近日，西北工业大学黄维院士、谷龙教授在有机闪烁体领域取得了突破性研究进展，成功研制了一类具有温度自适应、低剂量、高灵敏度以及稳定性高的有机闪烁体新材料，展示了该类材料在X射线成像领域的潜在应用。研究成果以(“Temperature-Adaptive Organic Scintillators for X-ray Radiography”)为题近期发表在高水平学术期刊Journal of the American Chemical Society上。

X射线闪烁体是一类可以将高能X射线转换为低能可见光的发光材料，特殊的光电转换性能使其在辐射探测、X射线成像、放射治疗以及工业无损检测等领域具有广阔的应用前景。通常，闪烁体可分为无机闪烁体和有机闪烁体两大类。与无机闪烁体相比，有机闪烁体在材料制备、性能调控以及大面积制备等方面具有显著优势备受关注。传统有机闪烁体多数为荧光材料，由于自旋禁阻，经辐射复合产生的三线态激子通常以无辐射跃迁而耗散，导致材料低激子利用率，影响材料闪烁发光性能。与荧光材料相比，有机磷光和热激活延迟荧光（TADF）材料在X射线辐照下，可以充分利用三线态激子产生辐射发光，提高闪烁体的激子利用率，进而提高有机闪烁体的辐射发光性能。基于此，研究人员利用室温磷光材料和TADF材料，研发了一系列高激子利用率的有机闪烁体。但是，由于三线态激子容易受到外部环境温度的影响，从而影响材料辐射发光性能，限制了有机闪烁体在不同温度环境中的使用。

针对上述问题，西北工业大学黄维院士、谷龙教授和南京工业大学安众福教授、马会利教授，开发了一类具有温度自适应的高性能有机磷光-热激活延迟荧光双发射闪烁体。研究团队成功将磷光给体单元噻蒽与含有卤素重原子的嘧啶受体单元相结合，构筑扭曲的D-A分子结构，有效降低单线态与三线态能隙（ΔE_ST），促进单线态与激发三线态之间的系间窜跃和反向系间窜跃,赋予闪烁体磷光-热激活延迟荧光双发射的特性。实验表明，随着温度的升高，闪烁体的反系间穿跃过程占主导，材料主要展现出热激活延迟荧光辐射发光特性，并且在接近400 K，闪烁体仍然展现优异的辐射发光性能。随着温度的降低，闪烁体的反系间穿跃过程逐渐被抑制，而磷光辐射速率增强，使闪烁体在低温主要呈现出磷光辐射发光特征。利用有机磷光-TADF双发射的特性，闪烁体呈现出三重态激子自适应的特征，在77K~400K温度范围内均展现出优异的X射线辐射发光性能。值得注意的是，该温度自适应闪烁体具有78229 Me V^-1的高光产额和51 nGy s^-1的低检测限，其性能优于已报道的多数有机闪烁体。

另外，鉴于闪烁体温度自适应的特征，探索了闪烁体在不同温度下的X射线辐射成像，其最高成像空间分辨率可达21.7 lp mm^-1。该研究成果不仅为开发新型闪烁体提供了新思路，同时扩展了有机闪烁体在多温度柔性X射线成像领域新应用。

图1 温度自适应有机闪烁体的X射线辐射发光机制。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

图2 温度自适应双发射有机闪烁体的光物理性质。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

图3 自适应有机闪烁体用于多温度X射线成像。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society上，成果得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和浙江省自然科学基金等项目的支持。文章第一作者是西北工业大学柔性电子研究院博士研究生董孟阳和硕士研究生王子洋。

论文信息：https://doi.org/10.1021/jacs.4c12872

Temperature-Adaptive Organic Scintillators for X-ray Radiography

Mengyang Dong, Ziyang Wang, Zhenyi Lin, Yushan Zhang, Zhengkang Chen, Yiming Wu, Huili Ma, Zhongfu An, Long Gu, Wei Huang

（文字：董孟阳 审核：王学文）