CN112322288B - 一种温度传感材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种温度传感材料及其制备方法和应用，所述温度传感材料包括均匀聚苯乙烯基底膜制备，CsPbBr3前驱液合成及CsPbBr3纳米晶体原位结合聚苯乙烯基底膜形成复合物层。所述温度传感材料的制备方法包括：获得聚苯乙烯基底材料，制备CsPbBr3前驱液，以及聚苯乙烯与CsPbBr3前驱液混合层，形成复合包裹层。本发明提供的温度传感材料具有荧光增强特性，可以实现温度的快速检测，方法快捷，灵敏度高，易于推广使用。
Description
技术领域
本发明涉及温度传感技术领域，具体涉及一种温度传感材料及其制备方法和应用。
背景技术
温度传感器，是表征物体的冷热程度并对其进行指示的器件，在科学研究、工农业生产及生命医学等领域有十分重要的应用，如高速流体检测、工业过程监控、生态环境监测、生物体单细胞温度测量等。发展具有较高温度分辨率，且能实现快速响应的温度传感器具有非常重要的意义。利用发光材料的荧光寿命、荧光强度、光谱宽度等发光行为随温度的变化而实现的温度传感，可以满足一些特定环境的测温要求，是一种非常有潜力的光学温度传感选择。
典型的荧光温度传感材料包括稀土离子和过渡金属离子掺杂的发光材料、量子点、有机染料分子等，如CdSe量子点荧光寿命的温度传感、卟啉铂类化合物掺杂CdSe@SiO2纳米颗粒的温度传感、Fe3O4@SiO2@(pNIPAM-co-RhBITC)Au 复合材料的活体细胞温度传感以及MOF染料复合材料的比率型温度传感等。
量子点与其它荧光温度传感材料相比，具有较高的荧光量子产率、较窄的半峰宽、发射光区可调及较好的抗光漂白性等优点而显示出良好的应用前景。但一般情况下，量子点的合成难度较大，通常需要在高温且在惰性气体的保护下完成，且量子点的表面缺陷、粒径尺寸及分布等显著影响其发光性能，如发射峰位置、半峰宽和稳定性等，并存在有明显的荧光闪烁现象。这些因素导致温度传感器精密度和准确度的下降，引起传感材料制备中批间重现性的波动。因此，现有的量子温度传感材料存在稳定性差，荧光传感性能不稳定以及温度传感特性不稳定的问题，故而研究荧光发射波长精确可调，发光性能稳定且对温度响应灵敏的温度传感材料具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有温度传感材料稳定性差、荧光传感性能不稳定以及温度传感特性不稳定的缺陷，提供一种荧光发射波长精确可调，发光性能稳定且对温度响应灵敏的温度传感材料。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种温度传感材料，其包括聚苯乙烯基底膜，所述聚苯乙烯基底膜的表面涂覆有CsPbBr3前驱液，从而所述CsPbBr3前驱液与所述聚苯乙烯基底膜结合形成复合层，所述CsPbBr3前驱液由CsBr与PbBr2制成。
可选地，所述聚苯乙烯基底膜的厚度为10μm-25μm。
可选地，所述复合层中，聚苯乙烯、PbBr2及CsBr的质量比为0.01g-0.1g:10 mg-50mg:5mg-20mg。
可选地，所述温度传感材料具有荧光特性，可以被波长范围450nm-520nm 的光激发并发射出荧光。
本发明还提供一种上述的温度传感材料的制备方法，其包括以下步骤：
步骤1：获得均匀的聚苯乙烯基底膜；
步骤2：按照质量比称取PbBr2与CsBr，加入到第一溶剂中形成CsPbBr3前驱液，之后将所述CsPbBr3前驱液均匀涂覆在步骤1制得的聚苯乙烯基底膜表面，再进行真空干燥处理，获得复合层。显而易见的，CsPbBr3前驱液的制备与步骤1不存在绝对的先后关系，可以是先配制前驱液，再制备聚苯乙烯基底膜，最后将所述前驱液涂覆在聚苯乙烯基底膜表面；也可以是先制备聚苯乙烯基底膜，再配制前驱液，最后将所述前驱液涂覆在聚苯乙烯基底膜表面。
可选地，所述步骤1中，聚苯乙烯基底膜的制备方法包括：将聚苯乙烯与第二溶剂均匀混合形成混合液后，将所述混合液涂覆在玻璃片表面，真空干燥得均匀的聚苯乙烯基底膜。
可选地，所述第二溶剂为甲苯，所述聚苯乙烯与甲苯的加量比例为，聚苯乙烯:甲苯＝0.01g-0.1g:0.5mL-3mL。
可选地，所述步骤2中，第一溶剂为二甲基酰胺或甲苯乙酸乙酯。
可选地，所述步骤2中，真空干燥的温度为30℃-100℃，烘干时间为0.5h -3h。
本发明还提供上述温度传感材料的应用，用于温度传感分析。
可选地，上述温度传感材料的应用包括：将所述温度传感材料制成薄膜并进行温度传感，固定激发波长，并采用外接电热控温器控制温度；在特定温度下，进行荧光变温光谱测定，在样品仓温度预设值达到所述特定温度后，保温 2min-10min后进行光谱采集；绘制荧光特性和温度的关系曲线，从而可以根据检测到的荧光特性得到温度数据。
最后，本发明还提供一种温度传感器，该温度传感器包括上述温度传感材料制成的薄膜，或者包括由上述温度传感材料的制备方法制备得到的薄膜。所述薄膜具有荧光特性，可以被波长范围450nm-520nm的光激发并发射出荧光，所述温度传感器根据荧光的检测情况获得温度数据。
采用上述技术方案后，本发明与背景技术相比，具有如下有益效果：
1、本发明提供的温度传感材料通过将CsPbBr3前驱液均匀涂覆在聚苯乙烯基底膜表面，有效提高了钙钛矿纳米晶材料的稳定性并且CsPbBr3前驱液与聚苯乙烯基底膜结合时形成复合层，该复合层的形成进一步增加温度传感材料整体的稳定性，扩大其可应用范围，实现温度快速传感，从而达到荧光发射波长精确可调，发光性能稳定，对温度的高灵敏度响应、快速传感分析的效果；
2、本发明提供的温度传感材料的制备方法，通过先制备出聚苯乙烯基底膜，然后在该聚苯乙烯基底膜表面涂覆CsPbBr3前驱液，使CsPbBr3纳米晶体原位结合聚苯乙烯基底膜形成复合层，形成复合包裹，通过该两步法，先制备钙钛矿前驱体溶液后形成钙钛矿纳米晶，更有利于钙钛矿纳米晶的稳定性提升，以及荧光性能的提升。同时该两步法制备出的复合薄膜更为均匀，在应用于温度传感时其可重复利用性能更好，对温度的响应更加灵敏；
3、本发明提供的温度传感材料可应用于温度传感器，具有温度快速传感的优势，其无需接触被观测对象，利用荧光特性的线性相关特征，即可快速对温度进行分析。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。
图1是本发明一个实施例提供的CsPbBr3@PS膜的实物图片；
图2是本发明一个实施例提供的CsPbBr3@PS膜的荧光变化图片；
图3是本发明一个实施例提供的CsPbBr3@PS膜表面的扫描电镜图；
图4是本发明一个实施例提供的材料CsPbBr3@PS膜的温度变化荧光变温光谱图表征图；
图5是本发明一个实施例提供的材料CsPbBr3@PS膜的40℃-65℃的温度响应变化线性范围图；
图6是本发明一个实施例提供的CsPbBr3@PS膜的稳定性情况考察；
图7是本发明一个实施例提供的CsPbBr3@PS膜的重现性情况考察。
具体实施方式
下面给出本发明中使用的部分术语的定义，其他未述及的术语具有本领域所公知的定义和含义：
本发明中，聚苯乙烯基底膜可以自制，也可以采用商业化产品。聚苯乙烯基底膜的厚度为10μm-25μm，优选为15μm-20μm。聚苯乙烯基底膜的制备方法优选为：将聚苯乙烯(Polystyrene，PS)与第二溶剂均匀混合形成混合液后，将所述混合液涂覆在玻璃片表面，真空干燥得均匀的聚苯乙烯基底膜。此处真空干燥的条件可以是60℃烘干1小时)。优选地，所述第二溶剂为甲苯，所述聚苯乙烯与甲苯的加量比例为，聚苯乙烯:甲苯＝0.01g-0.1g:0.5mL-3mL，该比例可以使聚苯乙烯溶解效果最好，得到均匀的混合液。所述第二溶剂还可以是乙酸乙酯。
本发明中，聚苯乙烯基底膜的表面涂覆有CsPbBr3前驱液，该CsPbBr3可以由PbBr2与CsBr合成得到。所述CsPbBr3前驱液的制备方法优选为：按照质量比称取PbBr2与CsBr，加入到第一溶剂中，均匀混合后形成CsPbBr3前驱液。优选地，所述第一溶剂为二甲基酰胺(DMF)，CsBr与PbBr2称取时的质量比为 PbBr2:CsBr＝10mg-50mg：5mg-20mg。所述第一溶剂也可以选用甲苯乙酸乙酯。
本发明中，涂覆在聚苯乙烯基底膜表面的CsPbBr3前驱液与所述聚苯乙烯基底膜结合形成复合层，也即CsPbBr3聚苯乙烯复合膜(CsPbBr3@PS膜)，其获得过程为：将CsPbBr3前驱液均匀涂覆在聚乙烯基底膜的表面后，真空干燥处理，获得复合均匀的复合层，也即CsPbBr3@PS膜。优选地，真空干燥的温度为30℃-100℃，烘干时间为0.5h-3h。所述复合层中，优选地，聚苯乙烯、PbBr2及CsBr 的质量比为：聚苯乙烯:PbBr2:CsBr＝0.01g-0.1g:10mg-50mg:5mg-20mg。
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。在下面的实施例中，如未明确说明，“％”均指重量百分比。
实施例1
聚苯乙烯(PS)基底膜的合成：
称取0.1g PS溶解于1mL甲苯中，制得PS甲苯混合溶液；用移液枪取100 μg所述PS甲苯混合溶液滴涂在石英玻璃片上；然后将该石英玻璃片移入真空干燥箱中，60℃烘干1h，即可得到均匀的聚苯乙烯基底膜。该聚苯乙烯基底膜在室温下成近透明状，在紫外灯下可见均匀淡蓝色发光。
实施例2
CsPbBr3前驱液的涂覆：
制备CsPbBr3前驱液：称取18.4mg溴化铅(PbBr2)，10.6mg溴化铯(CsBr)，溶解于1mLDMF溶液中，即可得到0.05M CsPbBr3前驱液。需要说明的是，
用棉签沾涂少许制得的CsPbBr3前驱液，快速均匀的涂抹在聚苯乙烯基底膜上，移入真空干燥箱，60℃烘干1小时，即可得到均匀的复合膜，也即CsPbBr3@PS 膜。图1示出了CsPbBr3@PS膜的实物图片；图2示出了CsPbBr3@PS膜的荧光变化图片；图3示出了CsPbBr3@PS膜表面的扫描电镜图；由图1-图3可以看出，CsPbBr3@PS膜结构完整，CsPbBr3@PS复合均匀。
实施例3
CsPbBr3@PS膜的温度响应测试：
使用荧光分光光度计(日立F-7100,日本)，设置激发波长为365nm，发射光谱采集范围为400nm-650nm，激发狭缝宽度为2.5nm，发射狭缝宽度为5.0nm，扫描速度为1200nm·min-1。温度控制装置使用F-7100高温粉末检测选配件 (TCB1402C)。
分别对30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、85℃、95℃下的CsPbBr3-PS膜进行光谱采集测试。具体可以是：采用外接电热控温器控制温度；在特定温度(30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、 65℃、70℃、75℃、85℃、95℃)下，进行荧光变温光谱测定，在样品仓温度预设值达到所述特定温度后，保温2min-10min后进行光谱采集；绘制荧光特性和温度的关系曲线，从而可以根据检测到的荧光特性得到温度数据。
图4示出了CsPbBr3@PS膜的温度变化荧光变温光谱图表征图，如图4所示，所述温度传感材料CsPbBr3@PS膜具有荧光特性，可以被波长范围450 nm-520nm的光激发并发射出荧光，本发明可以对温度具有较好的传感效果，且不同温度下峰的强度不同。图5示出了CsPbBr3@PS的40℃-65℃的温度响应变化线性范围图；经数据分析处理可知，40℃至65℃之间具有良好的线性。
实施例4
CsPbBr3@PS膜的热循环测试：
在线性范围内进行热循环测试，即40℃-65℃之间，测试三圈。每次升降温后均在目标温度保持稳定10分钟以上再进行光谱采集。图6示出了CsPbBr3@PS 的稳定性考察情况，参照图6所示，通过该稳定性考察证实了本方法所制备的膜在多次使用过程中，稳定性较好。
实施例5
CsPbBr3@PS膜重现性测试：
分别对40℃、50℃、60℃下的CsPbBr3@PS膜进行重现性测试，在目标温度稳定后连续采谱，验证传感器稳定性。图7是本发明一个实施例提供的 CsPbBr3@PS膜的重现性情况考察，图7中，三段重现性点集分别对应40℃、 50℃、60℃下的CsPbBr3@PS膜的重现性情况，可见，40℃下，CsPbBr3@PS膜的归一化强度在0.97附近波动，稳定性高，重现性好；50℃下，CsPbBr3@PS膜的归一化强度在0.75附近波动，稳定性高，重现性好；60℃下，CsPbBr3@PS 膜的归一化强度在0.55附近波动，稳定性高，重现性好；通过该重现性考察证实了本方法所制备的膜在多温度范围(如40℃、50℃、60℃)具有较好的重现性。需要说明的是，图6和图7中，各温度对应的归一化强度大小与图3和图4 不同，这是因为归一化时选取的一不同而导致的。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (10)
1.一种温度传感材料，其特征在于：包括聚苯乙烯基底膜，所述聚苯乙烯基底膜的表面涂覆有CsPbBr3前驱液，使CsPbBr3纳米晶体原位结合聚苯乙烯基底膜形成复合层，所述CsPbBr3前驱液由CsBr与PbBr2合成制得。
2. 根据权利要求1所述的温度传感材料，其特征在于：所述聚苯乙烯基底膜的厚度为10mm -25 mm；
所述复合层中，聚苯乙烯、PbBr2及CsBr的质量比为0.01 g-0.1 g : 10 mg-50mg :5mg-20 mg；
所述温度传感材料具有荧光特性，可以被波长为365nm的光激发并发射出荧光。
3.一种如权利要求2所述的温度传感材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：获得均匀的聚苯乙烯基底膜；
步骤2：按照质量比称取PbBr2与CsBr，加入到第一溶剂中形成CsPbBr3前驱液，之后将所述CsPbBr3前驱液均匀涂覆在步骤1制得的聚苯乙烯基底膜表面，再进行真空干燥处理，获得复合层。
4.根据权利要求3所述的温度传感材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，聚苯乙烯基底膜的制备方法包括：将聚苯乙烯与第二溶剂均匀混合形成混合液后，将所述混合液涂覆在玻璃片表面，真空干燥得均匀的聚苯乙烯基底膜。
5. 根据权利要求4所述的温度传感材料的制备方法，其特征在于：所述第二溶剂为甲苯，所述聚苯乙烯与甲苯的加量比例为，聚苯乙烯:甲苯=0.01 g-0.1 g:0.5 mL -3 mL。
6.根据权利要求3所述的温度传感材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2中，第一溶剂为DMF。
7. 根据权利要求3所述温度传感材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2中，真空干燥的温度为30℃-100℃，烘干时间为0.5 h -3 h。
8.一种如权利要求1或2所述的温度传感材料的应用，其特征在于：用于温度传感分析。
9. 根据权利要求8所述温度传感材料的应用，其特征在于：包括：将所述温度传感材料制成薄膜并进行温度传感，固定激发波长，并采用外接电热控温器控制温度；在特定温度下，进行荧光变温光谱测定，在样品仓温度预设值达到所述特定温度后，保温2min -10 min后进行光谱采集；绘制荧光特性和温度的关系曲线，从而可以根据检测到的荧光特性得到温度数据。
10.一种温度传感器，其特征在于：包含权利要求1-2中任一项所述的温度传感材料制成的薄膜，或者采用权利要求3-7任一项所述的温度传感材料的制备方法制备得到的薄膜，所述薄膜具有荧光特性，可以被波长为365nm的光激发并发射出荧光，所述温度传感器根据荧光的检测情况获得温度数据。
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| Composite Films of CsPbBr3 Perovskite Nanocrystals in a Hydrophobic Fluoropolymer for Temperature Imaging in Digital Microfluidics;Zhangdi Lu et al.;《ACS Applied Materials & Interfaces》;20200402;第12卷;第19805-19812页&Supporting Information * |
| CsPbX3 ( X = Cl，Br，I)/PS 复合薄膜制备及荧光性能研究;张学文等;《湖北大学学报(自然科学版)》;20181130;第40卷(第6期);第621-626页 * |
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