利用环境光通过能量传递过程进行荧光测温

《Journal of Luminescence》：Fluorescence Thermometry Utilizing Ambient Light via Energy Transfer Progression

Gd2.4Lu0.6Ga4AlO12掺杂Cr3+和Yb3+磷光材料通过环境光激发，利用Cr3+和Yb3+能量传递及热淬灭差异建立LIR温度探针，灵敏度0.5% K?1，并验证了硅胶基柔性器件在复杂光照条件下的温度传感应用。

　　

郝帅|郑双|林宇博|张亮亮|王轩丽|于晓波|关倩|晁罗梦|乔俊|马永红

内蒙古科技大学理学院，中国包头014010

摘要：

基于温度依赖性发光参数（如发光强度比（LIR）的光学测温技术具有非接触式操作和高分辨率的优点，但通常需要复杂的激发系统。本研究介绍了一种宽带近红外（NIR）发光荧光体Gd_2.4Lu_0.6Ga₄AlO₁₂ (GLGA): Cr³⁺, xYb³⁺，它可以直接被环境光激发，从而显著简化了测量装置，无需外部光源。该材料在650-1050 nm范围内具有发光谱，并在303-483 K温度范围内表现出明显的温度依赖性特性。通过利用Cr³⁺和Yb³⁺之间的能量转移及其不同的热淬灭行为，Yb³⁺向Cr³⁺的发光被确立为可靠的温度探针。在x = 0.20的样品中，423 K时的最大相对灵敏度达到0.5% K^-1。使用嵌入荧光体的硅弹性体验证了其实际应用性，这些弹性体能够在各种环境光条件下（阳光、阴天和室内照明）实现准确的温度传感。这项工作证实了可见光激发NIR发光材料在环境光激活的荧光测温中的巨大潜力。

引言

在物理学、化学、生物学、医学和工业等各个科学领域中，温度是一个关键的热力学参数。因此，快速和精确的温度测量至关重要。[1]、[2]、[3] 光学温度测量技术已成为当前研究的重点。[4]、[5]、[6] 其工作原理主要依赖于温度依赖性的光学参数，如发光强度比（LIR）、光谱位移、寿命变化和发射带展宽。基于发光强度比设计的光学温度测量材料因其对外部环境和测量条件的出色抗干扰能力而受到广泛关注。特别是，利用温度依赖性的LIR和高热稳定性技术具有非接触式操作、宽温度范围、快速响应时间和高空间分辨率等优点，满足了快速和精确测量的需求，使其成为一种不受外部因素和测量条件影响的有前景的技术。[7]、[8]、[9] 然而，实际使用中的温度测量依赖于复杂的测量系统，需要激发光源和光谱测量设备。如果发光材料能够被环境光激发，这种光学测温的复杂性就可以有效降低。

发光材料的发光特性在用于温度测量的荧光强度比中起着决定性作用。宽带近红外（NIR）光能够穿透生物组织和材料的深层，这是医学成像和传感等领域的重要研究方向。[10]、[11]、[12]、[13] 它也是当前发光材料研究的关键组成部分。[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24] 根据激发和发射光谱的类型——可见光和NIR——可以设计四种类型的光学测温系统：首先是可见光激发和发射[9]、[25]、[26]；其次是NIR激发和发射[27]、[28]；然而，激发和发射之间的斯托克斯位移接近性给这两种温度测量方法的高分辨率实现带来了挑战；第三是NIR激发和可见光发射[6]、[29]、[30]、[31]；主要关注NIR激发和可见光发射的研究通常涉及上转换测温。这些材料由于具有纳米级尺寸和深度NIR穿透能力，在生物医学领域有广泛应用。最后是可见光激发和NIR发射，尽管在温度测量领域很少有报道[27]，但自然环境中的太阳光、室内照明和其他光源可以作为NIR发光材料的激发光源。因此，利用环境光的荧光测温可以在可见光激发和NIR发射的温度测量方法上取得重大进展。

作为利用环境光的荧光测温材料，必须满足两个条件：具备环境光激发能力和温度传感能力。这些特性源于发光材料的掺杂离子。选择Cr³⁺和Yb³⁺作为掺杂剂，是因为它们在可见光激发诱导的NIR发射以及它们之间的能量转移（ET）过程中的表现。在这项研究中，我们开发了一种宽带NIR发光的Gd_2.4Lu_0.6-xGa₄AlO₁₂ (GLGA): 0.13Cr³⁺, xYb³⁺荧光体。通过利用Cr³⁺的可见光吸收特性和Cr³⁺向Yb³⁺的能量转移过程，导致不同的淬灭现象，样品能够基于环境光进行温度传感。我们基于这两种掺杂离子不同的温度淬灭行为探索了其在环境光激发下的温度传感应用。这表明可见光激发的NIR发光材料在环境光温度测量领域具有巨大潜力。

部分摘录

利用环境光的荧光测温

图1a展示了使用硅胶封装样品进行环境光荧光测量的示意图，仅使用环境光作为激发源即可实现。为了证明环境光激发，我们将NIR荧光体掺入硅胶中制作了一个灵活的硅胶泰迪熊。这种硅胶泰迪熊具有优异的机械稳定性、弹性和柔韧性，能够承受反复的拉伸和挤压

结论

本研究介绍了一种化学表示为GLGA: 0.13Cr³⁺, xYb³⁺的荧光测温材料，它可以被环境光激发。在450 nm的光谱激发下，其发射光谱覆盖650-1050 nm范围，并可根据需要进行调整。该系列样品在303-483 K温度范围内表现出优异的温度特性。样品的温度测量性能基于Cr³⁺和Yb³⁺不同的发光淬灭特性进行了讨论

CRediT作者贡献声明

郝帅：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，研究，资金获取，正式分析，数据管理。乔俊：研究，资金获取，正式分析。马永红：方法学，资金获取，正式分析。郑双：撰写——初稿，研究，正式分析，数据管理。林宇博：方法学，正式分析，数据管理。张亮亮：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，研究，资金获取

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（授权号：12474415、52266014、12265022、12264037）、吉林省自然科学基金（20220101208JC）、先进结构材料重点实验室（ASM-202205）、中央领导地方科学技术发展项目（2024ZY0108）、内蒙古自治区自然科学基金（授权号：2024QN01004、2022QN01006、2023MS05013）的支持