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力也能發(fā)光？如何破解力致發(fā)光的「光譜密碼」
更新時(shí)間：2025-12-29
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你是否見(jiàn)過(guò)一塊材料，不用接電，僅僅是彎曲、擠壓、摩擦，就能發(fā)出奇光異彩？這就是力致發(fā)光材料的魔力！
力致發(fā)光（Mechanoluminescence, ML），又稱為機(jī)械發(fā)光，該類材料能在機(jī)械刺激下直接發(fā)光，將機(jī)械能直接轉(zhuǎn)化為光能。這一智能材料在可穿戴設(shè)備、生物醫(yī)學(xué)、應(yīng)力傳感和應(yīng)力可視化等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
然而，這道由“力"激發(fā)的光，其顏色、強(qiáng)度、壽命的變化承載著材料內(nèi)部電荷轉(zhuǎn)移、缺陷分布、能量傳遞的核心信息。能否精準(zhǔn)捕獲并解析這些光譜信號(hào)，成為推動(dòng)該領(lǐng)域從現(xiàn)象觀察到機(jī)理研究、從實(shí)驗(yàn)室研究走向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸。
發(fā)光瞬態(tài)極短（微秒至毫秒級(jí)）
信號(hào)通常很微弱
需要在復(fù)雜受力環(huán)境下進(jìn)行原位測(cè)量
傳統(tǒng)的臺(tái)式光譜儀雖然精度高，但體積龐大、靈活性差，難以集成到動(dòng)態(tài)力學(xué)測(cè)試裝置、生物體內(nèi)或微區(qū)觀測(cè)平臺(tái)中。如何精準(zhǔn)、原位捕獲并解析那微弱且瞬變的光譜？
微型光纖光譜儀，它體積小巧、靈活、靈敏度高、集成度高，可快速精準(zhǔn)地檢測(cè)力致發(fā)光光譜并表征材料特性。下面，我們通過(guò)三篇高分文獻(xiàn)，探討微型光譜儀在力致發(fā)光研究中發(fā)揮的關(guān)鍵作用。
該研究制備了一種具有連續(xù)缺陷分布的寬帶近紅外ML材料Y?Ga?MgSiO??:Cr3?，并探索了其在血糖、血脂無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用潛力。研究中使用了海洋光學(xué)QEPro光譜儀，對(duì)Y?Ga?MgSiO??:Cr3+材料的ML性能進(jìn)行了系統(tǒng)評(píng)估，同時(shí)在近紅外光譜無(wú)創(chuàng)檢測(cè)應(yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮了重要的作用。
圖1
圖1b 展示了1.0% - 10.0%不同Cr3?摻雜濃度下ML的光譜強(qiáng)度（在恒定40 N壓力下），結(jié)果表明摻雜濃度為1.0%時(shí)，ML強(qiáng)度達(dá)到最大，且最佳發(fā)射峰位于731 nm，具有約140 nm的寬半峰寬，這一結(jié)果也證實(shí)了該ML材料非常適用于生物檢測(cè)的寬帶近紅外光源。
圖1c 展示了ML光譜隨時(shí)間和應(yīng)力變化的3D圖，揭示了ML信號(hào)與持久發(fā)光（PersL）信號(hào)在時(shí)間上的分離。在0-240秒，PersL逐漸衰減（噪聲背景），而當(dāng)施加應(yīng)力時(shí)，ML信號(hào)瞬間產(chǎn)生且強(qiáng)度顯著高于背景。直觀證明了該材料具有高信噪比（SNR），解決了傳統(tǒng)ML材料中PersL干擾嚴(yán)重的關(guān)鍵難題。
圖1d 展示了在不同壓力下（0N至40N）ML的光譜強(qiáng)度，結(jié)果表明材料的ML強(qiáng)度與所施加的機(jī)械應(yīng)力成線性關(guān)系，奠定了其作為高精度應(yīng)力傳感器的理論基礎(chǔ)。
圖1e 展示了在30N恒定壓力下重復(fù)測(cè)試25次材料的ML光譜強(qiáng)度，結(jié)果表明多次循環(huán)后光譜強(qiáng)度保持在一個(gè)穩(wěn)定的范圍內(nèi)，證明了該材料出色的可恢復(fù)性和耐久性。
圖2
圖2c至2g 全面評(píng)估了材料在極端條件（溫度、時(shí)間）下具有優(yōu)異的耐高溫性能，適用于高溫環(huán)境下的應(yīng)力變形傳感，并展示了通過(guò)稀土和過(guò)渡金屬共摻雜來(lái)提升材料性能的潛力。
基于光譜儀數(shù)據(jù)的深入分析，共同構(gòu)成了對(duì)Y3Ga3MgSiO12:Cr3+材料ML性能的完整評(píng)估，為最終將其應(yīng)用于高要求的生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)（如血糖/血脂無(wú)創(chuàng)檢測(cè)）提供了堅(jiān)實(shí)的性能保障。這也再次凸顯了高性能微型光纖光譜儀在將新材料從實(shí)驗(yàn)室推向?qū)嶋H應(yīng)用過(guò)程中不可或缺的關(guān)鍵作用。
圖3
Y3Ga3MgSiO12:Cr3+材料憑借其優(yōu)異的寬帶ML特性（600-1000 nm），為近紅外光譜無(wú)創(chuàng)檢測(cè)技術(shù)提供了極具潛力的解決方案?；诖?，研究人員首次構(gòu)建了利用制備的NIR-ML薄膜作為光源，對(duì)血液中血糖及血脂含量進(jìn)行非侵入式分析的新型檢測(cè)技術(shù)(圖3)。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，通過(guò)裝載不同血液樣品的玻璃試管對(duì)薄膜施加機(jī)械壓力，誘導(dǎo)產(chǎn)生ML發(fā)射。隨后，利用光譜儀精確采集近紅外ML光穿透血液樣品后的吸收光譜進(jìn)行分析。
該研究制備了一種Mn2?摻雜CaZnOS和BaZnOS的ML材料，并系統(tǒng)評(píng)估了其光學(xué)性能與生物安全性，驗(yàn)證了其在觸覺(jué)成像、人工電子皮膚、機(jī)械響應(yīng)藥物輸送和實(shí)時(shí)應(yīng)力傳感等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。研究中使用了海洋光學(xué)QEPro光譜儀對(duì)材料ML性能進(jìn)行了評(píng)估。
圖4
圖4 展示了CaZnOS:Mn2?和BaZnOS:Mn2?材料在45 N壓力下的ML發(fā)射光譜。結(jié)果表明，兩個(gè)樣品的ML發(fā)射峰均位于約592 nm處，兩種材料的ML發(fā)光顏色一致（黃光）。譜圖清晰地顯示出，CaZnOS:Mn2?的ML發(fā)射強(qiáng)度是BaZnOS:Mn2?的32倍。這一巨大差異，是論證“晶體結(jié)構(gòu)極性決定ML效率"的最直接證據(jù)。左圖右上方的插圖是一張?jiān)诎凳抑杏檬謾C(jī)拍攝的ML長(zhǎng)曝光照片（書寫“S"），只有CaZnOS:Mn2?能產(chǎn)生明亮可見(jiàn)的ML圖案，而BaZnOS:Mn2?的信號(hào)已低于ML成像閾值。
該研究制備了基于焦磷酸鈣（Ca?P?O?，CPO）的新型多色自恢復(fù)ML材料，通過(guò)摻雜不同發(fā)光離子X(jué) ( X = Ce3+, Eu2+/3+, Tb3+, Dy3+, Mn2+, Sm3+)，實(shí)現(xiàn)了從紫外到橙紅光的多色發(fā)光。與傳統(tǒng)的陷阱型ML材料不同，CPO:X無(wú)需紫外預(yù)照射，即可表現(xiàn)出顯著的自恢復(fù)發(fā)光特性，并具有優(yōu)異的生物相容性和低毒性。基于這一優(yōu)勢(shì)，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了擊劍記分裝置、可穿戴柔性皮膚和牙齒保護(hù)層等應(yīng)用模型，為ML材料的實(shí)際應(yīng)用提供了新方向。實(shí)驗(yàn)采用了海洋光學(xué) QEPro光譜儀完成了對(duì)該材料ML性能的評(píng)估。
圖5
圖5 表明，CPO通過(guò)不同摻雜不同發(fā)光離子，成功獲得了從紫外（~339nm, Ce3?）、藍(lán)光（~414nm, Eu2?）、紅光（~612nm, Eu3?）、綠光（~541nm, Tb3?）、黃綠光（~570nm, Dy3?）、寬帶黃光（~566nm, Mn2?）到橙紅光（~595nm, Sm3?）的發(fā)射。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CPO:X材料的ML強(qiáng)度隨外力的增加而線性增加，且無(wú)需紫外線預(yù)照射。這種線性響應(yīng)是可實(shí)現(xiàn)定量化應(yīng)力/形變測(cè)量的前提，也是后續(xù)設(shè)計(jì)擊劍計(jì)分器等精確傳感應(yīng)用的基礎(chǔ)。在多次循環(huán)應(yīng)激后，ML強(qiáng)度仍保持在初始水平附近，表現(xiàn)出良好的自愈能力，滿足了可穿戴設(shè)備長(zhǎng)期、反復(fù)使用的核心要求。
圖6. a) 簡(jiǎn)易擊劍比賽記分接收裝置示意圖。b)附著于指關(guān)節(jié)的可穿戴柔性皮膚，在指關(guān)節(jié)彎曲時(shí)發(fā)出明亮的ML信號(hào)。c) 固定在機(jī)械臂上的人機(jī)交互裝置，當(dāng)機(jī)器人擺動(dòng)手臂時(shí)產(chǎn)生ML現(xiàn)象。d)自制的模擬醫(yī)用牙冠，在拔牙過(guò)程中遇到牙鉆時(shí)產(chǎn)生ML現(xiàn)象，幫助醫(yī)生確定鉆孔的深度，從而保護(hù)牙冠下的牙齒。
微型光譜儀作為力致發(fā)光研究的“標(biāo)配眼睛"，讓研究者得以在材料變形的瞬間、在生物組織的內(nèi)部，實(shí)時(shí)傾聽(tīng)光的聲音，解讀力的語(yǔ)言。
QE Pro高靈敏度光譜儀
靈敏度高，適用于常規(guī)應(yīng)用和弱光信號(hào)的分析等。
動(dòng)態(tài)范圍寬，可檢測(cè)極弱到較強(qiáng)的瞬態(tài)發(fā)光信號(hào)。
采用背照式CCD探測(cè)器具有高量子效率。
板載緩存功能確保在高速采集中的數(shù)據(jù)完整性。
參考文獻(xiàn)
Sheng Wu, et al. Multiple Defect-Induced High-Resolution Near-Infrared Mechanoluminescent Materials for Non-Destructive Detection of Blood Glucose and Lipids, Adv. Mater. 2024, 2408508.
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Ze Wang, et al. Self-Recovering Multicolor Calcium Phosphate Mechanoluminescent Materials for Wearable Skin and Biomedical Applications, Laser Photonics Rev. 2025, 2500439.
