異質(zhì)結(jié)閃爍體的設(shè)計、原理及性能

近日，鄭州大學(xué)物理學(xué)院、中原之光實驗室宋繼中教授團隊在鈣鈦礦量子點閃爍體研究方向取得重要進展，實現(xiàn)了兼具亮和快的鈣鈦礦量子點閃爍體，展示了在醫(yī)學(xué)實時X射線成像中的應(yīng)用。

鹵化鉛鈣鈦礦量子點(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，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)計和制備方法已取得了較多進展，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)計了一種多位點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)致的輻射增強可以在一定程度上彌補自吸收光損失。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)院為獨立通訊單位。該項工作得到國家自然科學(xué)基金項目、河南省自然科學(xué)基金項目資助。

審核編輯 黃宇