[发明专利]一种具有高灵敏度的纳米温度探针设计及材料制备方法

说明书

本发明涉及一种具有高灵敏度的纳米温度探针设计及材料制备方法。所述纳米温度探针由NaYF₄主体基质掺杂特定稀土离子的核‑壳‑壳纳米结构构成，晶核为NaYF₄:Yb/Er/Ce，中间隔离层为NaYF₄，外壳层为NaYF₄:Yb/Tm。上述核‑壳‑壳结构纳米粒子采用共沉淀法制备。本发明制备的纳米温度荧光探针在红外光激发条件下，可同时探测到源自晶核Er³⁺绿光和外壳层Tm³⁺蓝光的双模发射。随着温度(303K‑443K)升高，晶核Er³⁺绿光热衰减，外壳层Tm³⁺蓝光热增强，大幅提升了蓝光与绿光发光强度比，以二者发光强度比作为测温参数，温度探测的相对灵敏度最高可达9.86﹪K^‑1。

技术领域

本发明涉及固体发光材料领域，具体涉及一种具有高灵敏度的纳米温度探针设计及材料制备方法。

背景技术

准确和实时的温度检测对工业应用和科学研究具有十分重要的意义。传统接触式温度探针需要与待测物直接接触进行充分的热量交换，在微区温度测量领域受到了极大限制。近年来，研发人员开发出一种新型的发光强度比技术用于非接触式温度测量，提高了测温灵敏度和空间分辨率。该技术利用荧光材料不同发射峰强度比值随温度变化的关系进行温度测量，其中稀土上转换发光材料由于其低毒、优异的物理化学稳定性、窄带发射和独特的发光性能，作为荧光温度探针得到了广泛的研究。传统的稀土上转换荧光温度探针一般采用单发光中心的热耦合能级进行温度探测，如Er³⁺的绿光发射能级²H_11/2和⁴S_3/2，(Geitenbeek,R.G.,Prins,P.T.,Albrecht,W.,van Blaaderen,A.,Weckhuysen,B.M.,Meijerink,A.(2017).NaYF₄:Er³⁺,Yb³⁺/SiO₂ Core/Shell Upconverting Nanocrystalsfor Luminescence Thermometry up to 900K.The Journal of Physical Chemistry C,121(6),3503–3510.)。理论上热耦合能级的布局处于热平衡态且符合玻尔兹曼分布规律，因此热耦合能隙通常在200-2000cm^-1范围内。这导致基于热耦合性质的稀土荧光温度探针两个发射峰太过接近，高温下电子声子耦合作用加强，光谱可能产生重叠产生测温误差。另外，这类温度探针的灵敏度与热耦合能级差成正相关，灵敏度数值受到热耦合能级差限制，相对灵敏度值普遍较低，不利于精细测温方面的应用。

发明内容

基于上述问题，本发明提出一种具有高灵敏度的纳米温度探针设计及材料制备，目的是针对单发光中心热耦合荧光探针存在的不足，将Er³⁺绿光热衰减和Tm³⁺蓝光热增强两种不同的发光性质集成在单个核壳纳米粒子中，实现高灵敏度的温度探针制备。这种材料在商用980nm激光二极管(LD)辐照下同时具有Er³⁺绿光发射和Tm³⁺蓝光发射，其中Er³⁺位于纳米粒子内部晶核区，受到热猝灭影响，绿光随温度升高而减弱；Tm³⁺位于纳米粒子外壳层，随着温度升高配体声子辅助能量传递作用加强，Tm³⁺蓝光不断增强。Er³⁺绿光和Tm³⁺蓝光发射与温度呈现亮度变化趋势相反的强烈依赖关系，因此通过两者的发光强度比随温度的变化关系，可实现高灵敏度测温应用。

本发明的目的通过如下技术方案实现。

一种具有高灵敏度的纳米温度探针，所述纳米温度探针为核-壳-壳结构纳米粒子，所述核-壳-壳结构纳米粒子由六方相NaYF₄主体基质和掺杂特定的稀土离子组合构成。