导读

基于金属卤化物的光学温度探针受到稳定性差和温度传感灵敏度低的双重限制，使其在温度传感领域表现不佳。近日，中国科学院福建物质结构研究所陈学元团队通过在有机-无机杂化金属卤化物中引入疏水有机分子三苯基膦（TPP），设计并合成新型Cu(I)基杂化金属卤化物，开发了一种水稳定性优异的高灵敏荧光寿命温度探针。

该成果发表于国际顶尖光学期刊《Light: Science & Applications》，题为“Luminescence Lifetime Thermometers Based on Hybrid Cuprous Halides with Exceptional Water Resistance and Giant Thermal Expansion”。中国科学院福建物质结构研究所/上海科技大学联培博士研究生李忱亮为本文的第一作者，中国科学院福建物质结构研究所陈学元研究员、涂大涛研究员和福建师范大学海峡柔性电子(未来科技)学院汪路平副教授为本文的共同通讯作者。

研究背景

光学温度传感通过监测光致发光强度或荧光寿命等光学参数的相关变化进行温度的监测。然而，基于发光强度的光学温度探针容易受到各种因素的影响，如光源、样品浓度、光漂白、散射和不同波长的吸收差异等。荧光寿命由于不受上述因素的影响，可以很好地规避传统基于荧光强度温度探测的局限性。由于有机分子有利于诱导晶体结构趋向于“软晶格”，有机-无机杂化金属卤化物凭借其优异的发光性能成为新型的荧光寿命温度传感探针。尽管如此，金属卤化物较差的稳定性尤其是水稳定性极大地限制了其应用场景。因此，开发具有优异稳定性和高灵敏度的有机-无机杂化金属卤化物温度传感探针具有重要的意义。

研究亮点

本文以疏水有机分子三苯基膦（TPP）为A位有机分子，设计合成了新型有机无机杂化Cu(I) 基金属卤化物TPP3Cu₂Br₂。在紫外光激发下，材料表现出绿色发射，量子产率达41.5%。TPP₃Cu2Br₂的结构会随着温度上升而发生剧烈热膨胀，由此引入更多的缺陷促使材料的发光快速猝灭。随着温度从280 K升到380 K，发光强度猝灭至初始值的10.8%，而荧光寿命则缩短至初始值的1.9%。由此计算出的荧光寿命温度传感的最大相对灵敏度高达12.8% K^-1，为目前非掺杂金属卤化物的最高值。此外，通过循环测试也验证了其作为温度探针长期使用的良好稳定性（图1）。

图1. (a) TPP₃Cu₂Br₂随温度变化的XRD图；(b-d) TPP₃Cu₂Br₂的温度依赖光学性能变化；(e-f) TPP₃Cu₂Br₂的温度传感灵敏度和循环稳定性。

进一步地，研究团队发现TPP₃Cu₂Br₂表现出优异的水稳定性。在水中浸泡15天后，样品发光仍保持初始值的97.3%。通过理论计算可得，相比于全无机金属卤化物Cs₃Cu₂Br₅，TPP₃Cu₂Br₂展现出更大的接触角和更小的结合能，证实其优异的水稳定性源于 TPP 有机基团的保护作用（图2）。

图2. (a-d) TPP₃Cu₂Br₂在水中的稳定性；(e-f) Cs₃Cu₂Br₅和TPP₃Cu₂Br₂的接触角测试与结合能计算

此外，研究团队还验证了荧光寿命温度传感的精度优势。在不同深度的水环境中，基于TPP₃Cu₂Br₂发光强度的测温误差随水深增加急剧增大，在水深10 mm时误差超过30 °C；而TPP₃Cu₂Br₂荧光寿命传感始终保持约1 °C的测量误差，展现其在水环境中优异的测温准确性（图3）。

图3. (a) 不同深度水环境中的温度传感示意图；(b-c) TPP₃Cu₂Br₂在不同深度水环境中荧光寿命和荧光强度的变化；(d-e) 基于荧光寿命和荧光强度的温度传感误差值。

总结与展望

本研究通过在有机-无机杂化金属卤化物体系中引入疏水性三苯基膦（TPP）配体，成功构筑了兼具水环境稳定性和温度响应灵敏性的金属卤化物TPP₃Cu₂Br₂，其温度传感相对灵敏度高达12.8% K^-1，创下目前非掺杂金属卤化物温度传感灵敏度的最高值。研究结果不仅为水下微区温度场的实时监测与空间分布解析提供了新思路，也为发展面向智能传感应用的高稳定性金属卤化物材料开辟了新路径。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01910-1