压，所以有一些酒精温度计的量程大于78度。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "但和水银温度计不同，酒精温度计主要用于测环境温度，而不能用于测体温。这主要是由于水银体温计的下部靠近液泡处有一个很狭窄的曲颈，在测体温时，液泡内的水银，受热体积膨胀，水银可由颈部分上升到管内某位置，当与体温达到热平衡时，水银柱恒定。当体温计离开人体后，外界气温较低，水银遇冷体积收缩，就在狭窄的曲颈部分断开，使已升入管内的部分水银退不回来，仍保持水银柱在与人体接触时所达到的高度。而酒精温度计由于浸润作用，无法通过曲径结构限制回流，方便读数。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong电子温度计/strong，是利用某些物质的物理参数，如电阻、电压、电流等，与环境温度之间存在的确定关系，将体温以数字的形式显示出来。其不足之处在于示值准确度受电子元件及电池供电状况等因素影响，不如玻璃体温计。常见的电子温度计主要包括了热电阻、热敏电阻和热电偶。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "热电阻温度计，是一种使用已知电阻随温度变化特性的材料所制成温度传感器。因其几乎无一例外地由铂制造而成，所以通常被称为铂电阻温度计。在许多低于600℃的工业应用场合，电阻温度计正逐渐取代热电偶温度计。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "热电偶测温的最根本原理主要有两点：1. 金属原子（离子）对于金属中的自由电子的束缚能力与温度有关；2. 不同种类的金属原子（离子）对自由电子的束缚能力是不同的。基于以上两点，将两种不同的金属熔接在一起，熔接界面的两边金属对自由电子的束缚能力不同，对电子束缚能力大的一侧金属就会带负电，另一侧金属会带负电，两侧金属存在电势差，而这个电势差随着熔接点温度变化而变化。电势差通常在几十微伏特（很小，但是已经能精确测量了）。热电偶温度计结构简单、测量范围宽、使用方便、测温准确可靠，信号便于远传、自动记录和集中控制，因而在工业生产中应用极为普遍。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "热敏电阻温度计是一种可量度体温和室温的温度计，它有一个安培计/电流计和电源。当温度升高时，电热调节器（温度计的探测器）所探测到的电流会增加，电阻会减少。当电流增加，温度也表示会升高；当电阻增加，温度也表示会降低。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "热敏电阻灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10~100倍以上，能检测出10-6℃的温度变化；工作温度范围宽，常温器件适用于-55℃~315℃，高温器件适用温度高于315℃(目前最高可达到2000℃)，低温器件适用于-273℃~-55℃；体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；使用方便，电阻值可在0.1~100kΩ间任意选择；易加工成复杂的形状，可大批量生产；稳定性好、过载能力强。但热敏电阻的阻值与温度的关系非线性严重；而且元件的一致性差，互换性差；一旦出现损坏是难以找到可互换的产品。不仅如此，热敏电阻的元件易老化，稳定性也是比较差的；而且除特殊高温热敏电阻外，绝大多数热敏电阻仅适合0~150℃范围，使用时必须注意。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "电子体温计和水银体温计在我国均属于二类医疗器械，凡是正规厂家生产并取得医疗器械注册认证的，准确度都在国家标准允许范围之内，电子体温计最大允许误差为± 0.1℃，水银体温计最大允许误差为-0.15℃～0.1℃，两者几乎一样。电子体温计有望成为水银温度计的重要替代方案，但目前电子温度计价格较高，且其中有一定数量的电子元件介质，都要使用电池提供能源，因此一旦电子元件出现老化偏差或电池电量下降，都会使体温测量结果出现偏差，这也是电子体温计每隔一段时间就要进行调校的原因。。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong红外测温仪/strong由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。在自然界中，一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布——与它的表面温度有着十分密切的关系。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "红外测温设备主要用于密集型人流的发热可疑性筛选、出入卡口的精确性测温。但红外测温仪只测量表面温度，不能测量内部温度；不能透过玻璃进行测温，玻璃有很特殊的反射和透过特性，不允许精确红外温度读数，但可通过红外窗口测温。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong镓铟合金温度计/strong，采用先进镓铟锡合金液态金属为温度感应材料，以表体上的刻度来反映人体的温度。镓(Ga)、铟(In)、锡(Sn)合金液态金属是一种新型液态金属合金材料，这种材料具有无毒、无放射性、安全、环保等特点。以这种液态金属作为体温计的温度感应材料，利用其均匀冷缩热涨的物理特性来反映被测体温者温度值，其工作原理与汞体温计相同。这种体温计内部同样没有任何其他介质材料，因此体温计一旦封装出厂，若不被破坏，在生命周期内可确保终身精准，不需要定期调校，同样也可以做到“黄金标准”甚至更好。若在使用中不慎被打碎，表内液态金属接触空气后会马上固化，不会产生任何对人体和环境有害的气体和物质，所有废弃物可以按普通玻璃垃圾处理，不会造成有害物质对环境的污染。因此这是一款安全、精准、环保的绿色体温计，是目前汞体温计的最佳替代品。/ph3 style="text-align: justify text-indent: 2em "span style="text-indent: 2em "其他/spanspan style="text-indent: 2em "类型的测温手段还有哪些？/span/h3p style="text-align: justify text-indent: 2em "除了测体温外，工业等领域也往往需要对温度进行测量，这对测温手段提出了更多的需求，也由此出现了其他类型的测温方案。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "strong光纤温度传感器/strong采用一种和光纤折射率相匹配的高分子温敏材料涂覆在二根熔接在一起的光纤外面，使光能由一根光纤输入该反射面从另一根光纤输出，由于这种新型温敏材料受温度影响，折射率发生变化，因此输出的光功率与温度呈函数关系。其物理本质是利用光纤中传输的光波的特征参量，如振幅、相位、偏振态、波长和模式等，对外界环境因素，如温度，压力，辐射等具有敏感特性。它属于非接触式测温。光纤温度传感器的种类很多，如分布式光纤温度传感器、光纤荧光温度传感器、光纤光栅温度传感器、干涉型光纤温度传感器以及基于弯曲损耗的光纤温度传感器等。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "分布式光纤测温系统依据后向散射原理可以分为三种：基于瑞利散射、基于拉曼散射和基于布里渊散射。目前发展比较成熟，且有产品应用于工程的是基于拉曼散射的分布式光纤测温系统。它的传感原理主要依据的是光纤的光时域反射（OTDR）原理和光纤的后向拉曼散射温度效应。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "光纤荧光温度传感器是利用荧光的材料会发光的特性，来检测发光区域的温度。这种荧光的材料通常在受到紫外线或红外线的刺激时，就会出现发光的情况，发射出的光参数和温度是有着必然联系的，因此可以通过检测荧光强度来测试温度。/pp style="text-align: justify text-indent: 2em "相比于传统的电子测温手段，光纤测温不受电磁和射频干扰、耐腐蚀性环境、精度高、可靠性高，是在恶劣环境下测量温度的最佳选择。/p

纳米钻石可用于量子计算机中处理量子信息。近日，哈佛大学的研究人员利用纳米钻石的量子效应，将其变为&ldquo 温度计&rdquo ，测量出了人类胚胎干细胞内部的温度变化，精确度是现有技术的10倍。通过加入金纳米粒子，研究人员还能够利用激光对细胞的特定部分加热甚至杀死细胞，这有望提供一种新的治疗癌症而不损害健康组织的方法，以及研究细胞行为的新手段。研究论文发表在本周的《自然》杂志上。　　在这项最新研究中，研究人员使用纳米线将直径约100纳米的钻石晶体注入一个人类胚胎干细胞中，然后用绿色激光照射细胞，使氮杂质发出红色荧光。当细胞内局部温度出现变化时，红色荧光的强度会受到影响。通过测量荧光的强度，便可以计算出相应的纳米钻石的温度。由于钻石具有良好的导热性，就可以像温度计一样显示出其所处细胞内部环境的即时温度。　　研究人员同时还将金纳米粒子注入细胞内，然后用激光来加热细胞的不同部位，加热点的选择和温度升高多少都可由纳米钻石&ldquo 温度计&rdquo 来精确控制。&ldquo 现在我们有了一个可以在细胞水平上控制温度的工具，让我们能够研究生物系统对温度变化的反应。&rdquo 参与该研究的哈佛大学物理学家彼得· 毛瑞尔说。　　他指出，基础生物学涉及到的很多生物过程，从基因表达到细胞新陈代谢，都会受到温度的强烈影响，纳米钻石&ldquo 温度计&rdquo 将是一个有用的工具。例如，通过控制线虫的局部温度，生物学家可以了解简单有机体的发育。&ldquo 你可以加热单个细胞，研究其周围的细胞是否会减慢或者加快它们的繁殖率。&rdquo 毛瑞尔说。　　目前也有一些其他测量细胞温度的方法，比如利用荧光蛋白或碳纳米管，但这些测量手段在敏感性和准确度方面都有欠缺，因为其中的一些成分会和细胞内的物质发生反应。毛瑞尔说，他们的纳米钻石&ldquo 温度计&rdquo 的敏感度至少提高了10倍，能够检测出细微到0.05开的温度波动。而且其还有改进的余地，因为在活细胞外部，该&ldquo 温度计&rdquo 的敏感度已经达到0.0018开的温度波动。