近日，西北工業(yè)大學(xué)黃維院士、谷龍教授在有機(jī)閃爍體領(lǐng)域取得了突破性研究進(jìn)展，成功研制了一類具有溫度自適應(yīng)、低劑量、高靈敏度以及穩(wěn)定性高的有機(jī)閃爍體新材料，展示了該類材料在X射線成像領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。研究成果以(“Temperature-Adaptive Organic Scintillators for X-ray Radiography”)為題近期發(fā)表在高水平學(xué)術(shù)期刊Journal of the American Chemical Society上。
X射線閃爍體是一類可以將高能X射線轉(zhuǎn)換為低能可見光的發(fā)光材料，特殊的光電轉(zhuǎn)換性能使其在輻射探測(cè)、X射線成像、放射治療以及工業(yè)無損檢測(cè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。通常，閃爍體可分為無機(jī)閃爍體和有機(jī)閃爍體兩大類。與無機(jī)閃爍體相比，有機(jī)閃爍體在材料制備、性能調(diào)控以及大面積制備等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)備受關(guān)注。傳統(tǒng)有機(jī)閃爍體多數(shù)為熒光材料，由于自旋禁阻，經(jīng)輻射復(fù)合產(chǎn)生的三線態(tài)激子通常以無輻射躍遷而耗散，導(dǎo)致材料低激子利用率，影響材料閃爍發(fā)光性能。與熒光材料相比，有機(jī)磷光和熱激活延遲熒光（TADF）材料在X射線輻照下，可以充分利用三線態(tài)激子產(chǎn)生輻射發(fā)光，提高閃爍體的激子利用率，進(jìn)而提高有機(jī)閃爍體的輻射發(fā)光性能。基于此，研究人員利用室溫磷光材料和TADF材料，研發(fā)了一系列高激子利用率的有機(jī)閃爍體。但是，由于三線態(tài)激子容易受到外部環(huán)境溫度的影響，從而影響材料輻射發(fā)光性能，限制了有機(jī)閃爍體在不同溫度環(huán)境中的使用。
針對(duì)上述問題，西北工業(yè)大學(xué)黃維院士、谷龍教授和南京工業(yè)大學(xué)安眾福教授、馬會(huì)利教授，開發(fā)了一類具有溫度自適應(yīng)的高性能有機(jī)磷光-熱激活延遲熒光雙發(fā)射閃爍體。研究團(tuán)隊(duì)成功將磷光給體單元噻蒽與含有鹵素重原子的嘧啶受體單元相結(jié)合，構(gòu)筑扭曲的D-A分子結(jié)構(gòu)，有效降低單線態(tài)與三線態(tài)能隙（ΔEST），促進(jìn)單線態(tài)與激發(fā)三線態(tài)之間的系間竄躍和反向系間竄躍,賦予閃爍體磷光-熱激活延遲熒光雙發(fā)射的特性。實(shí)驗(yàn)表明，隨著溫度的升高，閃爍體的反系間穿躍過程占主導(dǎo)，材料主要展現(xiàn)出熱激活延遲熒光輻射發(fā)光特性，并且在接近400 K，閃爍體仍然展現(xiàn)優(yōu)異的輻射發(fā)光性能。隨著溫度的降低，閃爍體的反系間穿躍過程逐漸被抑制，而磷光輻射速率增強(qiáng)，使閃爍體在低溫主要呈現(xiàn)出磷光輻射發(fā)光特征。利用有機(jī)磷光-TADF雙發(fā)射的特性，閃爍體呈現(xiàn)出三重態(tài)激子自適應(yīng)的特征，在77K~400K溫度范圍內(nèi)均展現(xiàn)出優(yōu)異的X射線輻射發(fā)光性能。值得注意的是，該溫度自適應(yīng)閃爍體具有78229 Me V-1的高光產(chǎn)額和51 nGy s-1的低檢測(cè)限，其性能優(yōu)于已報(bào)道的多數(shù)有機(jī)閃爍體。
另外，鑒于閃爍體溫度自適應(yīng)的特征，探索了閃爍體在不同溫度下的X射線輻射成像，其最高成像空間分辨率可達(dá)21.7 lp mm-1。該研究成果不僅為開發(fā)新型閃爍體提供了新思路，同時(shí)擴(kuò)展了有機(jī)閃爍體在多溫度柔性X射線成像領(lǐng)域新應(yīng)用。
圖1 溫度自適應(yīng)有機(jī)閃爍體的X射線輻射發(fā)光機(jī)制。圖片來源：J. Am. Chem. Soc.
圖2 溫度自適應(yīng)雙發(fā)射有機(jī)閃爍體的光物理性質(zhì)。圖片來源：J. Am. Chem. Soc.
圖3 自適應(yīng)有機(jī)閃爍體用于多溫度X射線成像。圖片來源：J. Am. Chem. Soc.
這一成果近期發(fā)表在Journal of the American Chemical Society上，成果得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和浙江省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。文章第一作者是西北工業(yè)大學(xué)柔性電子研究院博士研究生董孟陽(yáng)和碩士研究生王子洋。
論文信息：https://doi.org/10.1021/jacs.4c12872
（文字：董孟陽(yáng)；審核：王學(xué)文）
