CN101611298A - 以高分辨率感测显微电子器件和生物体中的温度和温度分布 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种以＜1μm的分辨率测量物体中的温度和/或温度分布的方法以及用于实施该方法的装置，更特别地涉及一种实施该方法的显微镜。该方法包括在物体上施加被埋入基体层中的分子温度计，用所述显微镜的光源光激发所述的分子温度计以及用所述显微镜的两个光电探测器测量来自所述分子温度计的射线发射。通过所述第一探测器测量在第一波长处的第一强度，通过所述第二探测器测量在第二波长处的第二强度，计算所述强度比并将其用于利用校准曲线来确定温度，所述显微镜是共焦显微镜或受激发射损耗(STED)显微镜。

Description

以高分辨率感测显微电子器件和生物体中的温度和温度分布
本发明涉及一种以＜1μm的分辨率测量物体中的温度和/或温度分布的方法以及用于实施该方法的装置，更特别是涉及一种用于实施该方法的显微镜。
例如在生物体检查或在制造半导体及其它电子器件中，对于微观目标的精确测量和高速热瞬态记录是关键的。在集成电路的热管理中，在工作中的电子器件的温度和/或温度分布的测量是重要的。更重要的是，这种测量应当给出关于了解器件物理学的信息，然后该信息可促进优化过程。在过去，已经有致力于模型化以及有工作器件中空间及瞬时温度分布的实验记录，迄今为止报道的两种光学记录方法是红外线热显微镜和光发射显微镜与拉曼光谱显微镜的组合(G.Albright，J.Stump，C.Li，Quantum Focus Ins.Corp.and H.Kaplan，Honeyhill Technical Company，Highlights，2006；T.Fuyuki，K.Kitajima，H.Yano，T.Hatayama，Y.Uraoka，S.Hashimoto，Y.Morita，Thin Solid Films 487，216-220，2005；Y.Uraoka，K.Kitajima，H.Kirimura，H.Yano，T.Hatayama，T.Fuyuki，JapaneseJournal of Applied Physics 44，2895-2901，2005；S.Inoue，M.Kimura，T.Shimoda，Japanese Journal of Applied Physics 42，1168-1172，2003；A.Sarua，H.Li，M.Kubal，M.J.Uren，T.Martin，K.P.Hilton，R.S.Balmer，CS Mantech，Apr.24-27，2006，Vancouver，British Columbia，Canada；J.W.Pomeroy，M.Kubal，M.J.Uren，K.P.Hilton，R.S.Balmer，T.Martin，Applied Physics Letters 88，023507，2006)。
所报道的这些方法没有一个能够达到在全部三维即x、y和z方向上的高物理空间分辨率与快速检测和高温分辨率的组合。典型地，在先前技术中在x，y-平面上焦点对准所达到的分辨率在1-10μm范围内，而在z方向，即沿着光程对于给定目标的分辨率是x-y分辨率的两倍。
因此，本发明的一个目的是提供一种以高空间和瞬时分辨率测量温度和/或温度分布的方法和装置。更特别是，本发明的一个目的是提供x-y分辨率≤300nm并且z-分辨率为10-40nm的测量温度和/或温度分布的方法和装置。
所有这些目的都通过以＜1μm的分辨率测量物体例如电子器件或生物体中的温度和/或温度分布的方法而得到了解决，所述方法包括以下步骤：
a)提供物体，
b)在待测量温度和/或温度分布的所述物体或所述物体的部分表面上施加温度计层，所述温度计层包括基体和具有温度依赖性的发射特性的分子温度计，所述分子温度计被埋入所述的基体中，所述温度计层的厚度≤40nm，，优选为10nm-40nm，
c)提供具有光源、第一探测器、第二探测器以及用于接收并扫描待检查样品的显微镜载物台，
d)将所述物体放置在所述显微镜载物台上并利用所述光源光激发所述的分子温度计，
e)通过采用所述第一和第二探测器测量发光强度比来测量来自所述光激发的分子温度计的射线发射，其中所述发光强度比是在第一和第二波长处的发光强度的比值，其中分别使用所述第一和第二探测器来测量在所述第一和第二波长处的发光强度，
f)基于所述测量的发光强度比来确定温度和/或温度分布。
在一种实施方式中，所述显微镜是共焦显微镜或受激发射损耗(STED)显微镜。
在一种实施方式中，所述分子温度计选自金属卟啉、对于＞1％的激发单重态、优选＞50％的激发单重态、更优选＞90％的激发单重态，在光激发下发生系间窜越的其它分子(例如含溴的分子)以及在其结构中具有例如Ir、Pt、Ru或Pd或其它如Zn、Fe、Au、Ag等并且对于＞1％的激发单重态、优选＞50％的激发单重态、更优选＞90％的激发单重态在光激发下发生系间窜越的金属有机分子。
优选地，所述分子温度计是金属卟啉，优选地选自八乙基卟啉锌(ZnOEP)、八乙基卟啉钯(PdOEP)及八乙基卟啉铂(PtOEP)。
在一种实施方式中，所述分子温度计以相对于所述基体的总重量，0.001-5wt.％，优选为0.01-3wt.％范围的浓度存在于所述温度计层中。
在一种实施方式中，所述基体是光学透明的。
在一种实施方式中，所述基体是惰性的。
在一种优选实施方式中，所述基体是光学透明的并且是惰性的，其中优选所述光学透明的并且惰性的基体是聚合物基体，并且其中，优选所述聚合物基体是由选自聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚硅氧烷例如聚(二甲基硅氧烷)(PDMS)、聚烯烃例如聚乙烯、聚丙烯的材料制造的。
在一种优选实施方式中，可以是聚合物基体或可以是非聚合物基体的所述基体含有无机氧化物或氮化物。
在一种优选实施方式中，所述聚合物基体含有无机氧化物或氮化物。
在一种优选的实施方式中，步骤b)是通过选自旋涂、浸涂、滴铸(drop casting)、刮片法、Langmuir-Blodgett技术、喷涂、热蒸发、分子束沉积、层合和粘合例如胶合的方法来进行的。
在一种优选的实施方式中，所述温度计层是多层结构并且包括至少两个亚层，其中每个亚层优选地具有不同浓度的所述分子温度计。
优选地，在所述物体上没有施加分子加热器层来确定所述物体的温度和/或温度分布。
在此使用的“分子加热器”是指在电磁辐射的照射和吸收下产生极大过剩能量的物质，其包括任何元素物质、化合物或化合物和/或元素物质的混合物。
在一种优选实施方式中，在步骤d)中，所述光激发是通过连续激发或脉冲激发来进行的，其中，优选地所述光激发发生在400-600nm波长范围内。
在一种优选实施方式中，根据本发明方法还包括校准步骤：
当施加到基底时，通过以下方法对所述温度计层进行校准：
-光激发所述温度计层，
-在至少两个不同的温度下测量来自所述温度计层的发光强度比
-利用测量所述温度的外部装置测量所述的至少两个不同的温度，以及
-将每个所测量的发光强度比与其相应的温度关联，
其中所述校准步骤是在如上所述的光激发所述的分子温度计的步骤(步骤d)之前进行的。
优选地，所述校准步骤是独立于以上所述任何步骤而进行的。
在一种优选的实施方式中，发光强度比是在所述第一波长处的荧光强度(优选地包括延迟荧光强度例如三重态-三重态湮灭过程之后的延迟荧光)与在所述第二波长处的磷光强度之比。
在一种优选的实施方式中，所述发光强度比是在所述第一波长处所述分子温度计的单重态荧光强度(任选地包括三重态-三重态湮灭过程之后的延迟荧光)与在所述第二波长处来自所述分子温度计的激发三重态的磷光强度之比(I单重态/I三重态)。
在一种优选的实施方式中，所述分子温度计是PdOEP，并且所述发光强度比是I549nm/I662nm。
在一种优选的实施方式中，在垂直于所述显微镜光束的平面内所达到的分辨率为＜500nm，优选为＜300nm，更优选为＜200nm，还更优选为＜100nm，而在沿所述显微镜光束的方向上所达到的分辨率为＜500nm，优选为＜50nm，更优选为＜20nm以及最优选为大约10nm。
通过用于实施本发明方法的显微镜也可解决本发明的目的，其包括：
-光源，例如激光器、激光二极管、发光二极管，
-用于测量发光强度比的第一和第二探测器，所述发光来源于分子温度计层，
-用于接收并扫描待检查样品的显微镜载物台，
-被放置在所述显微镜载物台上并具有温度计层施加到其上的物体，由此当所述温度计层被来自所述光源的光束光激发时发光。
优选地，根据本发明的显微镜是共焦显微镜或受激发射损耗(STED)显微镜。
在此使用的“温度计层”意思是指含有聚合物基体并且其中埋入了分子温度计的层。在此使用的“分子温度计”意思是指一种分子物种或具有温度依赖性的发射特性的几种分子物种在一起的组合。术语“分子温度计”是指包括其荧光和/或磷光发射强度特性是温度依赖性的任何元素物质、化合物或化合物和/或元素物质的混合物。优选地，“分子温度计”的激发态寿命在ps至μs范围内。分子温度计的优选实施方式是选自以下的染料或染料组合：金属卟啉，在此有时也被称为“金属化卟啉”，对于＞1％的激发单重态、优选＞50％、更优选＞90％，在光激发下发生从单重态到三重态的系间窜越的分子、以及在其结构中具有Ir、Pt、Ru或Pd或其它如Zn、Fe、Au、Ag等并且对于＞1％的激发单重态、优选＞50％、更优选＞90％，在光激发下发生系间窜越的金属有机分子。通常，作为分子温度计，可采用具有热活化带的任何发射性染料或至少两种发射性染料的任何组合，其发射强度随温度而变化。
特别优选的分子温度计是金属化卟啉(MOEP)，其中所述金属选自Pt、Pd、Zn、Ir及Ru、Fe、Mg、Co、Ni等。对于这些分子，温度相关发光强度比是在所述第一波长处来自所述卟啉分子的单重态的荧光强度，任选地包括三重态-三重态湮灭过程之后的延迟荧光与在所述第二波长处来自所述卟啉分子的激发三重态的磷光强度之比(I单重态/I三重态)。
根据本发明的优选实施方式，其中埋入了分子温度计的基体是光学透明和/或惰性的，优选为光学透明的并且是惰性的。当在此关于基体使用术语“光学透明的”时，意欲表示在被埋入该基体中的分子温度计的发射波长范围内该基体是透明的。优选地，在此使用的术语“光学透明的”意思是是指在500nm-1500nm范围内是透明的。当在此关于基体使用术语“惰性的”时，意欲表示该基体是化学惰性的，即它不发生化学反应。优选地该术语“惰性的”意思是指基体与被埋入该基体中的分子温度计不发生化学反应的事实，因此，优选在此使用的术语“惰性的”与“对于分子温度计是化学惰性的”同义。
“在光激发下发生系间窜越的分子”意思是指这样的分子，其中出现了不同多重态之间的分子内无辐射跃迁，该跃迁被称为系间窜越(ISC)，在我们特定的例子中是S-＞Tn。特别是，在光激发下，发生受激电子从单重态到三重态的迁移。如果在上下文中，关于发生该系间窜越的百分数量(对于“＞x％的激发单重态)″，意思是指发生该系间窜越迁移的单重态的电子百分数。那么，如果＞1％激发单重态发生系间窜越(ISC)，这是指所有处于激发单重态的电子的＞1％窜越到三重态。
在此使用的“三重态-三重态湮灭过程”意思是指这样的过程，其中都处在三重态的两种温度计分子相互作用(通常在碰撞下)而产生一种处于激发单重态的分子及另一种处在其基态的单重态分子。这经常，但不总是，紧接着延迟荧光。
因此，在本发明的优选实施方式中，发光强度比是在所述第一波长处所述分子温度计的单重态荧光强度(其可能是延迟荧光和快速荧光的混合)与在所述第二波长处所述分子温度计的激发三重态磷光强度之比。荧光强度可以是延迟荧光和快速荧光的混合。优选地，延迟荧光是三重态-三重态湮灭过程之后的延迟荧光。在此使用的术语“快速荧光”是一种没有延迟的荧光。
如果对于＞50％的激发单重态Sn发生系间窜越到三重态Tn，那么这就确保了很高数量三重态水平Tn，从中检测到作为荧光的发射。如上所述，三重态-三重态湮灭过程之后是可产生延迟荧光的内部上转换。在本发明的注释中，延迟荧光发生在第一波长处，而磷光发生在第二波长处，并且其各自的强度是分别通过第一和第二探测器来探测的。
原则上，可参照图1来描述各自的过程，该图显示了根据本发明作为分子温度计例子的八乙基卟啉钯(PdOEP)的能量图解和分子结构。原理如下：在分子的单重态波段吸收光子之后，由于有效的系间窜越(ISC)(在该分子中＞90％)，其因自旋轨道耦合到分子的金属中心而极大增强，分子的长寿命三重态T1数量极大地增加。三重态可被视为用于后继的能量转移的储备激发态。由于受激的温度计分子其自身之间的三重态-三重态湮灭(TTA)过程，一种温度计分子返回基态，而另一种温度计分子被激发到更高的单重态。从三重态到基态的发射弛豫是磷光现象，而可探测到的自较高单重态的发射驰豫是延迟荧光。
本发明人已经惊奇地发现有可能在物体上施加温度计层并且有可能利用高分辨率显微镜方法来研究该物体以及由此能够以空前的高精确度、高瞬时分辨率及高空间分辨率测量该物体中或其上的温度和/或温度分布。与以前的方法相反，不需要独立的分子加热层，并且该方法不依赖于拉曼光谱显微镜或红外热显微镜。与本发明结合使用的优选显微镜方法是共焦显微镜方法和受激发射损耗(STED)显微镜方法。
在典型的STED显微镜方法中，激发光束与能够通过受激发射使荧光团去激发的环状光束重叠。光束调准装置(co-alignment)确保了允许荧光只处于其中环状光束接近于0的激发地点的中心区域中。用缩窄的光点扫过样品易于产生超衍射图像。在足够强的环状物下，原则上STED显微镜的荧光点可被激化而尖锐到分子尺度(参见例子Wilig等人，2006，Nature Vol.440，p.935-939)。
可通过与常规落射荧光显微镜相比较来说明共焦显微镜的原理。在常规落射荧光显微镜中，较短波长激发光被色反射镜反射通过物镜并且使整个样品沐浴在相当均匀的照明中。色反射镜具有反射短波长光和传输长波长光的性能。所发射的荧光(例如比激发光更长的波长)从样品通过并直接通过色反射镜到目镜。
在共焦成像系统中，将单个激发光点(或有时一组点或狭缝)扫过整个样品。该点是样品上的衍射受限点并且是通过位于共轭焦面的照明孔对样品成像或更通常是由聚焦平行激光束而产生的。在仅单点照明下，由于光束集中于一点并分叉，在焦点平面之上和之下的照明强度迅速下降，由此减少了正被检测的对位于焦点平面之外的干涉物体的发光的激发。照明光(即信号)通过分色反射体(镜)返回，然后通过位于共轭焦平面中的针孔小孔到样品。从远离照明点附近区域发出的任何光线将被该小孔阻断，由此提供了对焦点外干涉的更进一步的减弱。利用光电探测器来探测通过成像针孔的光线。通常采用计算机来控制样品的顺序扫描和收集图像用于显示到视频监视器上。大多数共焦显微镜被用作与常规显微镜连接的成像系统。
总之，共焦成像系统通过以下两个策略来达到拒绝焦点外光线的目的：a)用聚焦的光束在任何一个时间照射单个样品点，以使在焦点平面之上和之下的照明强度迅速地减小，以及b)通过采用阻断样品的共轭焦平面中的针孔以使从远离被照射的样品中的点发出的光被阻断而不会达到该探测器。共焦成像可在有利的情形下(小的针孔尺寸，明亮的样品)提供另一优点，所得的分辨率能够比常规操作的显微镜的分辨率高1.4倍。
能够以反射方式来使用共焦显微镜，并且其显示出相同的拒绝焦点外光线的性能。
在本发明方法和显微镜的优选实施方式中，使用激光器作为光源。此外，优选样品的光学切面可以通过利用样品扫描载物台进行扫描而得到。更优选地，该样品扫描载物台是压电驱动的载物台。该载物台沿x-y方向(x-y扫描)以扫描模式以微距移动。此外，增加了显微镜载物台的z-动力化，使得z-扫描能够进行并由此得到样品的一系列光学切面。此外，优选地，将雪崩光电二极管用作探测器。为了保证每个探测器对于特定波长是特异性的，每个探测器具有用于将要被该特异性的探测器探测的特定波长的干涉滤光片。可替代地，也可用光电倍增管代替雪崩光电二极管。
在本发明方法的优选实施方式中，该方法包括附加的校准步骤，其中采用了用于测量温度的外部装置。该用于测量温度的外部装置是例如安装在覆盖有温度计层的物体顶部上的热电偶PT-100(如NTBSensordatenbank/Labor Elektronische Messsysteme中所述；Sensor No.03，Seiten 1-3；Baumgartner；在市场上由例如Endress+Hauser，Switzerland可购得)。然后将该物体在宏观上加热。在一种实施方式中，在校准步骤期间，各自的发光强度比与其被测量的相应温度相关联。该相互关系可被表示为由光激发分子温度计测得的发光强度比与测得温度的关系图。对于本领域技术人员显而易见的是，由该操作结果得到了可被称为“校准曲线”的图。同样地，可由适当的数学公式表示相同的信息，例如在某些情形中用线性方程式y＝mx+b表示。无论如何，对于本领域技术人员显而易见的是由该关系所得的信息允许试验内推或外推并且能够由光激发分子温度计测得的任何发光强度比来确定温度。同样地，对于本领域技术人员显而易见的是，所得数据可以不必具有线性关系，但是，为了简单化，已经给出该例子来举例说明该相关步骤的目的。
通过使用温度计层，在没有特定加热器层的条件下，结合该高分辨率显微镜检查技术，有可能得到只受衍射限制的x，y-平面空间分辨率并且其可低至＜200nm，取决于数值小孔和激发光源波长。此外，在z-方向上所得分辨率完全取决于温度计层厚度并且是在10nm-40nm范围内。此外，本发明达到的灵敏度是0.25K或更好，所得响应时间短至100ns。由于该温度计层可被埋入多层结构中，并且由于甚至有多于一个温度计层被放置在待测物体内的不同深度，还可得到温度/温度分布的三维图像和测量值。
该方法不依赖于光源强度变化，因为测得了发光强度比，其使得根据本发明的温度测量方法非常强大。
以下参考了附图，其中
图1显示了作为活性温度计分子例子的八乙基卟啉钯(PdOEP)的能量图解和分子结构，
图2显示了一种温度计层的校准曲线，该温度计层在聚苯乙烯基体中含有1wt.％PdOEP，薄膜厚度为40nm，激发光功率为0.8-10mW，该内插图显示不同温度的发射光谱；
图3显示了一种根据本发明的共焦显微镜装置的机构示意图，根据本发明其具有两个探测器来测量发光强度比。
此外，参考了以下给出的用来举例说明的实施例，它们不是对本发明的限制。
实施例1
温度计层
在一种实施方式中，活性温度计层由以极低浓度分散于惰性基体薄膜(聚苯乙烯、PS、或聚甲基丙烯酸甲酯、PMMA或其它如果合适的)中的金属化卟啉分子(MOEPs)构成。这些分子具有强的温度依赖性的延迟荧光，这是基于其导致内部上转换的强温度依赖性三重态-三重态湮灭[S.Baluschev，F.Yu，T.Miteva，S.AhI，A.Yasuda，G.Nelles，W.Knoll，G.Wegner，Nano Letters 5，2482-2484，2005；S.Baluschev，T.Miteva，V.Yakutkin，G.Nelles，A.Yasuda，G.Wegner，Physical Review Letters，man.LS 10048，in print，2006.]，并且在室温和高于室温下具有高发光效率。这些是使它们成为适用于在具有以下特征的薄多层结构中进行原位实时温度检测的发光系统的两个主要特征：
·比率响应-确保其与光源强度变化无关
·在x-y方向空间分辨率受限的衍射(此时我们具有200nm NA 1和405nm激发光源)并且在z方向降低到10nm(温度计层厚度)
·灵敏度0.25K或更好
·短响应时间-100ns
·在多层结构中工作同样好
作为温度计层，本发明人采用厚度为10-40nm，浓度为0.1-3wt％的ZnOEP、PdOEP或PtOEP于PS或PMMA中，将其包含于多层结构中。作为激发光源，采用405nm cw(连续波)或脉冲激光二极管。对共混聚合物MOEP的发射光谱进行时域积分，当采用cw或高频脉冲时，长于其激发三重态寿命。
在将MOEP分子激发之后，所产生的单重态经系间窜越被转移到激发三重态，由于中心金属原子的影响而大大地增加了。分子能量图和三重态-三重态湮灭过程以及作为例子的PdOEP分子结构被描绘在图1中。由于包括ISC和TTA过程，因此在RT处的发射光谱包括红移强烈的Pd和PtOEP以及有效的磷光和极低的绿荧光。
图1显示了作为活性温度计分子例子的PdOEP能量图解和分子结构。
升高温度，可观察到荧光发射增强(图2，内插图)。在上述非动态激发体制中，归因于单重态(DF)-三重态(磷光)强度以线性方式与温度数量成比例。
在图2中，显示了对于每点20ms积分时间和在10μm照射的点上不同激发功率的校准曲线。温度计大环是以40nm厚度混合在PS层中的PdOEP。对于该校准，样品被宏观加热并且通过校准过的热电偶来测量表面(PS薄膜)温度。显示了对于293-400K之间的温度，所测得的荧光强度I单重态(I 549)(参见插图2)与所测得的磷光强度峰值I三重态(I662)之比。
图2显示了以浓度1wt.％混入聚苯乙烯中的PdOEP的校准曲线。薄膜厚度为40nm。功率为0.8-10mW。对于更多的细节，参见正文。内插图：在不同温度下的发射光谱。
对于给定的探测激光强度、样品结构(厚度、大环及其浓度)和积分时间，比值I单重态/I三重态的可重复指数依赖性非常好。对于给定浓度为1wt％的温度计分子和20ms积分时间，该比值不取决于针对所研究的温度间隔的探测激光功率。精确度为0.1-0.25K，其取决于大环。
实施例2
图3显示了根据本发明的共焦显微镜的一种实施方式的示意图，其中所述样品是其温度或温度分布将被测量并且其上施加有温度计层的物体。重要的是要注意到该共焦装置具有两个探测器来探测发光强度比。
每个探测器具有可选择性地检测特定波长的干涉滤光片。此外，该装置具有样品扫描载物台，其优选为具有高频率的压电驱动载物台，这与大多数市售荧光共焦显微镜相反，例如莱卡、蔡司、奥林巴斯)，高数值非浸没物镜或浸没物镜帮手，在检测装置入口截止激发波长的陷波或流线式截止滤波器，该检测装置具有相应于两个探测器待检测的波长的二色分光镜(二色镜)和两个探测器(优选为雪崩光电二极管)，每个探测器具有只让所需波长或波长范围(例如一种绿色或一种红色，例如分别为549nm和662nm)通过的干涉滤光片，用于控制扫描载物台的计算机(非必须选择扫描载物台)，光源和检测装置，其具有控制和收集来自探测器的数据的软件。该光源可以是例如激光器、激光二极管或发光二极管，对于其没有限制。
说明书、权利要求书和/或附图中所公开的本发明特征可以是独立地或以其任意组合方式地是由此实现本发明各种形式的材料。

Claims (24)

1.一种以小于1μm的分辨率测量物体例如电子器件或生物体中的温度和/或温度分布的方法，所述方法包括以下步骤：
a)提供物体，
b)在待测量温度和/或温度分布的所述物体或所述物体的部分表面上施加温度计层，所述温度计层包括基体和具有温度依赖性的发射特性的分子温度计，所述分子温度计被埋入所述的基体中，所述温度计层的厚度≤40nm，，优选为10nm-40nm，
c)提供具有光源、第一探测器、第二探测器以及用于接收并扫描待检查的样品的显微镜载物台，
d)将所述物体放置在所述显微镜载物台上并利用所述光源光激发所述的分子温度计，
e)通过采用所述第一和第二探测器测量发光强度比来测量来自所述光激发的分子温度计的射线发射，其中所述发光强度比是在第一和第二波长处的发光强度的比值，其中分别使用所述第一和第二探测器来测量在所述第一和第二波长处的发光强度，
f)基于所述测量的发光强度比来确定温度和/或温度分布。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述显微镜是共焦显微镜或受激发射损耗(STED)显微镜。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其中所述分子温度计选自金属卟啉、对于＞1％的激发单重态、优选＞50％的激发单重态、更优选＞90％的激发单重态，在光激发下发生系间窜越的其它分子例如含溴的分子以及在其结构中具有例如Ir、Pt、Ru或Pd或其它如Zn、Fe、Au、Ag等并且对于＞1％的激发单重态、优选＞50％的激发单重态、更优选＞90％的激发单重态，在光激发下发生系间窜越的金属有机分子。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述分子温度计是金属卟啉，优选地选自八乙基卟啉锌(ZnOEP)、八乙基卟啉钯(PdOEP)和八乙基卟啉铂(PtOEP)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述分子温度计以相对于所述基体的总重量，0.001-5wt.％，优选地0.01-3wt.％范围的浓度存在于所述温度计层中。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述基体是光学透明的。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述基体是惰性的。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述基体是光学透明的并且是惰性的。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述光学透明的并且惰性的基体是聚合物基体。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述的聚合物基体是由选自聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚硅氧烷例如聚(二甲基硅氧烷)(PDMS)、聚烯烃例如聚乙烯、聚丙烯的材料制造的。
11.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其中所述基体含有无机氧化物或氮化物。
12.根据权利要求9-10中任一项所述的方法，其中所述基体含有无机氧化物或氮化物。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中步骤b)是通过选自旋涂、浸涂、滴铸、刮片法、Langmuir-Blodgett技术、喷涂、热蒸发、分子束沉积、层合和粘合例如胶合的方法来进行的。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述温度计层是多层结构并且包括至少两种亚层，其中每个亚层优选地具有不同浓度的所述分子温度计。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述物体上没有施加分子加热器层来确定所述物体的温度和/或温度分布。
16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在步骤d)中，所述光激发是通过连续激发或脉冲激发来进行的。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述光激发发生在400-600nm的波长范围内。
18.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括校准步骤：
当施加到基底时，通过以下方法对所述温度计层进行校准：
-光激发所述温度计层
-在至少两个不同的温度下测量来自所述温度计层的发光强度比
-利用测量所述温度的外部装置测量所述的至少两个不同的温度，以及
-将每个所测量的发光强度比与其相应的温度关联，
其中所述校准步骤是在如权利要求1中所述的光激发所述的分子温度计的步骤(步骤d)之前进行的。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述校准步骤是独立于权利要求1中所述的任何步骤而进行的。
20.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述发光强度比是在所述第一波长处的荧光强度(优选地包括延迟的荧光强度，例如三重态-三重态湮灭过程之后的延迟荧光)与在所述第二波长处的磷光强度之比。
21.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述发光强度比是在所述第一波长处所述分子温度计的单重态荧光强度(任选地包括三重态-三重态湮灭过程之后的延迟荧光)与在所述第二波长处来自所述分子温度计的激发三重态的磷光强度之比(I单重态/I三重态).。
22.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述分子温度计是PdOEP，并且所述发光强度比是I549nm/l662nm。
23.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在垂直于所述显微镜光束的平面内所达到的分辨率为＜500nm，优选为＜300nm，更优选为＜200nm，还更优选为＜100nm，而在沿所述显微镜光束的方向上所达到的分辨率为＜500nm，优选为＜50nm，更优选为＜20nm以及最优选为大约10nm。
24.一种用于实施根据权利要求1-23中任一项所述的方法的显微镜，其包括：
-光源，例如激光器、激光二极管、发光二极管，
-用于测量发光强度比的第一和第二探测器，所述发光来源于分子温度计层，
-用于接收并扫描待检查样品的显微镜载物台，
-被放置在所述显微镜检查载物台上并具有温度计层施加到其上的物体，由此当所述温度计层被来自所述光源的光束光激发时发光。
25根据权利要求24所述的显微镜，它是共焦显微镜或受激发射损耗(STED)显微镜。
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Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102213840A (zh) * 2011-05-26 2011-10-12 浙江大学 基于透明介质小球的暗斑产生方法及装置
CN102226855A (zh) * 2011-05-26 2011-10-26 浙江大学 基于透明介质小球的三维超分辨聚焦方法及装置
CN104713651A (zh) * 2015-03-06 2015-06-17 中国电子科技集团公司第十三研究所 一种高空间分辨力及高时间分辨力的红外热成像测温方法
CN104854451A (zh) * 2012-10-09 2015-08-19 犹他大学研究基金会 用荧光监测温度
CN104885249A (zh) * 2012-12-28 2015-09-02 出光兴产株式会社 有机电致发光元件
CN105547516A (zh) * 2016-01-07 2016-05-04 复旦大学 激光泵浦上转换荧光测温系统
CN108827480A (zh) * 2018-04-11 2018-11-16 山东师范大学 一种基于磷光发射的抗氧干扰温度传感器
CN110108683A (zh) * 2019-05-08 2019-08-09 哈尔滨工业大学 一种用于溶氧含量检测的比率氧传感膜的制备方法
CN110736562A (zh) * 2019-10-24 2020-01-31 哈尔滨工业大学 比率氧传感膜在温度检测中的应用

Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5444747B2 (ja) * 2009-02-17 2014-03-19 ソニー株式会社 カラー撮像素子およびその製造方法ならびに光センサーおよびその製造方法ならびに光電変換素子およびその製造方法ならびに電子機器
US9010294B2 (en) * 2010-04-13 2015-04-21 Federal-Mogul Ignition Company Corona igniter including temperature control features
DE102010028138A1 (de) 2010-04-22 2011-10-27 MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. Bestimmen der Verteilung einer Substanz durch Abtasten mit einer Messfront
US8919191B2 (en) 2010-10-26 2014-12-30 Alma Mater Studiorum—Universita' di Bologna Use of a coordination complex or compound for the measurement of temperature
IT1402709B1 (it) * 2010-10-26 2013-09-18 Univ Parma Uso di un complesso o composto di coordinazione per la misurazione di temperature.
IT1402708B1 (it) * 2010-10-26 2013-09-18 Univ Bologna Alma Mater Uso di un complesso o composto di coordinazione per la misurazione di temperature.
WO2012144895A1 (en) 2011-04-20 2012-10-26 Rijksuniversiteit Groningen Measuring a spatio-temporal temperature profile of an object
US9618399B1 (en) * 2012-09-26 2017-04-11 Analog Devices, Inc. Frequency correction of oscillators and related apparatus and methods
ES2558733B1 (es) * 2014-08-05 2016-11-16 Universitat Rovira I Virgili Dispositivo y método para medida remota de temperatura
EP3271411B8 (de) 2015-03-17 2024-02-14 Covestro Deutschland AG Silangruppen enthaltende polyisocyanate auf basis von 1,5-diisocyanatopentan
KR101519317B1 (ko) * 2015-03-27 2015-05-18 한양대학교 산학협력단 온도센서 및 그 제조방법
KR20180117120A (ko) * 2016-03-14 2018-10-26 아나로그 디바이시즈 인코포레이티드 피부 유형 및 상태의 광학적 평가
CN105841844B (zh) * 2016-03-24 2018-07-24 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种分子束外延中标定衬底表面实际温度的方法
JP6792785B2 (ja) * 2016-05-23 2020-12-02 コニカミノルタ株式会社 発光性分子集合体とその発光方法
CN109813435B (zh) * 2018-12-29 2020-07-07 中国电子科技集团公司第十三研究所 静态光反射显微热成像方法、装置及终端设备
US11359976B2 (en) * 2020-10-23 2022-06-14 Accelovant Technologies Corporation Multipoint surface temperature measurement system and method thereof

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4819658A (en) * 1982-02-11 1989-04-11 American Telephone And Telegraph Company, At&T Bell Laboratories Method and apparatus for measuring the temperature profile of a surface
JPS60250640A (ja) * 1984-05-28 1985-12-11 Hitachi Ltd 蛍光による温度測定装置
US5283433A (en) * 1992-10-05 1994-02-01 The Regents Of The University Of California Scanning confocal microscope providing a continuous display
US5653539A (en) * 1994-05-02 1997-08-05 Rosengaus; Eliezer Method and apparatus for remotely measuring the temperature of a surface
US6004530A (en) * 1996-06-04 1999-12-21 Roche Diagnostics Gmbh Use of metallo-porphyrin conjugates for the detection of biological substances
EP1155480A1 (en) * 1998-12-23 2001-11-21 Brown University Research Foundation Temperature dependence of laser emission from scattering media containing laser dye
US20020110180A1 (en) * 2001-02-09 2002-08-15 Barney Alfred A. Temperature-sensing composition
US6648506B2 (en) * 2001-09-07 2003-11-18 Board Of Trustees Of Michigan State University Fluorescence emission ratio imaging thermography for use in heat transfer analysis
US20060274813A9 (en) * 2002-06-06 2006-12-07 Wei Chen Nanoparticle thermometry and pressure sensors
DE60224267T2 (de) * 2002-08-14 2009-01-08 MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. Verfahren zur Bestimmung der Temperatur eines Systems
US7038848B2 (en) * 2002-12-27 2006-05-02 Olympus Corporation Confocal microscope
US7563748B2 (en) 2003-06-23 2009-07-21 Cognis Ip Management Gmbh Alcohol alkoxylate carriers for pesticide active ingredients
US7198730B2 (en) * 2003-08-28 2007-04-03 E. I. Du Pont De Nemours And Company Phosphorescent material
DE10340964A1 (de) * 2003-09-05 2005-03-31 Leica Microsystems Heidelberg Gmbh Lichtquelle mit einem mikrostrukturierten optischen Element
US7413341B1 (en) * 2004-08-16 2008-08-19 The Research Foundation Of State University Of New York Imaging methods
US8362431B2 (en) * 2005-03-15 2013-01-29 Mount Holyoke College Methods of thermoreflectance thermography
EP2067838B1 (en) * 2007-12-04 2013-04-10 Sony Corporation A medium for photon energy up-conversion
US8242263B2 (en) * 2008-04-08 2012-08-14 Sony Deutschland Gmbh Composition for photon-energy up-conversion

Cited By (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102226855A (zh) * 2011-05-26 2011-10-26 浙江大学 基于透明介质小球的三维超分辨聚焦方法及装置
CN102213840B (zh) * 2011-05-26 2012-11-14 浙江大学 基于透明介质小球的暗斑产生方法及装置
CN102226855B (zh) * 2011-05-26 2012-11-14 浙江大学 基于透明介质小球的三维超分辨聚焦方法及装置
CN102213840A (zh) * 2011-05-26 2011-10-12 浙江大学 基于透明介质小球的暗斑产生方法及装置
CN104854451B (zh) * 2012-10-09 2018-04-06 犹他大学研究基金会 用荧光监测温度
CN104854451A (zh) * 2012-10-09 2015-08-19 犹他大学研究基金会 用荧光监测温度
US10186665B2 (en) 2012-12-28 2019-01-22 Idemitsu Kosan Co., Ltd. Organic electroluminescent element
CN104885249B (zh) * 2012-12-28 2017-08-08 出光兴产株式会社 有机电致发光元件
CN104885249A (zh) * 2012-12-28 2015-09-02 出光兴产株式会社 有机电致发光元件
CN104713651B (zh) * 2015-03-06 2017-08-15 中国电子科技集团公司第十三研究所 一种高空间分辨力及高时间分辨力的红外热成像测温方法
CN104713651A (zh) * 2015-03-06 2015-06-17 中国电子科技集团公司第十三研究所 一种高空间分辨力及高时间分辨力的红外热成像测温方法
CN105547516A (zh) * 2016-01-07 2016-05-04 复旦大学 激光泵浦上转换荧光测温系统
CN105547516B (zh) * 2016-01-07 2019-11-12 复旦大学 激光泵浦上转换荧光测温系统
CN108827480A (zh) * 2018-04-11 2018-11-16 山东师范大学 一种基于磷光发射的抗氧干扰温度传感器
CN108827480B (zh) * 2018-04-11 2020-03-27 山东师范大学 一种基于磷光发射的抗氧干扰温度传感器
CN110108683A (zh) * 2019-05-08 2019-08-09 哈尔滨工业大学 一种用于溶氧含量检测的比率氧传感膜的制备方法
CN110108683B (zh) * 2019-05-08 2022-02-15 哈尔滨工业大学 一种用于溶氧含量检测的比率氧传感膜的制备方法
CN110736562A (zh) * 2019-10-24 2020-01-31 哈尔滨工业大学 比率氧传感膜在温度检测中的应用
CN110736562B (zh) * 2019-10-24 2021-11-23 哈尔滨工业大学 比率氧传感膜在温度检测中的应用

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