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原文作者：Albano N. Carneiro Neto & Oscar L. Malta 研究表明，用长余辉纳米晶制备柔性X射线探测器，在3D物体成像质量方面优于目前广泛采用平板探测器的X射线成像技术。  早期射线成像技术通过X光照射待测物体，再用胶片捕获未被物体吸收的X光形成图像。上世纪八十年代初，被称为计算机X线摄影的方法得到发展，它用一种影像板装置取代了胶片。影像板含用名为闪烁体的化合物，它们受X光辐射时会产生受激电荷载流子，这些载流子被锚定在受激形成的位置附近，因此生成了未被吸收X射线的潜影。接着通过激光扫描影像板将潜影转化为荧光，再将荧光转化为数字信号并交由计算机处理和重建最终图像[3]。不过计算机X线摄影技术有几个缺点，如分辨率低、成本高。 到90年代中期，出现了替代型X射线成像技术，其中X射线被立即直接或间接转化为电流信号[4]，而不再是后期通过处理潜影获取。数字射线成像系统通常包括：X射线平板探测器——其中含有一层闪烁体材料，可将射线转化为可见光；一层高度像素化的光敏晶体管——负责将光转化为电流以便计算机重建图像。可是，当人们费尽心力，试图用这些平直的刚性平板探测器获取3D物体弯曲或不规则的轮廓时，却屡屡碰壁。 荧光材料是X射线感应技术的关键物料，一类基于稀土元素的闪烁体被广泛应用于生物检测、纳米级温度测量[5,6]等诸多领域中。其中某些闪烁体在射线辐射后可持续发出数秒、数分钟甚至数小时余辉[7-9]。产生长余辉的根源目前仍有争论[9]，但各方都认同闪烁体晶格缺陷在束缚受辐射生成的载流子方面扮演主要角色。传统含稀土元素的闪烁体在合成时受高温（有时高达1700°C）加热会产生上述晶格缺陷[7]。这种处理工艺却会产生粗颗粒闪烁体，无法用来制备大面积柔性X射线探测器。 近日，欧翔宇等人撰文指出含稀土元素的纳米晶可在晶格缺陷中束缚X射线辐射激发的载流子长达数周之久。为解释这种行为，作者认为晶格中的氟离子经X射线光子碰撞后发生位移。这在氟离子原本的位置产生空位，并在氟离子正常情况不会占据的位置产生填隙。成对的空位和填隙形成不规则晶格，这被称为弗仑克尔缺陷[10]。 作者基于量子力学的演算表明，弗仑克尔缺陷在纳米晶体内对电荷载流子形成陷阱效应，且其陷阱深度有高有低（即电荷载流子逃逸所需能量有大有小）。不过在常温常压状态下，低能陷阱中的电荷载流子能量可以缓慢散逸并迁移到晶格里的稀土离子上。该过程与晶格缺陷的自我修复同时发生。团队发现的正是这种迁移产生了超过30天的长余晖。这种现象对于实际应用充满潜力：相比之前使用的闪烁体，它延长了探测器捕获的潜影在被转化为电流信号加以分析之前可以存储的时间。 针对3D物体的高分辨率X光摄影需求，欧翔宇等人使用这些长余辉纳米晶制备了柔性X射线探测器，开发出一种他们称之为X射线发光扩展成像（Xr-LEI）的技术。该探测器由一层参杂纳米晶的有机硅聚合物薄片组成（图1）。探测时薄片包围待成像三维物体，再用X射线照射。在探测器上X射线照到的区域，电荷载流子被纳米晶弗仑克尔缺陷所捕获并形成未被吸收X射线的潜影。而后取下探测器并加热至80°C，随着被捕获的电荷载流子受激转移至稀土离子上，潜影被快速转化为荧光。再用数码相机或者手机即可轻松获取所呈现的图像。  图1 | 弯曲物体的高分辨率X射线成像。欧翔宇等人[2]报道的柔性X射线探测器——适用于3D物体成像。该探测器包含一层参杂了纳米晶的透明聚合物薄片，可以对待测物体未吸收的X射线进行成像。a, b：图中柔性电路板被弯曲成稍微压扁的圆柱体形状，探测器延电路板内壁随形摆放。探测器给出了弯曲物体前后两面的清晰图像。c. 供比较：目前广泛用于X光成像的平板探测器只能提供上述电路板前后侧的重叠图像。图中比例尺长度1厘米。（图像取自参考文献[2]） 作者通过可视化卷曲电路板内部结构演示了前述新技术的性能。他们发现检测时延展探测器可以提高图像分辨率。在高延展性有机硅内参杂纳米晶，他们实现了25微米左右的分辨率。这比传统平板探测器通常能达到的100微米精度要高得多。 在Xr-LEI技术落地为实际医学和工业应用前，有几个问题需要解决。例如该探测器灵敏度仍有提升空间，目前有机硅片只含少量纳米晶（约2%质量比）。更基础的工作包括理解弗仑克尔缺陷影响荧光的机理，但这颇具挑战——比如很难界定哪些弗仑克尔缺陷是X射线辐射引起的。或许时间解析X射线吸收光谱法，以及固态核磁共振光谱法等先进检测方法，可以直接探测到导致晶格缺陷的氟离子位置偏移。无论如何，欧翔宇等人的发现打开了一个前景可期的研究路线，或许能为无创医学X光摄像和纳米电子检测等需求提供新的方案。 参考文献： 1. Röntgen, W. C. Nature 53, 274–276 (1896). 2. Ou, X. et al. Nature 590, 410–415 (2021). 3. von Seggern, H. Braz. J. Phys. 29, 254–268 (1999). 4. Körner, M. et al. RadioGraphics 27, 675–686 (2007). 5. Bünzli, J.-C. G. J. Luminesc. 170, 866–878 (2016). 6. Bednarkiewicz, A., Marciniak, L., Carlos, L. D. & Jaque, D. Nanoscale 12, 14405–14421 (2020). 7. Poelman, D., Van der Heggen, D., Du, J., Cosaert, E. & Smet, P. F. J. Appl. Phys. 128, 240903 (2020). 8. Miranda de Carvalho, J. et al. J. Mater. Chem. C 6, 8897–8905 (2018). 9. Xu, J. & Tanabe, S. J. Luminesc. 205, 581–620 (2019). 10. Lushchik, C. B. in Modern Problems in Condensed Matter Sciences (eds Johnson, R. A. & Orlov, A. N.) 473–525 (Elsevier, 1986). 原文以Glowing nanocrystals enable 3D X-ray imaging标题发表在2021年2月17日的《自然》的新闻与观点版块上 doi: 10.1038/d41586-021-00350-2 |
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