異質(zhì)結(jié)閃爍體的設(shè)計(jì)、原理及性能

近日，鄭州大學(xué)物理學(xué)院、中原之光實(shí)驗(yàn)室宋繼中教授團(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦量子點(diǎn)閃爍體研究方向取得重要進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了兼具亮和快的鈣鈦礦量子點(diǎn)閃爍體，展示了在醫(yī)學(xué)實(shí)時X射線成像中的應(yīng)用。

鹵化鉛鈣鈦礦量子點(diǎn)(Perovskite quantum dots，PQDs)具有高原子序數(shù)，發(fā)光效率高、納秒級發(fā)光時間等優(yōu)點(diǎn)，是極具潛力的閃爍體材料。相比于傳統(tǒng)單晶閃爍體，PQDs具有高輻射硬度和低溫合成的優(yōu)勢，在極端高能射線(高輻射劑量)探測和超快核醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域具有一定潛力。近年來，PQDs閃爍體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備方法已取得了較多進(jìn)展，但是PQDs的自吸收問題仍然嚴(yán)重限制了輻射發(fā)光亮度，其光產(chǎn)額21,000 photons/MeV遠(yuǎn)低于商用CsI(Tl)的54,000 photons/MeV。

針對CsPbBr3QDs閃爍體光產(chǎn)額低、制備工藝兼容性差的問題，鄭州大學(xué)楊智、宋繼中等設(shè)計(jì)了一種多位點(diǎn)ZnS(Ag)-CsPbBr3異質(zhì)結(jié)，提出了原位固相合成策略制備異質(zhì)結(jié)閃爍體。基于光譜匹配和短D-A距離特性，通過穩(wěn)態(tài)RL光譜進(jìn)化，瞬態(tài)吸收和瞬態(tài)PL譜證明了ZnS(Ag)給體到CsPbBr3受體發(fā)生了高效的福斯特共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)，使得異質(zhì)結(jié)閃爍體獲得了光產(chǎn)額40,000 photons/ MeV，明顯高于直接物理混合閃爍體的30,000 photons/MeV，證明了FRET導(dǎo)致的輻射增強(qiáng)可以在一定程度上彌補(bǔ)自吸收光損失。同時異質(zhì)結(jié)閃爍體具有36 ns的快發(fā)光衰減時間和高的空間分辨率30 lp/mm。基于高光產(chǎn)額、快發(fā)光和高分辨成像的優(yōu)勢，異質(zhì)結(jié)閃爍體展示了優(yōu)異的高速動態(tài)X-ray成像性能，模擬了醫(yī)學(xué)高速血管造影，在200幀/秒的速度和10 mGyairs?1劑量率下觀察到11 cm/s的碘對比劑液流速度。該工作為設(shè)計(jì)和制造高性能異質(zhì)閃爍體提供了新的方案，展示了兼具快和亮的閃爍體在實(shí)時X射線成像中的重要作用。

研究成果以“Designer bright and fast CsPbBr3perovskite nanocrystal scintillators for high-speed X-ray imaging”為題發(fā)表于《Nature Communications》上。論文的第一作者為楊智副研究員，通訊作者為宋繼中教授，鄭州大學(xué)物理學(xué)院為獨(dú)立通訊單位。該項(xiàng)工作得到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、河南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助。

審核編輯 黃宇