【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】X射線探測技術(shù)在疾病診斷、異物檢測等領(lǐng)域具有重要作用。閃爍體作為X射線探測技術(shù)的核心器件，是一類可以將高能輻射如X/γ射線、α/β粒子、中子轉(zhuǎn)化為可見光或近可見光的材料。而高效閃爍體需要具有高產(chǎn)光率、高能量分辨率、快速響應(yīng)時間、靈敏的電離檢測以及出色的機械和化學(xué)穩(wěn)定性。面向這一需求，中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所郭國聰與鄭發(fā)鯤團隊在錳基有機金屬鹵素雜化閃爍體研究方面取得了進展。
 

　　錳基有機金屬鹵素雜化閃爍體具有優(yōu)越的熱穩(wěn)定性、機械強度和可加工性，在核醫(yī)學(xué)、輻射檢測和工業(yè)檢測等方面具有應(yīng)用前景。而關(guān)于溫度對錳(II)基閃爍體的影響研究甚少，尤其在發(fā)光/閃爍機理方面。為此，該團隊開發(fā)了具有高發(fā)光效率且可大規(guī)模制備的錳基有機金屬鹵素雜化納米閃爍體Mn-1 NCs ((mpp)2MnCl4)。
 

　　研究顯示，在77 K至150 K溫度區(qū)間內(nèi)，Mn-1NCs熒光強度隨著溫度的上升而下降。這是由于在該溫度區(qū)間Mn2+離子的激發(fā)電子無法克服陷阱能級，遵循Dexter能量轉(zhuǎn)移過程。而在150 K至350 K溫度區(qū)間內(nèi)，Mn-1 NCs的熒光強度隨著溫度的上升而上升，甚至超過77 K時的熒光強度。這是由于溫度升高有助于被捕獲的電荷載流子逃離陷阱能級，經(jīng)由能量倒轉(zhuǎn)過程重新到達Mn2+離子的發(fā)光中心，在一定程度上可彌補溫度升高造成的發(fā)光損失。同時，Mn-1 NCs的閃爍強度優(yōu)于商用閃爍體Bi4Ge3O12，探測極限可達1.01 μGyair/s，低于醫(yī)學(xué)成像中的標(biāo)準(zhǔn)診斷劑量率。
 

　　這一金屬鹵素閃爍材料表現(xiàn)出較好的抗輻照穩(wěn)定性、溶劑穩(wěn)定性和空氣穩(wěn)定性。研究通過基于Mn-1 NCs的柔性閃爍薄膜，可觀察到美工刀和耳機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其成像分辨率可達11.3 lp/mm。該研究明晰了有機-無機雜化金屬鹵素閃爍材料發(fā)光機理，為高性能閃爍材料的設(shè)計提供了新途徑。相關(guān)成果以High-Resolution X-Ray Imaging With 0D Organic–Metal Halide Scintillator Featuring Reversed Exciton Trapping為題，發(fā)表在《激光與光子學(xué)評論》(Laser & Photonics Reviews)上。
 

　　通常，閃爍薄膜通過物理摻雜方法將閃爍體負(fù)載到高分子材料中。這種方式易導(dǎo)致閃爍體顆粒堆積，從而使相鄰的閃爍體產(chǎn)生光學(xué)串?dāng)_，影響探測器性能。該團隊采用具有圓偏振閃爍性能的閃爍體材料，通過調(diào)控輻射發(fā)光的傳播方向，來解決上述問題。
 

　　該團隊利用烯丙基膦配體合成了兩種零維錳基有機金屬鹵素雜化閃爍體——(atpp)2MnCl4·0.5H2O(MnCl4-1)和(atpp)2MnBr4(MnBr4-2)。得益于四面體[MnX4]2–晶體場的影響，相較于MnCl4-1，含較重溴原子的MnBr4-2在X射線探測中表現(xiàn)出更優(yōu)越的檢測極限，僅為0.117 µGyair/s；而MnCl4-1的檢測極限為0.330 µGyair/s。研究顯示，二者均優(yōu)于醫(yī)學(xué)診斷標(biāo)準(zhǔn)。
 

　　同時，這些錳基有機金屬鹵素雜化閃爍體含有不飽和的C=C雙鍵，通過光聚合反應(yīng)，將手性聚合單體、高分子預(yù)聚體與零維錳基有機金屬鹵化物閃爍體結(jié)合起來。因此，該團隊開發(fā)了新型手性金屬-有機聚合物材料，取得了優(yōu)異的發(fā)光不對稱因子效果。基于閃爍體MnBr4-2的手性金屬-有機聚合物閃爍薄膜在X射線成像中的分辨率達14.84 lp/mm，相較于傳統(tǒng)物理摻雜類材料提高了成像空間分辨率，超過了乳腺癌醫(yī)學(xué)成像的標(biāo)準(zhǔn)，這對高分辨率醫(yī)學(xué)X射線成像應(yīng)用具有重要意義。相關(guān)成果發(fā)表在《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)上。
 

　　研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院相關(guān)項目、福建省自然科學(xué)基金等的支持。