Laser & Photonics Reviews:基于热耦合能级的荧光强度比测温技术的性能优化和生物应用

温度的准确测量在工业生产、电子行业、科学研究、航空航天和国防建设等多个领域中占据着至关重要的地位。随着纳米科技的迅猛发展,微电子技术、纳米光子学、生物医学等领域对温度的测量提出了更高标准的要求,而传统的接触式温度计由于其尺寸的限制难以实现微型化,因此开发具有高探测灵敏度和空间分辨率、非侵入性、快速响应等优点的新型非接触式温度传感器具有极其重要的意义。作为一种极具潜力的非接触式测温方案,基于热耦合能级的荧光强度比测温技术主要是利两个发射峰的强度比值实现温度探测,其自校准特性可以消除外部因素(如荧光损失、泵浦光波动等)对测量结果的影响,极大地满足了复杂生物系统内非接触式操作、快速反馈和高分辨率的测量要求。同时,近红外响应的稀土发光微/纳材料凭借优异的发光性能以及低毒性、生物相容性好、尺寸可调、稳定性好、无光漂白和光降解、自体荧光背景弱等优点在生物温度探测领域展现出了巨大的应用价值。

近日,西北大学光子所郭崇峰教授与河北大学物理学院索浩博士结合近年团队的研究工作,进一步总结了国内外相关最新研究动向,着重总结了基于热耦合能级的荧光强度比测温技术的性能优化和生物应用。相关结果发表在Laser & Photonics Reviews(DOI: 10.1002/lpor.202000319),河北大学索浩博士为第一作者,西北大学郭崇峰教授为通讯作者。

该综述从测温性能优化和潜在生物应用两个方面深入浅出地介绍了基于热耦合能级的荧光强度比测温技术。作为衡量温度传感器优劣的关键参数,测温灵敏度的不断优化是温度探测领域的永恒目标,但是灵敏度的大小受到很多因素的制约。本文首次系统的总结了测温灵敏度的影响机制和优化途径,包括调控热耦合能级的间隔、纳米材料的形貌尺寸、基质的声子能量和局域晶体场强度、以及掺杂离子浓度等,为荧光测温材料的性能优化提供了新思路。该综述进一步介绍了近红外响应的荧光测温纳米材料在生物医学领域的应用,包括细胞/组织温度探测、癌症的早期诊断、以及可控光热治疗等。该综述也对荧光测温领域面临的挑战及未来的发展方向做出深入思考和前瞻性展望,这一工作为光学测温的性能优化以及生物应用提供了全新的思路,从而有望为个性化生物医学提供一种高效、低毒和低损的癌症诊疗方案,将对物理、化学、材料和生物医学领域的交叉研究产生重要的指导意义。