你是否見過一塊材料，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），又稱為機械發(fā)光，該類材料能在機械刺激下直接發(fā)光，將機械能直接轉(zhuǎn)化為光能。這一智能材料在可穿戴設備、生物醫(yī)學、應力傳感和應力可視化等領域具有廣闊的應用前景。
然而，這道由“力”激發(fā)的光，其顏色、強度、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。能否精準捕獲并解析這些光譜信號，成為推動該領域從現(xiàn)象觀察到機理研究、從實驗室研究走向?qū)嶋H應用的關鍵瓶頸。
發(fā)光瞬態(tài)極短（微秒至毫秒級）
信號通常很微弱
需要在復雜受力環(huán)境下進行原位測量
傳統(tǒng)的臺式光譜儀雖然精度高，但體積龐大、靈活性差，難以集成到動態(tài)力學測試裝置、生物體內(nèi)或微區(qū)觀測平臺中。如何精準、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，可快速精準地檢測力致發(fā)光光譜并表征材料特性。下面，我們通過三篇高分文獻，探討微型光譜儀在力致發(fā)光研究中發(fā)揮的關鍵作用。
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、血脂無損檢測中的應用潛力。研究中使用了海洋光學QEPro光譜儀，對Y?Ga?MgSiO??:Cr3+材料的ML性能進行了系統(tǒng)評估，同時在近紅外光譜無創(chuàng)檢測應用場景中發(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的光譜強度（在恒定40 N壓力下），結(jié)果表明摻雜濃度為1.0%時，ML強度達到最大，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)果也證實了該ML材料非常適用于生物檢測的寬帶近紅外光源。
圖1c 展示了ML光譜隨時間和應力變化的3D圖，揭示了ML信號與持久發(fā)光（PersL）信號在時間上的分離。在0-240秒，PersL逐漸衰減（噪聲背景），而當施加應力時，ML信號瞬間產(chǎn)生且強度顯著高于背景。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干擾嚴重的關鍵難題。
圖1d 展示了在不同壓力下（0N至40N）ML的光譜強度，結(jié)果表明材料的ML強度與所施加的機械應力成線性關系，奠定了其作為高精度應力傳感器的理論基礎。
圖1e 展示了在30N恒定壓力下重復測試25次材料的ML光譜強度，結(jié)果表明多次循環(huán)后光譜強度保持在一個穩(wěn)定的范圍內(nèi)，證明了該材料出色的可恢復性和耐久性。
圖2
圖2c至2g 全面評估了材料在極端條件（溫度、時間）下具有優(yōu)異的耐高溫性能，適用于高溫環(huán)境下的應力變形傳感，并展示了通過稀土和過渡金屬共摻雜來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Y3Ga3MgSiO12:Cr3+材料ML性能的完整評估，為最終將其應用于高要求的生物醫(yī)學檢測（如血糖/血脂無創(chuàng)檢測）提供了堅實的性能保障。這也再次凸顯了高性能微型光纖光譜儀在將新材料從實驗室推向?qū)嶋H應用過程中不可或缺的關鍵作用。
圖3
Y3Ga3MgSiO12:Cr3+材料憑借其優(yōu)異的寬帶ML特性（600-1000 nm），為近紅外光譜無創(chuàng)檢測技術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，對血液中血糖及血脂含量進行非侵入式分析的新型檢測技術(圖3)。在實驗設計中，通過裝載不同血液樣品的玻璃試管對薄膜施加機械壓力，誘導產(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)評估了其光學性能與生物安全性，驗證了其在觸覺成像、人工電子皮膚、機械響應藥物輸送和實時應力傳感等領域具有廣闊的應用前景。研究中使用了海洋光學QEPro光譜儀對材料ML性能進行了評估。
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在暗室中用手機拍攝的ML長曝光照片（書寫“S”），只有CaZnOS:Mn2?能產(chǎn)生明亮可見的ML圖案，而BaZnOS:Mn2?的信號已低于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ML材料，通過摻雜不同發(fā)光離子X ( X = Ce3+, Eu2+/3+, Tb3+, Dy3+, Mn2+, Sm3+)，實現(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無需紫外預照射，即可表現(xiàn)出顯著的自恢復發(fā)光特性，并具有優(yōu)異的生物相容性和低毒性?；谶@一優(yōu)勢，研究團隊開發(fā)了擊劍記分裝置、可穿戴柔性皮膚和牙齒保護層等應用模型，為ML材料的實際應用提供了新方向。實驗采用了海洋光學 QEPro光譜儀完成了對該材料ML性能的評估。
圖5
圖5 表明，CPO通過不同摻雜不同發(fā)光離子，成功獲得了從紫外（~339nm, Ce3?）、藍光（~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。
實驗結(jié)果表明，CPO:X材料的ML強度隨外力的增加而線性增加，且無需紫外線預照射。這種線性響應是可實現(xiàn)定量化應力/形變測量的前提，也是后續(xù)設計擊劍計分器等精確傳感應用的基礎。在多次循環(huán)應激后，ML強度仍保持在初始水平附近，表現(xiàn)出良好的自愈能力，滿足了可穿戴設備長期、反復使用的核心要求。
圖6. a) 簡易擊劍比賽記分接收裝置示意圖。b)附著于指關節(jié)的可穿戴柔性皮膚，在指關節(jié)彎曲時發(fā)出明亮的ML信號。c) 固定在機械臂上的人機交互裝置，當機器人擺動手臂時產(chǎn)生ML現(xiàn)象。d)自制的模擬醫(yī)用牙冠，在拔牙過程中遇到牙鉆時產(chǎn)生ML現(xiàn)象，幫助醫(yī)生確定鉆孔的深度，從而保護牙冠下的牙齒。
微型光譜儀作為力致發(fā)光研究的“標配眼睛”，讓研究者得以在材料變形的瞬間、在生物組織的內(nèi)部，實時傾聽光的聲音，解讀力的語言。
QE Pro高靈敏度光譜儀
靈敏度高，適用于常規(guī)應用和弱光信號的分析等。
動態(tài)范圍寬，可檢測極弱到較強的瞬態(tài)發(fā)光信號。
采用背照式CCD探測器具有高量子效率。
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
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.
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