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力也能发光？如何破解力致发光的「光谱密码」
更新时间：2025-12-29
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你是否见过一块材料，不用接电，仅仅是弯曲、挤压、摩擦，就能发出奇光异彩？这就是力致发光材料的魔力！
力致发光（Mechanoluminescence, ML），又称为机械发光，该类材料能在机械刺激下直接发光，将机械能直接转化为光能。这一智能材料在可穿戴设备、生物医学、应力传感和应力可视化等领域具有广阔的应用前景。
然而，这道由“力"激发的光，其颜色、强度、寿命的变化承载着材料内部电荷转移、缺陷分布、能量传递的核心信息。能否精准捕获并解析这些光谱信号，成为推动该领域从现象观察到机理研究、从实验室研究走向实际应用的关键瓶颈。
发光瞬态极短（微秒至毫秒级）
信号通常很微弱
需要在复杂受力环境下进行原位测量
传统的台式光谱仪虽然精度高，但体积庞大、灵活性差，难以集成到动态力学测试装置、生物体内或微区观测平台中。如何精准、原位捕获并解析那微弱且瞬变的光谱？
微型光纤光谱仪，它体积小巧、灵活、灵敏度高、集成度高，可快速精准地检测力致发光光谱并表征材料特性。下面，我们通过三篇高分文献，探讨微型光谱仪在力致发光研究中发挥的关键作用。
该研究制备了一种具有连续缺陷分布的宽带近红外ML材料Y₃Ga₅MgSiO₁₂:Cr³⁺，并探索了其在血糖、血脂无损检测中的应用潜力。研究中使用了海洋光学QEPro光谱仪，对Y₃Ga₅MgSiO₁₂:Cr³+材料的ML性能进行了系统评估，同时在近红外光谱无创检测应用场景中发挥了重要的作用。
图1
图1b 展示了1.0% - 10.0%不同Cr³⁺掺杂浓度下ML的光谱强度（在恒定40 N压力下），结果表明掺杂浓度为1.0%时，ML强度达到最大，且最佳发射峰位于731 nm，具有约140 nm的宽半峰宽，这一结果也证实了该ML材料非常适用于生物检测的宽带近红外光源。
图1c 展示了ML光谱随时间和应力变化的3D图，揭示了ML信号与持久发光（PersL）信号在时间上的分离。在0-240秒，PersL逐渐衰减（噪声背景），而当施加应力时，ML信号瞬间产生且强度显著高于背景。直观证明了该材料具有高信噪比（SNR），解决了传统ML材料中PersL干扰严重的关键难题。
图1d 展示了在不同压力下（0N至40N）ML的光谱强度，结果表明材料的ML强度与所施加的机械应力成线性关系，奠定了其作为高精度应力传感器的理论基础。
图1e 展示了在30N恒定压力下重复测试25次材料的ML光谱强度，结果表明多次循环后光谱强度保持在一个稳定的范围内，证明了该材料出色的可恢复性和耐久性。
图2
图2c至2g 全面评估了材料在极端条件（温度、时间）下具有优异的耐高温性能，适用于高温环境下的应力变形传感，并展示了通过稀土和过渡金属共掺杂来提升材料性能的潜力。
基于光谱仪数据的深入分析，共同构成了对Y3Ga3MgSiO12:Cr3+材料ML性能的完整评估，为最终将其应用于高要求的生物医学检测（如血糖/血脂无创检测）提供了坚实的性能保障。这也再次凸显了高性能微型光纤光谱仪在将新材料从实验室推向实际应用过程中不可或缺的关键作用。
图3
Y3Ga3MgSiO12:Cr3+材料凭借其优异的宽带ML特性（600-1000 nm），为近红外光谱无创检测技术提供了极具潜力的解决方案。基于此，研究人员首次构建了利用制备的NIR-ML薄膜作为光源，对血液中血糖及血脂含量进行非侵入式分析的新型检测技术(图3)。在实验设计中，通过装载不同血液样品的玻璃试管对薄膜施加机械压力，诱导产生ML发射。随后，利用光谱仪精确采集近红外ML光穿透血液样品后的吸收光谱进行分析。
该研究制备了一种Mn²⁺掺杂CaZnOS和BaZnOS的ML材料，并系统评估了其光学性能与生物安全性，验证了其在触觉成像、人工电子皮肤、机械响应药物输送和实时应力传感等领域具有广阔的应用前景。研究中使用了海洋光学QEPro光谱仪对材料ML性能进行了评估。
图4
图4 展示了CaZnOS:Mn²⁺和BaZnOS:Mn²⁺材料在45 N压力下的ML发射光谱。结果表明，两个样品的ML发射峰均位于约592 nm处，两种材料的ML发光颜色一致（黄光）。谱图清晰地显示出，CaZnOS:Mn²⁺的ML发射强度是BaZnOS:Mn²⁺的32倍。这一巨大差异，是论证“晶体结构极性决定ML效率"的最直接证据。左图右上方的插图是一张在暗室中用手机拍摄的ML长曝光照片（书写“S"），只有CaZnOS:Mn²⁺能产生明亮可见的ML图案，而BaZnOS:Mn²⁺的信号已低于ML成像阈值。
该研究制备了基于焦磷酸钙（Ca₂P₂O₇，CPO）的新型多色自恢复ML材料，通过掺杂不同发光离子X ( X = Ce3+, Eu2+/3+, Tb3+, Dy3+, Mn2+, Sm3+)，实现了从紫外到橙红光的多色发光。与传统的陷阱型ML材料不同，CPO:X无需紫外预照射，即可表现出显著的自恢复发光特性，并具有优异的生物相容性和低毒性。基于这一优势，研究团队开发了击剑记分装置、可穿戴柔性皮肤和牙齿保护层等应用模型，为ML材料的实际应用提供了新方向。实验采用了海洋光学 QEPro光谱仪完成了对该材料ML性能的评估。
图5
图5 表明，CPO通过不同掺杂不同发光离子，成功获得了从紫外（~339nm, Ce³⁺）、蓝光（~414nm, Eu²⁺）、红光（~612nm, Eu3⁺）、绿光（~541nm, Tb³⁺）、黄绿光（~570nm, Dy³⁺）、宽带黄光（~566nm, Mn²⁺）到橙红光（~595nm, Sm³⁺）的发射。
实验结果表明，CPO:X材料的ML强度随外力的增加而线性增加，且无需紫外线预照射。这种线性响应是可实现定量化应力/形变测量的前提，也是后续设计击剑计分器等精确传感应用的基础。在多次循环应激后，ML强度仍保持在初始水平附近，表现出良好的自愈能力，满足了可穿戴设备长期、反复使用的核心要求。
图6. a) 简易击剑比赛记分接收装置示意图。b)附着于指关节的可穿戴柔性皮肤，在指关节弯曲时发出明亮的ML信号。c) 固定在机械臂上的人机交互装置，当机器人摆动手臂时产生ML现象。d)自制的模拟医用牙冠，在拔牙过程中遇到牙钻时产生ML现象，帮助医生确定钻孔的深度，从而保护牙冠下的牙齿。
微型光谱仪作为力致发光研究的“标配眼睛"，让研究者得以在材料变形的瞬间、在生物组织的内部，实时倾听光的声音，解读力的语言。
QE Pro高灵敏度光谱仪
灵敏度高，适用于常规应用和弱光信号的分析等。
动态范围宽，可检测极弱到较强的瞬态发光信号。
采用背照式CCD探测器具有高量子效率。
板载缓存功能确保在高速采集中的数据完整性。
参考文献
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.
Abeeha Batool, et al. Highly biocompatible mechanoluminescent Mn-doped CaZnOS and BaZnOS semiconductor compounds for tactile imaging, Journal of Alloys and Compounds 1044 (2025) 184550.
Ze Wang, et al. Self-Recovering Multicolor Calcium Phosphate Mechanoluminescent Materials for Wearable Skin and Biomedical Applications, Laser Photonics Rev. 2025, 2500439.
