导读

随着微纳电子器件、能源系统以及生物医学诊断不断向高精度和复杂场景发展，温度测量的需求已不再满足于“测得准”，更要求具备远程读取、快速响应和高分辨成像能力。发光纳米测温技术因此应运而生，并成为该领域的研究热点。然而，在基于热耦合能级的发光强度比测温方法中，存在一个长期困扰的难题：许多理论上满足能级间隔条件的材料体系，在实验中却常常偏离理想的玻尔兹曼分布行为，导致标定不一致、性能难以预测，制约了该技术的理性设计与可靠应用。

近日，吉林大学付作岭教授团队提出一套基于布居动力学的理论框架，从机理层面明确了热耦合“能否建立、何时成立、为何偏离”的判断标准。研究进一步引入能级劈裂因子，将宏观灵敏度与微观化学键参数相关联，推动发光测温从经验筛选向可预测的材料设计范式转变。同时，团队构建了超薄柔性测温贴片，实现了反应过程的原位温度监测与验证。该成果以“Boltzmann luminescent nanothermometry: mechanistic criteria and predictive design of thermally coupled levels”为题发表于国际顶级光学期刊《Light: Science & Applications》。论文第一作者为吉林大学博士生李柯洁，通讯作者为吉林大学付作岭教授、郑州大学贾陌尘研究员、长春理工大学硕士生导师王志颖。

研究背景

发光纳米测温技术通过将温度信息转换为光学信号，实现远程温度探测，具备高空间分辨率和快速响应的潜力，已在纳米技术、生物医学、微流控和航空航天等领域展现出广阔应用前景。其中，基于热耦合能级的发光强度比测温策略，因具备自参照特性，可有效避免激发光源波动或探针浓度变化带来的干扰，因而被广泛采用。理论上，当两个激发态能级间隔在200–2000 cm?¹ 之间时，其相对布居应符合玻尔兹曼分布，强度比可稳定地用作温度标尺。然而，在实际体系中，“名义上满足热耦合条件，实际却偏离”的现象屡见不鲜。研究发现，邻近能级的存在会扰动热布居与多声子弛豫间的平衡，导致强度比–温度曲线发生偏移，进而使灵敏度、有效能隙及适用温区难以准确预测。这种不确定性，成为阻碍发光测温走向高可靠与可设计应用的主要瓶颈。

研究亮点

1. 机理框架：将“热耦合窗口”从经验判断变为可计算判定

通过构建基于布居动力学的定量描述框架，研究团队明确定义了热耦合起始温度及其有效工作窗口，并系统厘清了决定这两个核心参数的关键因素，使“能否用于玻尔兹曼测温”从以往的经验判断，转变为可量化计算的判定依据。

图1：玻尔兹曼型发光纳米测温的热耦合工作窗口。

2. 稳定准则：能级选对的“2ΔE”判据

研究进一步提出了清晰的稳定性判据：当热耦合低能级下方最近能级的间距大于两倍热耦合能隙时（2ΔE），热耦合关系更为稳健，可有效抑制邻近能级引起的布居分流与校准曲线偏移。这一发现为实验中选择合适能级对提供了简便、直接的指导原则。

图2：邻近能级对热耦合能级玻尔兹曼分布的影响。

3. 可预测设计：建立灵敏度与化学键参数的内在关联

为摆脱传统“试错式”材料筛选模式，研究引入“能级劈裂因子”，将宏观相对灵敏度与微观化学键参数建立关联，为基质材料选择和晶体场调控提供了可操作的理论设计路径。

图3. 晶场设计与热耦合测温性能的预测。

4. 器件验证：超薄柔性贴片实现原位温度监测

研究还利用两对热耦合能级的组合设计，实现了增强的强度比温度响应，最高相对灵敏度达6.17% K?¹。在此基础上，团队研制出高亮度、柔性、超薄的PDMS测温贴片，可贴合于复杂曲面，并在实际反应体系中完成原位温度监测验证。测试结果显示，该贴片测温偏差小于0.8 K，重复性达98.4%，实现了从机理研究到器件验证的完整闭环。

图4. 用于原位温度监测的高亮度、超薄与柔性热传感贴片。

总结与展望

本研究围绕热耦合发光测温中长期存在的核心不确定性，给出了三条具有可操作性的答案：热耦合何时成立、为何偏离、以及如何实现材料选择的可预测设计。通过布居动力学框架、能级稳定性判据与能级劈裂因子的引入，该工作为高精度发光纳米温度计的发展提供了物理驱动的理性设计路径，并通过柔性贴片完成了真实场景下的应用验证。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-026-02260-2