综述:基于能量传递系统的高性能动态X射线成像技术

《Optical Materials》:High performance dynamic X-ray imaging based on energy transfer system

【字体: 时间:2026年02月02日 来源:Optical Materials 4.2

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  有机荧光分子复合闪烁体通过锰卤化物敏化实现高效能量转移,获得16.5 lp mm?1分辨率和32.65 nGy s?1检测限,推动动态X射线成像发展。

  
周子健|邓永静|陶冠宇|孙帆熙
宿迁大学数学与物理学院,宿迁,223800,中国

摘要

基于闪烁材料的X射线探测技术在无损检测和医学成像中发挥着关键作用。目前市面上的闪烁体主要局限于无机晶体,这些晶体需要在苛刻的条件下制备,并且成本较高。由于成本低、加工方便以及响应速度快,有机荧光分子作为新兴的闪烁体逐渐受到关注。然而,由于有效原子序数较低,有机闪烁体的发展仍然面临挑战。在本研究中,我们通过能量转移策略制备出了一种高效的有机复合闪烁体。使用锰(II)卤化物作为有机染料rubrene的高原子序数敏化剂。通过这种设计,制备的复合闪烁体薄膜实现了16.5 lp mm?1的高成像分辨率和32.65?nGy?s?1的低检测限。X射线成像测试表明,该复合薄膜在静态和动态X射线成像中均表现出优异的性能。这些结果为开发高分辨率和动态X射线成像的快速衰减闪烁体开辟了新的途径。

引言

由于X射线的强穿透能力,X射线探测和成像技术在健康医疗、工业检测和军事领域具有无与伦比的优势[[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8]]。目前,商用X射线探测器主要使用无机闪烁体(如CsI:Tl和LYSO)将入射X射线转换为低能量的可见光[[9], [10], [11]]。尽管经过数十年的发展,传统无机闪烁体仍存在一些固有的缺点:1) 大多数无机闪烁体需要高温高压的制备条件;2) 无机闪烁体的刚性使得难以制造大面积和柔性的闪烁屏;3) 缺陷的存在导致发光衰减时间较长,从而影响对X射线的响应[[12], [13], [14]]。
基于有机荧光分子的闪烁体是一种优秀的替代品,因为它们具有良好的柔韧性和可加工性。更重要的是,较短的发光寿命使它们能够快速响应X射线,适用于实时动态成像[[15], [16], [17], [18], [19], [20]]。然而,由于原子序数(Z)较低,它们的X射线吸收截面通常较弱,从而导致成像分辨率和检测灵敏度较低[21]。为了解决这个问题,黄等人提出了将重卤素原子共价连接到有机发色团上的方法[22]。然而,引入重原子会增加合成的复杂性,并可能导致严重的发射淬灭现象。
能量转移提供了一种简单且经济的方法来制备高性能闪烁体,其中高Z值材料可作为能量供体(D),敏化有机荧光分子[23]。例如,通过用八个溴原子掺杂发色团,复合薄膜的辐射发光(RL)强度比纯rubrene薄膜提高了11倍[24]。最近,金属卤化物也因其高Z值和高的光致发光量子产率(PLQY)而成为有效的敏化剂。Gandini等人使用CsPbBr3纳米晶体作为高Z值敏化剂,制备出了一种高效且快速的塑料闪烁体,其性能可与商用级快速闪烁体晶体相媲美[25]。同样,王等人通过用CsPbBr3纳米片敏化热激活延迟荧光(TADF)发色团,使得复合系统的检测限比TADF发色团薄膜低约21倍[26]。然而,铅元素的固有毒性严重阻碍了其进一步的发展[[27], [28], [29]]。无铅锰(II)卤化物因其低成本、环保性和高光产率而被认为是一种有前景的闪烁体材料[[30], [31], [32], [33], [34], [35], [36]]。马等人初步证明了锰(II)卤化物可以用作X射线敏化剂[37]。因此,构建高效的能量转移系统对于开发快速衰减闪烁体及其在动态X射线成像中的应用具有重要意义。
在这里,我们开发了一种新型有机复合闪烁体,利用高发光性的锰(II)卤化物来敏化rubrene。通过稳态和时间分辨光谱测量证实了锰(II)卤化物向rubrene的能量转移。得益于高效的能量转移和锰(II)卤化体的高光产率,制备的复合闪烁体显示出高成像分辨率和32.65?nGy?s?1的低检测限。此外,我们还展示了这种基于能量转移的系统在动态实时X射线成像中的广泛应用。我们的结果为开发高性能闪烁体提供了通用的分子设计策略,为高分辨率和动态X射线成像开辟了新的可能性。

结果与讨论

闪烁体的辐射发光通常包括三个过程:转换、传输和发光。当入射X射线光子与闪烁材料相互作用时,内壳层电子首先通过光电效应、康普顿效应和二次效应被激发,产生大量高能载流子。这些高能载流子随后发生热化。然后,产生的低动能电子和空穴发生迁移

结论

在这项工作中,我们开发了一种新的能量转移策略,显著提高了有机闪烁体的闪烁性能。研究发现,(C25H21PBr)2MnBr4的敏化过程可使rubrene的辐射发光增强60倍以上。制备的D-A20复合闪烁屏实现了高达16.5 lp mm?1的高空间分辨率和32.65?nGy?s?1的低检测限。此外,该复合闪烁体还适用于动态和实时X射线成像

CRediT作者贡献声明

周子健:概念构思、数据管理、研究设计、方法论、资源获取、初稿撰写、审稿与编辑。邓永静:概念构思、资金申请、方法论、初稿撰写。陶冠宇:数据分析、方法论验证。孙帆熙:数据分析、方法论验证。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了CPSF博士后奖学金计划(GZC20240744)、江苏省优秀博士后人才资助计划(2024ZB133)和中国博士后科学基金会(2024M751502)的支持。
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