基于芳基双磷氧化合物和二氟化硼β-二酮衍生物温度传感器的制备与研究

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温度是日常生活和各种自然科学中最基本的物理参数之一,温度传感器的发展也越来越受到人们的关注。新型荧光温度传感器相比较于传统接触式温度计具有抗干扰、高空间分辨率、方便快捷、可实现远程测量等非接触式优势。有机荧光温度传感器可实现大面积、柔性、生物环境以及实时测温性能,有机薄膜温度传感器为在大面积或不规则表面上显示可逆温度变化或不可逆热历史提供了一种可靠可行的方法。然而,目前主要的瓶颈在于缺乏用于高温传感或指示的有机材料,这是因为绝大多数有机荧光染料都面临着热失活导致发射显著猝灭的问题。本文首先介绍了温度传感器的发展历程,列举并分析了荧光温度传感器的类型,对比了国内外温度传感器的现状与发展,着重阐述了开发高温比率型非阈值温度传感器和阈值温度传感器的重要意义。接着,我们设计制备了基于耐高温材料芳基双磷氧化合物的比率型发光温度传感器,对此进行优化并研究了该温度传感器的测温性能。另外,我们围绕热致变色材料二氟化硼β-二酮衍生物,设计了具有肉眼可见的三输出信号的高性能固体薄膜高温阈值温度传感器,并探究了该温度指示器的优异阈值温度检测性能和应用价值。本文设计的比率型发光温度传感器是基于耐高温有机材料双磷氧衍生物(DPO)分子的聚集/解聚机制上建立的,该化合物在适当浓度下同时具有单体和激基缔合物双发射,通过调控温度可影响两种发光的比例进而可实现比率发光的温度传感。该化合物既可作为液体温度传感器,也可实现固体薄膜温度传感器。其中在磷酸缓冲溶液(PBS)中,该比率型液体温度传感器应用于20℃至90℃的检测范围,相对灵敏度高达2.22%℃-1(50℃),相对误差小于0.8%,温度分辨率低于0.4℃,具有生物微环境温度计的应用前景。在以聚合物基质聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的固体薄膜温度传感器中,具有更宽的温度传感范围(28-300℃),在178℃相对灵敏度达2.01%℃-1,在高温区间100-300℃内,相对误差小于2%,温度分辨率低于0.3℃,显示说明该薄膜温度传感器具有优异的传感性能。本文设计的高温阈值温度传感器是基于有机热致变色染料二氟化硼β-二酮衍生物(PR)的非入侵式化学反应机制设计的,将其掺杂在具有不同玻璃化转变温度的聚合物基质聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚碳酸酯(PC)中,制备了一系列肉眼可见的高性能高温阈值传感薄膜。这些热敏薄膜的温度指示可基于三种清晰可见、高对比度的输出信号——即热致变色、荧光变色和发光强度的变化,有利于便携式温度指示。其中,PR在PC薄膜中,与发射波长偏移、发光比率变化和荧光强度变化相关的最大灵敏度分别可达4.64 nm℃-1、441%℃-1和4.53%℃-1,是迄今为止性能最好的薄膜阈值传感材料。使用具有不同玻璃化转变温度的聚合物基质,可以在140℃至180℃温度范围内可控调节阈值指示温度。并且,这些阈值传感薄膜具有优异的空气稳定性、光稳定性以及防水特性,在野外环境条件下的阈值温度指示以及信息存储等方面显示出的巨大潜力。最后,我们对论文的研究结果进行总结,体现了本研究工作的有机发光温度传感器和阈值温度传感器在高温传感领域的优异性能,并对这些有机发光温度传感器的发展前景进行了展望。
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