CN117070212A

CN117070212A - 一种光学温度传感材料及其制备方法与应用

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Publication number: CN117070212A
Application number: CN202310870484.4A
Authority: CN
Inventors: 禹庭; 李蕊; 盛昊阳; 刘晓航; 邹林林
Original assignee: Wuyi University
Current assignee: Wuyi University
Priority date: 2023-07-13
Filing date: 2023-07-13
Publication date: 2023-11-17

Abstract

本发明提供一种光学温度传感材料及其制备方法和应用。所述光学温度传感材料包括碳点和氟化物，所述氟化物的通式为MXF₃:xLn³⁺，其中，M为碱金属元素；X为碱土金属和/或过渡金属元素；Ln为稀土元素；x为稀土元素的掺杂摩尔比，且0.5％≤x≤10％。本发明的光学温度传感材料可实现碳点和稀土离子多发射中心的双模发光系统发光，灵敏度高，可以应用在光学温度传感领域。本发明光学温度传感材料的制备方法简单，耗时短，成本低，产量高，易于大批量生产。

Description

一种光学温度传感材料及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及光学温度传感技术领域，尤其是涉及一种光学温度传感材料及其制备方法与应用。

背景技术

随着科技和医疗水平的高速发展，人们对非接触式测温提出了更高的要求。光学温度计的特点是非接触式，这种非接触式测温法克服了复杂条件下的温度检测，如腐蚀环境、体内和快速移动的物体，能够在各种严苛环境下实现高精度以及高空间分辨率的远程温度监测。光学温度计通常通过带宽、寿命、荧光强度比等作为温度检测的依据，与带宽、寿命这些温度检测法相比，两个不同发光材料的荧光强度比(FIR)受到光谱损失和激发密度波动的影响较小。其中，通过监测发光材料的两个发射峰的荧光强度比随温度的变化规律来进行温度探测，因其自校准、快速响应等优点而具有良好的应用前景。

对比热耦合型光学温度计，比率型温度计不受热耦合能级的限制，能够一定程度上改善测温灵敏度与信号甄别度。然而，现有的用于比率型温度计的光学温度传感材料的制备方法较为复杂，且灵敏度还有较大的提升空间。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种可室温下制备的光学温度传感材料。通过该温度传感材料，可实现碳点和稀土离子多发射中心的双模发光系统。基于碳点与稀土离子的荧光强度比与温度皆呈现出明显的指数函数关系，可以用于温度测量，且两个荧光强度比可以互相印证，以减少测量误差，灵敏度高。

本发明还提出上述光学温度传感材料的制备方法。

本发明还提出上述光学温度传感材料的应用。

根据本发明的一个方面，提出了一种光学温度传感材料，所述光学温度传感材料所述光学温度传感材料包括碳点和氟化物，所述氟化物的通式为MXF₃:xLn³⁺，其中，M为碱金属元素；X为碱土金属或过渡金属元素；Ln为稀土元素；x为稀土元素的掺杂摩尔比，且0.5％≤x≤10％。

在本发明的一些实施方式中，M选自Li、Na、K中的至少一种。

在本发明的一些实施方式中，X选自Mg、Mn、Zn中的至少一种；优选地，X选自Mg。

在本发明的一些实施方式中，Ln选自Pr、Eu或Tb中的至少一种；优选地，Ln选自Eu或Tb中的至少一种。

本发明的一些优选的实施方式中，0.5％≤x≤5％；更优选地，1％≤x≤3％。

本发明的一些实施方式中，所述光学温度传感材料能够被紫外光激发，发射可见光。其中，紫外光的波长在320nm～380nm之间。

在本发明的一些实施方式中，所述可见光的波长在400～900nm之间。

在本发明的一些实施方式中，所述可见光的峰值在450nm～750nm之间。

根据本发明的一种优选的实施方式，至少具有以下有益效果：本发明方案材料具有碳点发光强度高、稀土离子热稳定性好等多种优点。该光学温度传感材料可在较宽的激发范围内的光波激发下，观察到碳点和稀土离子发光，基于碳点和稀土离子在不同温度下的荧光强度比，通过数据拟合可得到温度相关的FIR函数(函数通式为FIR＝Aexp(-T/B)+C，已知荧光强度比FIR便可反推出温度T)，应用范围广。

在本发明的一些实施方式中，所述光学温度传感材料的粒径为100nm～1000nm；优选地，光学温度传感材料的粒径为300nm～1000nm；例如约500nm、约600nm或约800nm。

在本发明的一些实施方式中，所述碳点表面含有羧基或氨基中的至少一种。在碳点表面引入羧基或氨基，使其易于功能化，从而更好地与稀土离子发生结合。

在本发明的一些实施方式中，所述光学温度传感材料的温敏区间为300K～480K；优选地，所述光学温度传感材料的温敏区间为300K～440K，例如300K～400K。

根据本发明的另一个方面，提出了上述光学温度传感材料的制备方法，包括如下步骤：向含碱土金属盐(和/或过渡金属盐)以及稀土金属盐的混合溶液中，加入碳点和含氟盐，通过共沉淀反应制得所述光学温度传感材料。

在本发明的一些实施方式中，碱土金属盐可以是可溶性镁盐，例如乙酸镁。

过渡金属盐选自锰、锌的可溶性盐中的至少一种；例如乙酸锌、乙酸锰。

在本发明的一些实施方式中，本发明中的含氟盐为可溶性氟化盐；具体地，含氟盐可以为氟的锂盐、钠盐或钾盐中的至少一种；更具体地，含氟盐可以为氟化锂、氟化钠、氟化钾中的至少一种。

在本发明的一些实施方式中，稀土金属盐为可溶性稀土金属盐。

在本发明的一些优选的实施方式中，稀土金属盐优选为镨(Pr)、铕(Eu)、铽(Tb)的可溶性盐中的至少一种。

在本发明的一些优选的实施方式中，稀土金属盐可以为稀土金属的乙酸盐和盐酸盐中的至少一种。

本发明所称“可溶性盐”是指100克水里能溶解1克以上的物质。

本发明所称“共沉淀反应”或“共沉淀法”是指反应体系在室温条件下以水和有机溶剂为溶剂进行的反应。

本发明中所用水优选为去离子水。

在本发明的一些实施方式中，有机溶剂包括乙醇、油酸、油胺中的至少一种；优选地，有机溶为乙醇。

在本发明的一些实施方式中，所述共沉淀反应过程中，总金属元素与氟元素的摩尔浓度之比为1:1.5～2；优选地，总金属元素与氟元素的摩尔浓度之比为约1:1.75。

在本发明的一些实施方式中，所述共沉淀反应过程中，碱土金属(和/或过渡金属)离子与稀土金属离子的摩尔浓度之和为0.35mol/L～0.45mol/L，优选约0.4mol/L。

在本发明的一些实施方式中，所述共沉淀反应的温度为20℃～30℃；例如约22℃、约24℃、约25℃、约26℃、约28℃等。

本发明方案通过室温共沉淀反应即可制备，能耗低，生产成本低廉，环境友好，具有良好的工业应用前景。

在本发明的一些实施方式中，所述搅拌时间为10min～30min。如约15min、约20min、约25min、约30min等。

本发明的制备方法耗时短，产量高，经济效益好。

在本发明的一些实施方式中，所述方法还包括在室温下进行搅拌的操作。通过搅拌使得反应原料混合更均匀，反应速率更高。

在本发明的一些实施方式中，所述搅拌的温度为室温。

在本发明的一些实施方式中，所述搅拌的时间为10～30min。

在本发明的一些实施方式中，所述方法还包括反应后处理操作，包括离心、洗涤、超声和干燥。后处理过程中无需重结晶等复杂的纯化步骤，生成的氟化物为纯相。

在本发明的一些实施方式中，所述离心的速度为6000rpm～12000rpm。

在本发明的一些实施方式中，所述洗涤采用乙醇进行洗涤。

在本发明的一些实施方式中，所述洗涤的次数为1～3次。

在本发明的一些实施方式中，所述干燥为真空干燥。

在本发明的一些实施方式中，所述真空干燥的温度为50℃～80℃。

在本发明的一些实施方式中，所述干燥时间为8～12h。

根据本发明的再一个方面，提出了上述光学温度传感领域中的应用，一种比率光学温度计，其包括上述的光学温度传感材料或由上述方法制备得到的光学温度传感材料。

本发明基于稀土离子非热耦合能级的比率型温度计，通过加入碳点，可实现双模发光。且由于碳点的低毒性质，该光学温度计可用于生物体内。

本发明至少具有以下有益效果：

本发明的光学温度传感材料可实现碳点和稀土离子多发射中心的双模发光系统，具有碳点发光强度高、稀土离子热稳定性好等多种优点，可以应用在光学温度传感领域。本发明的光学温度传感材料准确度高、灵敏度好，绝对灵敏度计算可达到7.7％K^-1。

本发明提供一种光学温度传感材料，该材料是一种基于氟化物、碳点和稀土离子的光学温度传感材料，可采用室温共沉淀法直接制备得到，制备方法简单，耗时短，成本低，产量高，易于大批量生产。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：

图1为本发明实施例1制得的NaMgF₃:5％Tb³⁺@CDs光学温度传感材料的扫描电子显微镜图。

图2为本发明实施例1制得的NaMgF₃:5％Tb³⁺@CDs光学温度传感材料随温度(K)变化的发射光谱图。

图3为本发明实施例2制得的NaMgF₃:1％Eu³⁺@CDs光学温度传感材料随温度(K)变化发射光谱图。

图4为本发明实施例1和实施例2制得光学温度传感材料基于荧光强度比(FIR)图。

图5为本发明实施例1和实施例2制得光学温度传感材料的绝对灵敏度(S_a)图。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。实施例中所使用的试验方法如无特殊说明，均为常规方法；所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到的试剂和材料。如无特别说明，各实施例中同一参数取值相同。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如本文所用，当与数值相连使用时，术语“约”意指包括数值的集合或范围。例如，“约”表示包括该数值的±10％、±5％、±2％、±1％、±0.5％、±0.2％或±0.1％的数值范围。在一个实施方案中，术语“约”指的是比特定值多或少5％的数值范围。在另一个实施方案中，术语“约”指的是比特定值多或少2％的数值范围。在另一个实施方案中，术语“约”指的是比特定值多或少1％的数值范围。

本发明的描述中，参考术语“之间”包括两个端值。

本发明所称“室温”是指在20～30℃均可，实施例中具体为25℃。

实施例1

本实施例制备了一种光学温度传感材料，具体过程为：

S1：选择1.26g柠檬酸，将其溶解于30mL去离子水中，充分搅拌至其完全溶解，再加入1.2mL乙二胺，搅拌使其充分混合；在160℃进行溶剂热反应4h，待反应结束后，冷却至室温；将获得的产物转移至离心管中，在10000r/min转速下离心处理，上清液即为含羧基或氨基的荧光碳点，用去离子水进行稀释处理，得到荧光碳点溶液，备用；

S2：选择0.5411g乙酸镁水合物，0.0680乙酸铽水合物，将其溶解在5mL去离子水中，充分搅拌至其完全溶解；再加入5mL乙醇，充分搅拌至其完全溶解；

S3：将S1制得的碳点溶液加入S2中的乙酸镁和乙酸铽水溶液中，在室温下剧烈搅拌20min，得到含碳点的乙酸镁和乙酸铽的混合溶液；

S4：选择0.5878g氟化钠，将其溶解于20mL去离子水中，充分搅拌至其完全溶解；

S5：将S4中的氟化钠溶液逐滴加入至S3的混合溶液中，在室温下剧烈搅拌10-20min，得到所需复合材料的溶液；

S6：将混合均匀的S5溶液转移至离心管中，在10000r/min转速下离心处理，用乙醇洗涤2次，并超声处理10min，在80℃进行干燥处理12h，即可得到碳点/NaMgF₃:5％Tb³⁺(NaMgF₃:5％Tb³⁺@CDs)光学温度传感材料。

实施例2

本实施例制备了一种光学温度传感材料，具体过程为：

S2：选择0.5639g乙酸镁水合物，0.0132g乙酸铕水合物，将其溶解在5mL去离子水中，充分搅拌至其完全溶解；再加入5mL乙醇，充分搅拌至其完全溶解；

S3：将S1制得的碳点溶液加入S2中的乙酸镁和乙酸铕水溶液中，在室温下剧烈搅拌20min，得到含碳点的乙酸镁和乙酸铕的混合溶液；

S6：将混合均匀的S5溶液转移至离心管中，在10000r/min转速下离心处理，用乙醇洗涤2次，并超声处理10min，在80℃进行干燥处理12h，即可得到碳点/NaMgF₃:1％Eu³⁺(NaMgF₃:1％Eu³⁺@CDs)光学温度传感材料。

试验例

本试验例测试了实施例制备的光学温度传感材料的性能。其中：

图1为本发明实施例1制得的NaMgF₃:5％Tb³⁺@CDs光学温度传感材料的扫描电子显微镜(SEM)图。SEM图显示所制备得到的光学温度传感材料颗粒分布较为均匀，粒径大约为600nm。

图2、图3分别为本发明实施例1、实施例2制得的光学温度传感材料随温度(K)变化的发射光谱图。由图2、图3可知，在紫外光激发下，碳点的发射波长位于450nm，Tb³⁺的发射波长位于489nm、542nm、584nm和621nm，Eu³⁺发射波长位于592nm、614nm和700nm。基于碳点450nm发射峰与Tb³⁺的542nm处和Eu³⁺的700nm处荧光强度比与温度呈现显著正相关。

图4为本发明实施例1和实施例2制得光学温度传感材料基于荧光强度比(FIR)图。其中对于NaMgF₃:5％Tb³⁺@CDs的材料，基于碳点在450nm和Tb³⁺在542nm处荧光强度比拟合后公式为FIR＝570.17927exp(-T/53.43392)+0.01962，偏差为0.997；对于NaMgF₃:1％Eu³⁺@CDs的材料，基于碳点在450nm和Eu³⁺在542nm处荧光强度比拟合后公式为FIR＝481.88462exp(-T/65.39533)+0.20757，偏差为0.995。可以应用在光学温度传感领域。

由图4中拟合得到的FIR公式，可得到绝对灵敏度(S_a)公式，S_a＝Aexp(-T/B)/B。图5通过S_a计算公式可得。其中NaMgF₃:1％Eu³⁺@CDs温度传感材料比NaMgF₃:5％Tb³⁺@CDs温度传感材料的绝对灵敏度高。绝对灵敏度(S_a)与温度(K)呈现出良好的线性关系，随着温度的升高，绝对灵敏度的值持续下降，在300K时达到最高绝对灵敏度，可达7.7％K^-1。本发明的光学温度传感材料更适合在较低温度区间测温。

上面对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims

1.一种光学温度传感材料，其特征在于，所述光学温度传感材料包括碳点和氟化物，所述氟化物的通式为MXF₃:xLn³⁺，其中，M为碱金属元素；X为碱土金属和/或过渡金属元素；Ln为稀土元素；x为稀土元素的掺杂摩尔比，且0.5％≤x≤10％。

2.根据权利要求1所述的光学温度传感材料，其特征在于，M选自Li、Na、K中的至少一种；X选自Mg、Mn、Zn中的至少一种；Ln选自Pr、Eu、Tb中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的光学温度传感材料，其特征在于，0.5％≤x≤5％；优选地，1％≤x≤3％。

4.根据权利要求1所述的光学温度传感材料，其特征在于，所述光学温度传感材料能够被紫外光激发，发射可见光；其中，所述紫外光的波长在320nm～380nm之间；所述可见光的波长在400～900nm之间，和/或，所述可见光的峰值在450～750nm之间。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的光学温度传感材料，其特征在于，所述光学温度传感材料的粒径为100nm～1000nm；和/或，所述碳点表面含有羧基或氨基中的至少一种；和/或，所述光学温度传感材料的温敏区间为300K～480K。

6.一种光学温度传感材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：向含碱土金属盐和/或过渡金属盐以及稀土金属盐的混合溶液中，加入碳点和含氟盐，通过共沉淀反应制得所述光学温度传感材料。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述沉淀反应过程中，总金属元素的摩尔浓度与氟元素的摩尔浓度之比为1:1.5～2；和/或，碱土金属和/或过渡金属离子与稀土金属离子的摩尔浓度之和为0.35mol/L～0.45mol/L。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述共沉淀反应以水和有机溶剂为溶剂；所述有机溶剂包括乙醇、油酸、油胺中的至少一种；优选地，所述有机溶为乙醇。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述共沉淀反应的温度为20～30℃；和/或，所述共沉淀反应的搅拌时间为10min～30min。

10.一种比率光学温度计，其特征在于，其包括如权利要求1-5中任一项所述的光学温度传感材料或由权利要求6-9中任一项所述的方法制备得到的光学温度传感材料。