基于3D打印Gd3NbO7:Yb3+/Tm3+的非热耦合能级高灵敏度远程温度传感器及其工业与生物应用

《Materials Today Advances》：3D-printed Gd 3NbO 7:Yb3+, Tm3+ remote temperature sensor with high sensitivity for industrial and biological applications

本研究针对工业与生物环境中高精度、非接触式温度监测的需求，开发了一种结合Gd3NbO7:Yb3+/Tm3+荧光粉与3D打印技术的远程光学温度传感器。通过在异丙醇和水中测试Tm3+的非热耦合能级发射（1626/1436 nm及1626/831 nm），研究人员实现了最高2.6% K?1的相对热灵敏度与0.2 K的测量不确定度，为生物医学光热治疗及工业过程监控提供了新型定制化传感方案。

　　

在工业生产和生物医学领域，精确的温度监测犹如掌控化学反应与生命活动的"脉搏"。传统接触式测温技术（如热电偶）在腐蚀性环境、微小空间或活体检测中面临巨大挑战，而新兴的远程光学温度传感技术通过分析荧光材料的发光特性反演温度，展现出独特优势。然而，现有传感器仍存在灵敏度不足、难以定制化集成、以及在生物组织内光穿透深度有限等问题。特别是在生物医学窗口（Biological Windows, BWs）波段——即生物组织对光吸收较弱的特定红外波段（如第一生物窗口I-BW: 650–950 nm，第三生物窗口III-BW: 1500–1800 nm）——实现高精度测温，对癌症光热治疗等应用至关重要。

为解决上述问题，由Fernando Rivera-López、Inocencio R. Martín等学者组成的研究团队在《Materials Today Advances》发表论文，首次将3D打印技术与Gd₃NbO₇:Yb³⁺/Tm³⁺荧光材料结合，开发出一种可定制形状的远程温度传感器。该传感器创新性地利用铥离子（Tm³⁺）的非热耦合能级（Non-Thermally-Coupled Levels, non-TCLs）进行测温，在异丙醇和水中分别实现了2.15% K^?1和2.6% K^?1的超高相对灵敏度，为工业流程监控和生物体内温度成像开辟了新途径。

研究团队通过高能球磨辅助陶瓷法合成荧光粉，采用X射线衍射（XRD）验证晶体结构，并通过光固化树脂将荧光粉固定于3D打印的聚乳酸（PLA）基座上。温度测试中，使用700 nm激光（位于I-BW）激发传感器，分别采集异丙醇中1626/1436 nm发射峰（III-BW）及水中1626/831 nm发射峰（I-BW/III-BW）的发光强度比（LIR）。通过高斯分布分析100次重复测量的数据确定测温不确定度，并对比了不同介质中的传感器性能。

3.1. 异丙醇环境中的温度传感器

在异丙醇中，随着温度从22.8°C升至49.4°C，1626 nm发射（³F₄→³H₆）强度增加而1436 nm发射（³H₄→³F₄）减弱。通过LIR拟合得到最大相对灵敏度为2.15% K^?1（22.8°C），测温不确定度仅0.5 K。该性能优于多数已报道的III-BW波段传感器，适用于化妆品、制药等异丙醇溶剂场景。

3.2. 水环境中的温度传感器

为避免水对1436 nm光的吸收，研究转向831 nm发射（³H₄→³H₆）。在21.0–49.4°C范围内，LIR与温度呈指数关系，最高灵敏度达2.6% K^?1（49.4°C），不确定度降至0.2 K。由于激发与发射波长均位于生物窗口，该传感器在活体温度监测中具有显著优势。

研究结论表明，通过3D打印技术可实现传感器结构的灵活定制，而利用Tm³⁺非热耦合能级的LIR测温策略突破了传统热耦合能级对能隙的限制（200–2000 cm^?1）。在98%的测量重复性验证下，该传感器在工业与生物医学温度监测领域展现出三大突破：一是通过定制化设计适应复杂环境，二是利用生物窗口波段增强组织穿透能力，三是通过非热耦合能级优化提升测温灵敏度。这项研究为未来开发植入式光学传感器、实时监控光热疗法温度等应用提供了关键技术支撑。