一种超宽带高亮度绿色环保短波红外发射的光源材料及其制备方法与应用

1.本发明属于短波红外光源技术领域，尤其是指一种超宽带高亮度绿色环保短波红外发射的光源材料及其制备方法。


背景技术：

2.智能手机未来将成为物联网的终端识别设备，不仅具有移动通信功能，还可以检测识别生物有机分子。生物有机材料中的水、蛋白质、脂质类分子在短波红外区有显著的吸收，短波红外光源在食品、医药、健康和产品检测中具有独特的优势。然而，手机闪光灯只能提供450nm-650nm范围的可见光，大多数生物有机分子在该光谱范围内没有吸收，目前手机光源仅用于拍摄和照明，不能检测识别有机分子。因此，有必要开发手机用的短波红外光源。
3.目前采用卤钨灯作为短波红外光源，卤钨灯在电致加热的情况下产生宽带短波红外光，供光谱仪使用。卤钨灯作为短波红外光源具有两个缺点，一方面卤钨灯尺寸大，不能用于小型便携式移动设备；另一方面，卤钨灯的光生原理是热致发光，功耗高。
4.为了减小短波红外光源尺寸，研究者们提出了一种基于磷光的近红外发光二极管，发光中心主要是共掺的yb
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离子，以解决700nm-1100nm的近红外光谱问题。然而，蛋白质、脂质、葡萄糖等物质在700nm-1100nm近红外波段内的吸收非常弱，该波段近红外光难以为这些物质提供准确的特征峰信息。
5.近来一个工作采用不同尺寸的pbs量子点堆垛集成的方式实现了1100nm-1600nm的发射，不仅发射谱进一步向短波红外拓宽，而且量子效率达到了5.4％。这一策略为实现短波红外光源的低成本制造奠定了基础，但是该光源在制备过程中需要使用大量的pbs，这是一种具有高生物毒性的材料，它的大量使用不利于缓解我国日益严峻的环境问题。
6.由此，基于上述技术问题，亟需提供一种宽带、高亮绿色环保的短波红外光源材料。


技术实现要素：

7.为解决上述技术问题，本发明提供了一种超宽带高亮度短波红外发射的光源材料及其制备方法。
8.本发明提供的第一个目的在于提供一种超宽带高亮度短波红外发射的光源材料，包括量子点混合物，所述量子点混合物包括量子点i和量子点ii，其中，所述量子点i满足如下条件中的至少一种：
9.(1)粒径满足如下关系式：1nm≤粒径≤5nm；
10.(2)组成元素为两种；
11.(3)核量子点；
12.所述量子点ii满足如下条件中的至少一种：
13.(1)粒径满足如下关系式：5nm《粒径≤15nm；
14.(2)组成元素为三种以上；
15.(3)核壳量子点。
16.在本发明的一个实施例中，所述量子点混合物中的所有量子点均满足如下条件：
17.(1)粒径满足如下关系式：1nm≤粒径≤15nm；
18.(2)组成元素为两种以上。
19.在本发明的一个实施例中，所述量子点i、量子点ii独立地选自ag2te、ag2se、ag2s、ag2te@zns、ag2se@zns、ag2s@zns、ag2tese、ag2tes、ag2ses、ag2tese@zns、ag2tes@zns或ag2ses@zns。
20.在本发明的一个实施例中，所述光源材料的激发源为直接激发源或间接激发源，采用直接激发源的光源材料为直接激发光源材料，采用间接激发源的光源材料为间接激发光源材料。
21.在本发明的一个实施例中，所述间接激发源的激发中间物质选自y3al5o
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、lu3al5o
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、k2sif6:mn
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、srsi2o2n2:eu
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、basi2o2n2:eu
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、caalsin3:eu
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、nayf4:yb/ln、nagdf4:yb/ln、nayf4:yb/ln@nayf4和nagdf4:yb/ln@nagdf4中的一种或多种，其中，ln为er
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、ho
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或tm
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。
22.在本发明的一个实施例中，所述直接激发源或间接激发源的激发波长为250nm-1000nm。
23.在本发明的一个实施例中，所述量子点i和量子点ii的质量比为1:100-100:1。
24.在本发明的一个实施例中，所述光源材料的发射波长介于1200nm-2200nm范围内。
25.本发明提供的第二个目的在于提供所述的光源材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将量子点i和量子点ii按比例混合，并将所得混合物封装于有机树脂或无机玻璃中，得到复合材料，即直接激发的光源材料。
26.在本发明的一个实施例中，还包括将量子点混合物与激发中间物质进行混合，并封装于有机树脂或无机玻璃中；或将量子点混合物与激发中间物质分区封装于有机树脂或无机玻璃中，得到间接激发的光源材料。
27.本发明提供的第三个目的在于提供所述的光源材料在有机分子检测识别中的应用。
28.本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
29.本发明原理如图1所示，ag2te量子点在波长250nm-850nm范围具有较强的吸收，而且在波长850nm-1200nm范围内也有一定的吸收强度。也就是说，激发波长范围广，可见光和部分红外光都可以激发ag2te量子点。此外，ag2te核量子点的发射波长通常处于短波红外区，并且具有尺寸依赖性，粒径越小，发射波长越短；粒径越大，发射波长越长。而且，在ag2te核量子点表面包覆宽禁带zns壳，可以有效抑制核量子点的发光耗散，提高短波红外发光强度。基于这种光致发光原理，采用混合封装工艺，将不同尺寸核或核壳量子点整合在一起，集成各种窄发射带，形成宽带发射，实现1200nm-2200nm的超宽带高亮度的短波红外光发射。跟700nm-1200nm的近红外光相比，1200nm-2200nm的短波红外光更容易被有机分子吸收，这些分子在短波红外区的吸收特征峰更为明显。采用基于1200nm-2200nm宽带短波红外光源材料制备的检测设备，能够定性且定量地判定测试对象，精准地识别有机分子。此
外，跟pb基、cd基和hg基量子点相比，ag基量子点几乎无生物毒性，是一种环境友好材料。因此，本发明的短波红外光源材料不仅光学性能优良，而且绿色环保，特别适合用于有机分子的检测识别。
附图说明
30.为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
31.图1是本发明设计原理图；(a)ag2te量子点吸收谱，该量子点在可见光和部分红外光区具有吸收特性；(b)单一量子点窄带短波红外发射示意图；(c)混合量子点宽带短波红外发射示意图。
32.图2是本发明实施例1直接激发的小/大尺寸混合ag2te核量子点短波红外光源材料。
33.图3是本发明实施例2间接激发的小/大尺寸混合ag2te核壳量子点短波红外光源材料。
34.图4是本发明总体概况图。
具体实施方式
35.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
36.实施例1(直接激发的宽带短波红外光源材料)
37.先将平均粒径为4.8nm和5.2nm的ag2te量子点按1:2的比例混合，然后封装于聚甲基丙烯酸甲酯中，形成片状复合材料，该量子点复合材料在980nm激光的激发下，发射1200nm-2200nm宽带短波红外光。
38.将所得材料进行结构表征以及性能测试，结果见图2。其中，图2-a、图2-b、图2-c和图2-d为小、大尺寸ag2te量子点透射电镜照片和粒径分布图；图2-e为直接激发的短波红外光源材料示意图；图2-f为在980nm激光激发下，本实施例所得小/大尺寸ag2te混合量子点短波红外光源材料的发射谱(波长范围为1200nm-2200nm)。这些结果表明，小尺寸4.8nmag2te量子点的～1650nm的发射带与大尺寸5.2nmag2te量子点的～1850nm的发射带整合在一起形成了宽带发射。此外，处于长波端弱吸收的980nm激发源都可以激发该光源材料，产生短波红外光；可以推断，处于短波端强吸收的可见光激发源更可以高效地激发该光源材料，产生高亮度短波红外光。
39.实施例2(间接激发的宽带短波红外光源材料)
40.先将平均粒径为5.0nm和6.0nm的ag2te@zns核壳量子点按2:1的比例混合，然后封装在聚甲基丙烯酸甲酯中，形成片状复合材料，待用；接着，将y3al5o
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荧光粉也封装在甲基丙烯酸甲酯中；将量子点复合材料和荧光粉复合材料结合在一起，先用450nm发光二极管(led)激发荧光粉复合材料，产生白光发射，然后发射的白光再激发量子点复合材料，最终实现宽带短波红外发射，且绝对光致发光量子产率达到了10％(图3)。
41.将所得材料进行结构表征以及性能测试，结果见图3。其中，图3-a、图3-b分别为小、大尺寸ag2te核壳量子点透射电镜照片；图3-c为y3al5o
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黄色荧光粉扫描电镜图
片；图3-d为间接激发的短波红外光源材料示意图；图3-e为y3al5o
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在450nm的激发下，展现出强白光发射，该白光再激发混合的核壳量子点，发射宽带短波红外光(波长范围为1200nm-2200nm)。这些结果表明，虽然不发光的zns外壳增加了量子点的尺寸，但是发光的ag2te内核尺寸并没有改变，因此zns外壳不仅没有改变ag2te内核量子点的短波红外发光属性，而且还有效地抑制了ag2te内核的发光耗散，提高了内核短波红外发光强度。此外，处于短波端的可见光激发源也可以有效地激发该光源材料，产生超宽带高亮度短波红外光。
42.实施例3
43.先将平均粒径为4nm的ag2te和6.0nm的ag2ses量子点与y3al5o
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按1:1:1的比例混合，然后封装在聚甲基丙烯酸甲酯中，形成片状复合材料，用450nm led-激发该复合材料，先产生白光发射，然后发射的白光再激发该复合材料中的量子点，最终实现宽带短波红外发射(波长范围为1200nm-2200nm)。
44.应用例
45.将本发明中直接激发的短波红外光源材料封装在手机闪光灯前，利用手机的白光激发该光源材料，产生宽带短波红外光。手机发射的短波红外光照射需要检测的对象，被检对象吸收特定波长的短波红外光，反射的短波红外光被手机感应，具有短波红外感应功能的手机产生被检对象的特征吸收谱，该吸收谱自动跟手机app数据库进行比对，根据比对结果从而迅速判定被检对象的成分和含量。因此，本发明有望应用于未来智能手机的非视觉光源材料。
46.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。