本文要點：機械發光（Mechanoluminescence, ML）材料可將機械能轉化為光信號，在高端應力傳感、柔性光電皮膚、動態力學可視化及防偽等領域具有廣闊前景。近紅外（NIR）光憑借高組織穿透能力及對有機分子的特異性吸收，為生物力學成像和無損成分分析等應用提供了可能。然而，現有NIR-ML材料的發射波長和帶寬限制了其實際應用。本研究報道了一系列具有自恢復NIR-ML發射特性的雙鈣鈦礦材料A₂MSbO₆:Cr ³⁺（A = Sr, Ba；M = Ga, Sc）。通過調控組分，ML發射范圍可從NIR-I區擴展至NIR-II區（700nm至1200 nm以上），半高全寬（FWHM）可達163 nm。在超聲刺激下，Sr₂ScSbO₆:Cr ³⁺的NIR光可穿透5 mm厚的牛肉組織。該研究拓展了NIR-ML光源庫及其光譜范圍，推動了NIR-ML材料的新應用。

圖1. 雙鈣鈦礦化合物的晶體結構及XRD

本研究通過調控A/M位點（A = Sr, Ba；M = Ga, Sc），設計了一系列Cr³⁺摻雜銻酸鹽雙鈣鈦礦材料，實現了NIR-I至NIR-II區的寬帶可調諧機械發光，并揭示了其自恢復機制與局部壓電效應相關。合成的Sr₂GaSbO₆、Sr₂ScSbO₆和Ba₂ScSbO₆均為雙鈣鈦礦結構（圖1a），分別屬于四方晶系（I4/m）、單斜晶系（P2₁/n）和立方晶系（Fm-3m）。X射線衍射（XRD）分析表明，所有樣品的衍射峰均與標準卡片吻合，未檢測到雜質相（圖1b）。Cr³⁺離子選擇性地占據Ga³⁺/Sc³⁺位點，導致晶格收縮。掃描電子顯微鏡（SEM）顯示樣品為2–3 μm的微米級顆粒（圖1c）。圖1d 顯示了用于 ML 測量的薄膜中粉末的示意圖。將粉末夾在上下聚對苯二甲酸乙二醇酯 （PET） 薄膜之間或直接與聚二甲基硅氧烷/聚二甲基硅氧烷/環氧樹脂 （PDMS/PU/EP）混合，形成復合薄膜。

圖2. 雙鈣鈦礦化合物粉末光致發光（PL）和機械發光（ML）光譜圖

光致發光（PL）光譜顯示，通過調控A/M位點，Cr³⁺的發射峰可從Sr₂GaSbO₆:Cr³⁺的830 nm紅移至Ba₂ScSbO₆:Cr³⁺的1010 nm，覆蓋NIR-I至NIR-II區（圖2a-c），半高全寬（FWHM）達120–168 nm。機械發光（ML）光譜與PL光譜高度一致（圖2d-f）。

圖3. ML的可恢復性和光譜

Sr2ScSbO6:Cr3+的可恢復性是在5 N的載荷下測量的，而Sr2GaSbO6:Cr2+和Ba2ScSbO6:Cr3+分別是在15和20 N的載荷上測量的，因為它們的ML強度較弱（圖3a-c）。盡管ML強度存在波動，特別是對于A/M=Sr/Ga和Ba/Sc，但沒有觀察到ML強度的顯著降低。三種摻雜Cr3+的銻酸鹽雙鈣鈦礦的ML強度和光譜分布在紫外線照射3分鐘前后沒有顯著變化（圖3d-f），表明這些樣品中的ML不需要預激發，預激發對ML強度沒有顯著影響。

圖 4a 顯示了超聲誘導的 NIR-ML 在生物學中的應用示意圖。將 NIR-ML 材料植入大鼠組織中。當受到超聲波刺激時，大鼠體內的 ML 材料會發出 NIR 光，這種光可以穿透組織并被 NIR 相機捕捉到。圖5b、c顯示了基于Sr2ScSbO6:Cr3+粉末的ML薄膜的近紅外發射。超聲波操作60分鐘后，ML強度（3D映射圖像的顏色）沒有顯著降低。當這些薄膜被1毫米的牛肉覆蓋時，近紅外相機同樣捕捉到了近紅外信號（圖4d-f）。對于基于Sr2ScSbO6:Cr3+粉末的最佳薄膜，近紅外發射穿透了5毫米的牛肉（圖4g，h）。

根據 ML 可恢復性和組織滲透測量結果，ML 材料在生物成像和活體組織的生物運動監測中表現出潛在的應用。例如當吞咽散裝 ML 材料時，消化系統中的 ML 材料在超聲波刺激下發光，發射的 NIR 信號可以被檢測器檢測到。根據 NIR 光提供的信息，可以實現疾病診斷，或 NIR 光控藥物釋放。或者通過將 ML 材料與人工韌帶相結合，韌帶在受力時可以發光。在此基礎上，可以進行韌帶力分析，有利于設計和改進更符合人體力學的韌帶置換手術。后續研究人員可以通過控制合成路徑來進一步合成納米級 ML 材料，并探索它們在生物應用中的可行性。

參考文獻

DouC, Liang T, Zhao M, et al. Self‐Recoverable and NIR‐I to NIR‐II Tunable Broadband Mechanoluminescence of Cr3+‐Doped Antimonate Double Perovskites[J]. Advanced FunctionalMaterials, 2024: 2419716.
 

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