温度计可以做很多事情：测量完美炖鸡中心的温度，或者告诉您是否让您的孩子因生病而留在家里。但由于其尺寸，传统温度计的用途仍然受到限制。

“如何非侵入性地测量人体等生命系统内部的温度?”NIST的ThinhBui说道。“或者在其他可能难以测量的环境中，例如，子弹穿透凯夫拉背心时的温度。你如何测量它?你不能把传统的温度计放在那里。”

如果研究人员拥有一种测温系统，能够以高空间分辨率测量不透明物体内部温度的微小变化，那么这可能会彻底改变医学和制造业领域。

为了满足这些需求，NIST研究人员正在开展一个雄心勃勃的项目，称为热磁成像和控制，或“ThermalMagIC”。ThermalMagIC可测量纳米级球体的磁响应，纳米级球体由金属或其他物质制成，嵌入被测温度的物体中。系统收集的磁信号对应于特定的温度。除了简单地测量温度之外，ThermalMagIC研究人员的目标还在于制造一种具有高空间分辨率的温度计——一种温度成像系统。

四年来，该项目取得了许多里程碑，研究团队刚刚发表了一篇论文，全面描述了其成像系统的温度灵敏度和空间分辨率，这是制造可靠的“测温相机”的必要步骤。该论文发表在《科学报告》上。

Bui表示：“ThermalMagIC的目标是开发一种通用技术，用于在可能最具挑战性的环境中进行温度成像和温度测量。”“我对到目前为止事情的进展感到满意。你在很长一段时间内采取了一些小步骤，然后突然出现了一个大的跳跃，引导我们找到了如何实现最佳空间图像分辨率的根源。磁成像。”

ThermalMagIC由两个协同工作的系统组成。第一部分由传感器本身组成：纳米尺寸的球体，其磁信号随温度变化。这些由氧化铁制成的微小颗粒将被纳入所研究的液体或固体中。

第二部分是通过磁性激发微小球体然后读出其信号的仪器。

每种成像系统(无论是显微镜还是望远镜，或者本例中的磁性粒子成像仪)都对其空间分辨率有限制;它看不到小于特定尺寸的物体。为了测试ThermalMagIC中的这一极限，Bui和同事首先将纳米颗粒放入一系列充满溶液的小孔中(四个一组)。四孔中的每个孔都与其他孔间隔一定的距离，从0.1毫米(非常接近)到1毫米(相距较远)不等。

有时，成像仪可以清楚地识别出四个孔中的每一个。其他时候，四人会合并成一两个斑点。研究人员测试了信号的哪些部分最能区分各孔。

信号研究人员可以在其ThermalMagIC系统中发现的一个关键部分是其谐波。

接受过音乐训练的人可能已经熟悉这个术语。用单簧管演奏的单个音符有一个主要的声音频率——主音符，比如“降A”。但该音调还包含一系列其他较微弱的频率(主音的谐波)，这些频率赋予单簧管独特的音质。单簧管和双簧管可能演奏相同的音符，但由于乐器的形状和尺寸以及制造材料的不同而产生不同的和声，因此它们听起来彼此不同。

ThermalMagIC中纳米粒子发出的磁信号中的谐波以类似的方式工作。但在这种情况下，主频率不是声波，而是纳米粒子产生的脉冲磁信号。谐波是较高频率的脉冲磁信号，由系统中独特的材料配方和条件产生。

相同的纳米粒子可以暴露于相同的磁激励。但根据粒子暴露的温度，其磁谐波会有所不同：较冷的纳米粒子可能“听起来”像单簧管，但较热的纳米粒子可能“听起来”像双簧管。

在当前的研究中，研究人员发现，测量高次谐波(频率较高的谐波信号)而不是低次谐波可以为他们提供更好的空间分辨率，也就是说，即使四个孔的间距非常接近，他们也能够将它们区分开来。一起。测量高次谐波与低次谐波的比率让他们获得了更清晰的图像。

通过这种设置，他们能够在仅63纳升(十亿分之一升)的体积内评估仅500毫开尔文(千分之一开尔文)的温差。

该论文的作者包括ThinhBui、Mark-AlexanderHenn、WestonTew、MeganCatterton和SolomonWoods。

下一个重大里程碑将是首次测量温度梯度，这将使ThermalMagIC升级为真正的温度成像系统。

“到目前为止，我一次在一个温度下测量了纳米粒子样本，”布伊说。“真正的热成像需要一个具有不同局部区域的多个温度的系统，然后对局部区域的变化进行量化和成像。这就是我们在未来几个月里努力做的事情。”

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