撰稿 | 课题组供稿
温度是表示物体冷热程度的物理量，是科学研究和工业应用中的基本物理参数，因此精确的温度测量具有十分重要的意义。传统的接触式温度计在一些极端条件下无法进行有效测温，因此开发远程的和非接触式的测温技术成为了顺应科技发展的现实需求。
针对这个问题，光学测温法，特别是基于荧光强度比的自参比测温技术由于测量过程不需要额外校准发射强度显示出巨大的应用前景。它具有非常明显的优势，如响应快、非接触式、灵敏度高、空间分辨率大和耐受极端条件等。
在过去的几十年中，研究人员尝试了多种类型的发光材料用于温度传感，其中无机稀土上转换发光纳米材料由于具有非常高的环境和热稳定性以及激发光波长通常位于近红外区域成为了新兴的先进测温材料。在众多形态的上转换发光材料中，中空结构的上转换材料具有内表面积大和表面渗透率高的特点，因此有望具有较高的集光效率，有利于获得优异的发光性能，进而受益于温度传感检测应用。然而，可控设计、结构工程和微观调控以构建具有所需尺寸、组成、形态和物理化学性质的中空结构上转换发光材料并非易事。
近日，中国科学院长春应用化学研究所稀土资源利用国家重点实验室张洪杰院士和雷朋朋助理研究员研究团队通过采用一步无模板溶剂热法合成了中空结构的上转换发光纳米粒子，并且在纳米尺度上实现了纳米粒子中心空腔尺寸的可控调节。更重要的是，研究人员证实了中空上转换纳米粒子可以在很宽的温度范围内用作理想的自参比发光温度计。
在该工作中，研究人员首先采用简便的一步无模板法制备了中空上转换发光纳米粒子，并且详细地阐明了中空纳米粒子的形成机理（如图1所示）。此外，研究人员通过改变实验反应参数，在纳米尺度上实现了中心空腔尺寸的可控调控（如图2所示）。
基于该中空结构上转换发光材料，研究人员利用稀土发光Er3+离子的服从玻尔兹曼型分布的两个热耦合能级对温度敏感的特性，进行了温度传感性能的研究，证实了该中空上转换发光纳米粒子在宽温度范围内的温度传感应用中的潜力。相关的温度依赖性的光学性质如图3所示。
该工作提出了一种简便的合成中空上转换发光纳米粒子的策略，并从理论上明确地阐述了空心结构的形成机理，实现了在纳米尺度上可控调节中心空腔的尺寸。该工作也从实验上验证了该中空上转换发光材料在宽温度范围内用作自参比发光温度计的可能性。此外，由于该光学温度计的激发波长位于近红外区域，这使得材料在生物体测温以及监测中空材料作为载体在体内递送药物的过程和实时温度等方面显示出巨大的应用前景，未来将会对合成材料学、纳米光子学、光学测温等领域产生积极的影响。
该研究成果以"Hollow nanoparticles synthesized via Ostwald ripening and their upconversion luminescence-mediated Boltzmann thermometry over a wide temperature range"为题在线发表在Light: Science & Applications。
论文地址：
https://www.nature.com/articles/s41377-022-00867-9
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