廣工大《JAC》綜述：比率型熒光溫度計研究進展與展望

搞不銹鋼的

2021年12月28日 10:39

隨著科學技術的發展，如今對許多物理量的測量精度要求越來越高。其中，溫度就是一個經常使用到的物理量之一，在電子器件、航空航天、環境監測、科學研究及工業生產中對溫度在時空維度上精確測量提出了更高的要求。然而許多傳統接觸式溫度計，如熱膨脹溫度計、壓力溫度計、熱電偶溫度計、電阻溫度計都不能滿足這些實際應用的需求。由于比率型光學溫度計具有精度高、響應快、非接觸性和遠程探測等優點，近年來，逐漸成為研究者廣泛關注的對象。

來自廣東工業大學的研究人員基于熱耦合能級和非熱耦合能級的比率型光學溫度計的研究進行了綜述，相關論文以題為A review and outlook of ratiometric optical thermometer based on thermally coupled levels and non-thermally coupled levels發表在Journal of Alloys and Compounds。

論文鏈接:

https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.162494

廣工大《JAC》綜述：比率型熒光溫度計研究進展與展望的圖1

本文詳細介紹了熱耦合能級的基本原理，比率型光學溫度計的分類以及目前所存在的問題。 根據能級對的不同分為熱耦合能級（單發光中心）和非熱耦合能級（單發光中心或雙發光中心）比率型光學溫度計。基于熱耦合能級，我們系統分析了絕對靈敏度（S_a）和相對靈敏度（S_r）與溫度和熱耦合能極差（ΔE）之間的關系。總結每種能級對的使用溫度范圍，以及能級對的有效組合可以提高靈敏度和拓寬測量溫度范圍。

此外，分別討論了單發光中心五種稀土離子（即Er³⁺，Tm³⁺,Ho³⁺, Nd³⁺和Eu³⁺）和雙發光中心五種（即稀土/稀土、稀土/過渡金屬、稀土/基質、多格位占據和多通道）比率型光學測溫技術。其中，利用Nd³⁺發光中心通過基態吸收（GSA）和激發態吸收（ESA）雙激發的單帶發光強度比，提出了一種新型光學測溫策略——單帶比值法。與基于熱耦合能級發光的比率型光學測溫技術相比，單帶比值法不再受熱耦合能量差的限制，可以實現高信號分辨率。

盡管開發新型溫度傳感材料的策略多種多樣，但仍存在一些亟待解決的問題。 首先，過渡金屬(或稀土)離子在高溫下會產生嚴重的熱猝滅效應，最終導致熒光信號很難檢測。因此，有必要尋找高熱穩定性的新型材料。其次，盡管近年來上轉換納米粒子的光學測溫技術在生物醫學的各個方面都得到了廣泛的報道，但這些材料在體內使用的潛在安全問題值得思考。最后，在寬溫度范圍內具有高靈敏度和良好信號分辨率的傳感材料仍然較少。因此，需要更多研究者的共同努力。

此前，本課題組報道了一種具有穩態/瞬態熒光雙模式光學測溫的熒光微點陣柔性膜LiTaO₃:Ti⁴⁺, Eu³⁺@PDMS。 基于熒光強度比I_Eu/I_Ti，這種比率型熒光溫度計在303-443K溫度范圍內具有優異的溫度靈敏度以及穩定的可重復性。其中，絕對靈敏度最大值S_a=0.671K^-1、相對靈敏度最大值S_r=5.425%K^-1、溫度分辨率達0.14K；基于Ti⁴⁺熒光壽命對溫度的依賴性，這種熒光溫度計的絕對靈敏度最大值S_a=0.122K^-1、相對靈敏度最大值S_r=3.637%K^-1、溫度分辨率最達0.027K。最后，基于該材料初步實現了穩態/瞬態熒光雙模式測溫和多重高安全防偽應用（Chem.Eng. J, 2019, 374, 992-1004）。

*感謝論文作者團隊對本文的大力支持。

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