注：本文由課題組供稿

溫度是直接反映生物體特征的重要參數(shù)，其變化會產(chǎn)生諸多方面影響，過高或過低的體溫甚至會危及生命。近幾年，由于新冠病毒等引起器官炎癥反應進而導致體溫升高，對體溫的監(jiān)測變得更頻繁和更重要。因此，借助高性能器件和先進手段對生物組織溫度的精確監(jiān)測，具有巨大應用潛力。

圖1 （a）體溫是衡量人體健康的重要指標之一；（b）新冠疫情中對體溫檢查。

光學傳感具有無線化、便捷化、高分辨和無（低）創(chuàng)傷等優(yōu)勢，是主要的一種溫度檢測方式?；诒粶y物體和測試場景的要求，可以選擇合適的測試設備和方法。

傳統(tǒng)的紅外溫度探測受限于被測物體表面輻射特性，高靈敏光學諧振腔的傳感需要精密的設備進行協(xié)助，溫度相變材料的顏色變化高度依賴于觀測角度，種種因素導致上述方法在面向生物溫度應用中遭遇到一定的挑戰(zhàn)。

熒光傳感作為一種基于發(fā)射光變化響應方式，通過改變與溫度相關(guān)的發(fā)光強度、波長和衰減壽命等特性進行探測，受到了廣泛關(guān)注。

不同于傳統(tǒng)的熒光（下轉(zhuǎn)換發(fā)光）轉(zhuǎn)換方式，上轉(zhuǎn)換發(fā)光可以將低能量的光子（如近紅外光）轉(zhuǎn)換為高能量的光子（如可見光），具有激發(fā)光對生物組織穿透深度高、不易導致自發(fā)熒光和發(fā)射光可視化等一系列優(yōu)勢。通過溫度變化影響上轉(zhuǎn)換發(fā)光性能，可有效實現(xiàn)對生物組織的溫度傳感響應。

基于前期開發(fā)的集成化光電半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)設計，清華大學 盛興 副教授團隊成功地實現(xiàn)從近紅外光到可見光波段的上轉(zhuǎn)換發(fā)光（PNAS, 115 (26) 6632-6637, 2018）。光電半導體上轉(zhuǎn)換器件基于新型的“光電–電光”轉(zhuǎn)換機制，解決了傳統(tǒng)非線性上轉(zhuǎn)換材料的低效率、低穩(wěn)定性、發(fā)光單色性差等難題，實現(xiàn)了低光照下的線性近紅外到可見光的上轉(zhuǎn)換，同時將能量轉(zhuǎn)換的響應時間縮減至納秒量級。

圖2  基于光電半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的上轉(zhuǎn)換設計的（a）電路圖；（b）外延結(jié)構(gòu)掃描電鏡（SEM）照片；（c）器件示意圖。

近期，北京理工大學 丁賀 助理教授、清華大學 盛興 副教授等人在 Light: Science & Applications 發(fā)表文章，題為 An Optoelectronic Thermometer based on Microscale Infrared-to-Visible Conversion Devices。

該工作由北京理工大學光電學院丁賀助理教授和清華大學電子工程系盛興副教授完成，合作者包括北京理工大學楊健教授、王涌天教授，清華大學材料學院付昕博士、尹斕副教授，以及博士生蔡雪、唐果、史釗、謝楊和研究生呂國慶、成子怡和彭焰秀，本科生陳君宇等。本工作獲得了國家自然科學基金、北京市自然科學基金、深圳市科技計劃和恩三前沿創(chuàng)新基金的經(jīng)費支持。此外，感謝清華大學微納加工中心和北京理工大學微納加工中心的技術(shù)支持。

在本項研究中，研究人員系統(tǒng)地探索了光電半導體上轉(zhuǎn)換器件與溫度相關(guān)的發(fā)光特性。通過分析半導體材料的能帶特性和集成電路結(jié)構(gòu)設計與溫度之間關(guān)系，巧妙地借助溫度變化過程中光電半導體上轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中 LED 和光電池電流電壓的失配現(xiàn)象，實現(xiàn)了上轉(zhuǎn)換發(fā)光的強度與峰值隨溫度變化的高靈敏雙重響應。

圖3（a）光電半導體上轉(zhuǎn)換器件在不同溫度下發(fā)光光譜變化；（b）隨著溫度升高，上轉(zhuǎn)換發(fā)光強度變低和波峰位置紅移。

研究人員采用微納加工技術(shù)制備了陣列化的微型光電上轉(zhuǎn)換器件，獲得了空間溫度分布的可視化展示。將器件與生長基底剝離并與光纖系統(tǒng)集成，研制出電磁兼容（MRI）的一體化微型溫度傳感器。將該溫度傳感器置于體外和體內(nèi)環(huán)境中，成功實現(xiàn)了對人呼氣活動和動物大腦深處溫度變化的動態(tài)監(jiān)測，展顯出優(yōu)異的生物相容性、穩(wěn)定性和深層組織溫度的監(jiān)測能力。

圖4（a）陣列化的微型光電半導體上轉(zhuǎn)換器件對溫度分布的響應；與光纖集成化一體化設計（b）對呼氣溫度和（c）對小鼠腦部溫度變化的記錄。

本研究的開展，不僅拓寬了上轉(zhuǎn)換機制的設計思路與相應的加工方法，而且推動了“后摩爾時代”的光電半導體信息技術(shù)在醫(yī)療健康等領(lǐng)域的快速發(fā)展。

| 論文信息 |

Ding, H., Lv, G., Cai, X. et al. An Optoelectronic thermometer based on microscale infrared-to-visible conversion devices. Light Sci Appl 11, 130 (2022). 

https://doi.org/10.1038/s41377-022-00825-5

監(jiān)制 | 趙陽

編輯 | 趙唯

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