一种使用双路信号的荧光寿命测温方法技术

本发明专利技术公开了一种使用双路信号的荧光寿命测温方法，利用稀土离子双掺杂纳米荧光材料制备的测温探头探测温度，纳米荧光材料中掺杂离子1激发态能量高于掺杂离子2，掺杂离子1荧光寿命随温度升高而缩短，掺杂离子2荧光寿命随温度升高而延长，将掺杂离子1和掺杂离子2荧光寿命比值随温度变化拟合曲线作为测温探头标定曲线，根据理论测温灵敏度曲线确定探头测温工作范围，利用标定曲线对应的拟合公式根据实测荧光寿命比值反推得到探测温度。本发明专利技术不依赖于探头在待测物内部的渗透深度，可用于材料表面测温，还适用于材料内部复杂环境温度监测，可以灵活设计稀土离子掺杂系统，选取采集信号对应的荧光波段，无需添加硬件，成本低廉，操作便捷。操作便捷。操作便捷。

【技术实现步骤摘要】
一种使用双路信号的荧光寿命测温方法


[0001]本专利技术属于光学传感领域，涉及一种使用双路信号的荧光寿命测温方法。

技术介绍

[0002]温度是表征物体冷热程度的物理量，与几乎所有的物理过程密切相关，因此在科研、工业生产和医学等领域具有十分重要的地位。
[0003]传统的热电偶、热电阻等测温器件采用与待测物接触的方式、利用电信号来表征温度。随着微电子学、光子学、纳米医学等领域的迅猛发展，微纳米尺度下超高空间分辨率的温度测量需求强烈，而上述传统的接触式测温方法在这些尖端应用领域不再适用。此外，接触式测温方法在诸如体内温度监控、非固定部件温度传感等特殊应用领域也无能为力。另一种常用的红外测温仪虽然采用非接触方案，但受限于不同材料的发射率存在差异且不易获得，红外测温仪的精度较低。
[0004]稀土荧光信号的多个维度均可用于温度传感，例如：各波段荧光强度通常随温度升高而下降，两个波段荧光强度的比例随温度改变而变化，同一辐射波段的荧光寿命在不同环境温度下也会出现差异，这些变化规律均可以用于温度传感。其中，基于荧光寿命的温度传感技术具有独特的优势，主要由于：一方面，荧光寿命能够减少外界环境及信号强度的浮动对测量结果的影响；另一方面，荧光寿命与待测材料或中间隔离材料的吸收无关，因此不受探针渗透深度的影响。综上，将稀土掺杂纳米材料作为寿命测温的探头，在原有荧光寿命测温技术自身优势的基础上进一步整合了纳米材料的超高空间分辨率，能够满足微纳米尺度下众多前沿测温领域的需求。
[0005]稀土荧光测温原理简述如下：在稀土离子光致发光过程中，当关闭激发光源后，发光中心的自发辐射开始衰减，其荧光强度随时间变化的表达式为，
[0006][0007]其中I和I0分别为t时刻和初始时刻的荧光强度。τ为荧光寿命，由稀土离子的自发辐射和无辐射过程(多声子无辐射弛豫为主，也包括能量传递等无辐射退布居过程)决定，二者之和越大，寿命越短。稀土离子的自发辐射几率基本不受温度影响，所以寿命测温在原理上是利用无辐射弛豫过程随温度升高而更加剧烈的规律实现的。
[0008]然而，为了获得较强的荧光信号便于读取和后续处理，通常选取无辐射弛豫较弱的能级用于荧光寿命传感。这就导致稀土荧光寿命随温度的变化不够显著，因此，当前荧光寿命测温技术的主要瓶颈是灵敏度较低。为了突破当前荧光寿命测温技术的局限，急需开发新型温度响应纳米材料，改进温度测量方法，构建高传感灵敏度的纳米级温度传感器。

技术实现思路

[0009]针对上述现有技术，本专利技术要解决的技术问题是提供一种简单易行的使用双路荧光寿命信号的荧光寿命测温方法，提高寿命测温技术灵敏度。
[0010]为解决上述技术问题，本专利技术的一种使用双路信号的荧光寿命测温方法，利用稀土离子双掺杂的纳米荧光材料制备的测温探头探测温度，所述纳米荧光材料中掺杂离子1激发态能量高于掺杂离子2，掺杂离子1荧光寿命随温度升高而缩短，掺杂离子2荧光寿命随温度升高而延长，将掺杂离子1和掺杂离子2荧光寿命比值随温度变化拟合曲线作为测温探头标定曲线，根据理论测温灵敏度曲线确定探头测温工作范围，利用标定曲线对应的拟合公式根据实测荧光寿命比值反推得到探测温度。
[0011]进一步的，所述掺杂离子1和掺杂离子2荧光寿命比值随温度变化拟合曲线获取方法包括：
[0012]步骤1：将所述测温探头置于初始温度为t0的环境；
[0013]步骤2：使用信号发生器调制掺杂离子1激发波长半导体激光器输出方波激光照射测温探头；
[0014]步骤3：分别采集掺杂离子1和掺杂离子2对应荧光发射波长附近衰减曲线，拟合得到掺杂离子1和掺杂离子2的荧光寿命曲线；
[0015]步骤4：改变环境温度，分别在温度t1,t2,...,t
n
重复执行步骤3，拟合得到t1,t2,...,t
n
温度下掺杂离子1和掺杂离子2的荧光寿命曲线；
[0016]步骤5：根据拟合得到的荧光寿命曲线得到掺杂离子1和掺杂离子2在t0,t1,...,t
n
温度下荧光寿命，然后绘制掺杂离子1和掺杂离子2荧光寿命比值随温度变化的数据图，然后利用多项式拟合得到掺杂离子1和掺杂离子2荧光寿命比值随温度变化拟合曲线。
[0017]进一步的，根据拟合得到掺杂离子1和掺杂离子2的荧光寿命曲线，其中I和I0分别为t时刻和初始时刻的荧光强度，τ为荧光寿命。
[0018]进一步的，所述理论测温灵敏度曲线根据绘制，其中τ1为掺杂离子1的荧光寿命，τ2掺杂离子2的荧光寿命，T表示温度。
[0019]进一步的，所述测温探头由利用热分解法或水热法制备的Nd和Yb离子共掺杂NaYF4纳米晶体制备得到，所述测温探头形态为粉末、块体、分散液或薄膜。
[0020]本专利技术的有益效果：
[0021]传统的荧光寿命测温方案是利用无辐射弛豫过程随温度升高而更加剧烈的规律实现的。为了获得较强的荧光信号便于读取和后续处理，通常选取无辐射弛豫较弱的能级用于荧光寿命传感，导致稀土荧光寿命随温度的变化不够显著。因此，当前荧光寿命测温技术的主要瓶颈是灵敏度较低。本专利技术是一种基于稀土荧光寿命的温度传感的改进技术，涉及利用双路荧光寿命信号提高稀土离子荧光寿命测温灵敏度，具体为通过调控稀土离子发光路径，实现双路荧光寿命分别随温度升高出现寿命的缩短和延长，将双路荧光寿命的比值随温度变化的规律用于温度传感，实现测温灵敏度的改善。和现有技术相比，本专利技术具有以下特点：
[0022]1、本方案不依赖于探针在待测物内部的渗透深度，不单可用于材料的表面测温，还适用于材料内部复杂环境的温度监测。
[0023]2、可以灵活设计稀土离子掺杂系统，针对不同需求选取采集信号对应的荧光波
段。
[0024]3、不在既有测温系统中添加硬件，只需要在测量时采集双路荧光衰减数据即可，故本专利技术成本低廉，操作便捷。
附图说明
[0025]图1是稀土离子双掺杂纳米材料的荧光路径示意图；
[0026]图2是Nd(离子1)与Yb(离子2)共掺杂NaYF4纳米晶体在800纳米激发下的光谱图；
[0027]图3是Nd荧光寿命随温度的缩短规律；
[0028]图4是Yb荧光寿命随温度的延长规律；
[0029]图5是Nd与Yb的荧光寿命比值随温度的变化规律；
[0030]图6是本方法的测温灵敏度与传统荧光寿命测温灵敏度的对比。
具体实施方式
[0031]下面结合说明书附图和实施例对本专利技术做进一步说明。
[0032]本专利技术首先需要实现两种稀土发光中心的荧光寿命随环境温度的升高分别缩短和延长，可以使用不同的能量传递体系实现稀土荧光寿命随温度升高而延长的现象，采用基于声子辅助的能量传递过程实现稀土荧光寿命随温度升高而延长的现象，如图1所示，构建稀土离子双掺杂的纳米荧光材料，离子1的激发态能量略高于离子2的激发态能量，此时离子1会借助晶格声子的振动能量实现向离子2的能量传递本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种使用双路信号的荧光寿命测温方法，其特征在于：利用稀土离子双掺杂的纳米荧光材料制备的测温探头探测温度，所述纳米荧光材料中掺杂离子1激发态能量高于掺杂离子2，掺杂离子1荧光寿命随温度升高而缩短，掺杂离子2荧光寿命随温度升高而延长，将掺杂离子1和掺杂离子2荧光寿命比值随温度变化拟合曲线作为测温探头标定曲线，根据理论测温灵敏度曲线确定探头测温工作范围，利用标定曲线对应的拟合公式根据实测荧光寿命比值反推得到探测温度。2.根据权利要求1所述的一种使用双路信号的荧光寿命测温方法，其特征在于：所述掺杂离子1和掺杂离子2荧光寿命比值随温度变化拟合曲线获取方法包括：步骤1：将所述测温探头置于初始温度为t0的环境；步骤2：使用信号发生器调制掺杂离子1激发波长半导体激光器输出方波激光照射测温探头；步骤3：分别采集掺杂离子1和掺杂离子2对应荧光发射波长附近衰减曲线，拟合得到掺杂离子1和掺杂离子2的荧光寿命曲线；步骤4：改变环境温度，分别在温度t1,t2,...,t
n
重复执行步骤3，拟合得到t1,t2,.....

【专利技术属性】
技术研发人员：刘禄，王欣宇，李博洋，姜海丽，田野，任晶，张建中，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：