综述：基于镧系元素的发光测温技术：从基础理论与材料到应用

《Science China-Materials》：Lanthanide-based luminescence thermometry: from fundamentals and materials to applications

摘要

温度作为基本的热力学变量，主导着从细胞代谢到微电子学的各类过程，因此需要精确、远程且非接触的温度测量手段。基于镧系元素的发光测温技术已成为领先平台，其优势在于尖锐的线状发射、微秒至毫秒级的激发态寿命、卓越的稳定性以及可热耦合的能级（TCLs），这些特性使得能够实现高分辨率的自参考比率读出。本综述提供了全面的概述，涵盖了从基本光物理和新兴镧系发光测温材料到前沿应用的各个方面。该综述详细介绍了基础的电子能级结构和发光过程，系统地将测温机理分为基于TCL的玻尔兹曼比率法、非TCL策略、基于寿命的方法以及混合方案，并建立了标准化的性能指标以实现客观的横向比较。在涵盖六大主要材料类别的基础上，该综述重点介绍了关键创新，包括抗热猝灭（ATQ）策略、从单参数相对灵敏度向多指标评估框架的范式转变，以及金属有机框架和混合复合材料等新兴平台的整合。本综述还展示了在单细胞代谢成像、微电子热管理和气动热保护方面的前沿应用。当前的挑战——包括热猝灭、量子效率有限和可重复性不足等问题——得到了深入探讨，并展望了ATQ开发、多参数协同优化以及面向应用的标准化表征协议的未来方向。本综述为加速下一代镧系发光温度计的设计和部署提供了及时且有价值的参考资料。

温度作为基本的热力学变量，主导着从细胞代谢到微电子学的各类过程，因此需要精确、远程且非接触的温度测量手段。基于镧系元素的发光测温技术已成为领先平台，其优势在于尖锐的线状发射、微秒至毫秒级的激发态寿命、卓越的稳定性以及可热耦合的能级（TCLs），这些特性使得能够实现高分辨率的自参考比率读出。本综述提供了全面的概述，涵盖了从基本光物理和新兴镧系发光测温材料到前沿应用的各个方面。该综述详细介绍了基础的电子能级结构和发光过程，系统地将测温机理分为基于TCL的玻尔兹曼比率法、非TCL策略、基于寿命的方法以及混合方案，并建立了标准化的性能指标以实现客观的横向比较。在涵盖六大主要材料类别的基础上，该综述重点介绍了关键创新，包括抗热猝灭（ATQ）策略、从单参数相对灵敏度向多指标评估框架的范式转变，以及金属有机框架和混合复合材料等新兴平台的整合。本综述还展示了在单细胞代谢成像、微电子热管理和气动热保护方面的前沿应用。当前的挑战——包括热猝灭、量子效率有限和可重复性不足等问题——得到了深入探讨，并展望了ATQ开发、多参数协同优化以及面向应用的标准化表征协议的未来方向。本综述为加速下一代镧系发光温度计的设计和部署提供了及时且有价值的参考资料。