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开门红!福州大学杨黄浩/陈秋水、NUS刘小钢再发《Nature》:X射线成像技术取得重大突破!

高分子科学前沿

作者|高分子科学前沿 来源|高分子科学前沿(ID:Polymer-science)

X射线成像技术的发展和挑战

1895年,德国科学家威廉·伦琴(Wilhelm Röntgen)发现X射线,又称伦琴射线。随后的一百多年,X射线在医学、安检、无损检测、工业探伤等领域中起着举足轻重的地位。

早期的射线照相技术的原理是使X射线穿过物体并在摄影胶片上捕获剩余光束的图像。1981年日本富士公司推出数字化X射线成像技术(Computed Radiography,即CR)。CR技术采用影像板代替传统的胶片/增感屏来记录X射线,再用激光激励影像板,通过专用的读出设备读出影像板存储的数字信号,之后再用计算机进行处理和成像。

1997年,又出现了直接数字化X射线成像技术(Digital Radiography,即DR),DR技术的探测器可以迅速将探测到的X射线信号直接转化为数字信号输出,而不需要CR中的激光扫描和专用的读出设备。

20世纪90年代中期出现了平板型探测器(FPD),可以直接将二维投影转化为数字信号,是当前的主流技术。该探测器由一层闪烁体(将X射线转换成光的材料)和一层高度像素化的光电薄膜晶体管(TFT)组成,后者将发射的光转换成电流以进行计算图像重建。

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X射线平板探测器 FPD产品(佳能电子管器件株式会社)

尽管集成了TFT的平板探测器为X射线检测和射线照相重建提供了高灵敏度,但同时也对高分辨率X射线成像提出了严峻的挑战。此外,平板检测器价格昂贵并且不适用于弯曲或不规则形状的物体的三维(3D)X射线成像。因此,柔性X射线检测器尚未得到很好的开发。如何对弯曲或不规则形状的3D物体进行高分辨率X射线成像一直是一个巨大的挑战。

何为闪烁体材料

闪烁体材料是X射线成像技术中的核心材料,它可吸收高能量的X光子并将之转化为低能量的可见光,以实现X射线的检测与成像。那么何为闪烁体呢?可能很多人都没有听过这个词。

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各种闪烁晶体

闪烁体是一类吸收高能粒子或射线后能够发光的材料,可用于辐射探测和安全防护,通常在应用中将其加工成晶体,称为闪烁晶体。近年来,随着各领域对辐射探测材料的不断增加的需求,对于闪烁体的研究也显得越来越重要。

目前,传统的闪烁体材料一直受限于高温合成、难以在柔性基底上大面积制备、成本昂贵、发光效率有限、辐射发光波长不易精细控制等问题。

2018年,刘小钢教授团队首次报道全无机钙钛矿纳米晶闪烁体

为解决上述问题,2018年8月27日,新加坡国立大学刘小钢教授团队联合西北工业大学黄维院士、福州大学杨黄浩教授,在《Nature》上刊文首次报道了一类含有Cs和Pb的全无机钙钛矿纳米晶闪烁体(All-inorganic perovskite nanocrystal scintillators)。

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该闪烁体在X射线辐射下可产生较强的辐射发光,发出颜色连续可调的全色域可见光,并由此实现了对X射线的超灵敏检测与高分辨成像,解决了该研究领域的一个重大技术挑战。此外,该类钙钛矿纳米晶闪烁体的发现为制备大面积柔性闪烁体膜提供了可能性,极大地提高了X射线检测与成像灵敏度,降低X射线在医学诊断和X光机安全检查等方面的辐射使用剂量,在医学诊断、国防、安检、半导体工业等高、精、尖技术领域均有重要的应用前景。

2021年再次取得重大突破!持续发光的镧系元素掺杂纳米晶闪烁体实现3D高分辨成像

时隔两年半,福州大学陈秋水和杨黄浩联合新加坡国立大学刘小钢教授,再次在《Nature》上刊登关于闪烁体研究的最新成果。团队成员合成了一类含镧系元素的纳米晶闪烁体,该晶体可以将X射线辐照产生的激发电荷载流子存储在晶格缺陷中数周,可诱导超过30天的持续放射发光。团队成员利用这些持久发光纳米晶体,制造了用于高分辨率3D射线照相的柔性X射线探测器,并开发了一种称为X射线发光扩展成像(Xr-LEI)的新技术。使用该技术能够在X射线终止后对高度弯曲的3D对象执行射线照相,而这是常规平板X射线探测器或基于同步加速器的X射线显微镜无法实现的。研究成果以“High-resolution X-ray luminescence extension imaging”为题,于2021年2月17日发表在《Nature》上。

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镧系元素掺杂的纳米晶闪烁体为何可以持续发光?

要点一:研究人员通过,共沉淀法合成了一系列掺Tb3 +的NaLuF4纳米闪烁体,这些纳米晶体可以将X射线辐照产生的激发电荷载流子存储在晶格缺陷中数周(图1)。为了解释这种行为,研究人员提出晶格中的氟离子可以通过与X射线光子的碰撞而被置换,从而产生空位,这些空位处的离子以及间隙中的氟化物离子通常不会被占用。空位与间隙一起配对,在称为Frenkel缺陷的晶格中产生不规则现象。

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图1. 镧系元素掺杂的纳米晶闪烁体的表征。

要点二:通过缺陷形成和电子结构的量子力学模拟证实,Frenkel缺陷充当纳米晶体中载流子的陷阱,并且陷阱具有不同的深度(图2)。也就是说,被俘获的载流子需要逃逸的能量大小有所不同。但是,在环境条件下,浅陷阱中载流子的能量可以缓慢逸出并迁移到晶格中的镧系离子,这种能量迁移产生的发光可以持续30天以上。

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图2. 镧系元素掺杂纳米闪烁体中X射线能量俘获的机理研究。

柔性X射线探测器及X射线发光扩展成像新技术

要点三:进一步,研究人员使用这些持久发光纳米晶体制造了用于高分辨率3D射线照相的柔性X射线探测器,并开发了一种称为X射线发光扩展成像(Xr-LEI)的新技术。该探测器由一块嵌入纳米晶体的硅酮聚合物组成(图3)。

Xr-LEI技术原理:将该柔性探测器包裹在要成像的3D对象上,然后用X射线照射。电荷载流子被捕获在X射线穿过的检测器区域内的纳米晶体的Frenkel缺陷中,从而产生残留X射线束的潜像。然后将检测器移出并加热到80°C,随着被捕获的载流子的能量被激发迁移为镧系元素离子,从而将潜像迅速转换为发光体。而且,生成的图像可以简单地使用数码相机或智能手机记录。

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图3. 弯曲物体的高分辨率X射线成像技术(Xr-LEI)。

要点四:研究人员通过使用其可视化弯曲电路板的内部结构来展示其技术的功能。研究发现,如果将检测器应用于被调查对象,则将其拉长可以提高图像的分辨率。通过将纳米晶体嵌入高度可拉伸的硅树脂中,研究人员获得了约25微米的高分辨率,这远高于使用常规平板检测器可获得的分辨率(通常约为100微米)。

要点五:进一步证明了X射线发光扩展成像的分辨率大于每毫米20条线对(图3f),并且光学存储时间超过15天。这些发现提供了对通过持久电子俘获进行X射线能量转换的基础机制的深刻见解,并为激发以患者为中心的X射线和X线摄影,以图像为指导的治疗方法,高能物理和深度学习的可穿戴X射线探测器的未来研究提供了范例。

同期,巴西伯南布哥联邦大学Oscar L. Malta和葡萄牙阿威罗大学Albano N. Carneiro Neto两人受邀在《Nature》发表评论和观点。两人对刘小钢教授等人的工作给予了高度评价,称:持久发光的纳米晶体已经被用来制造柔性X射线探测器,该探测器能够产生对高度弯曲的3D物体进行高分辨成像,性能比广泛使用的平板探测器更好。

同时,他们也指出,在将Xr-LEI技术应用于医疗和工业等领域之前,还有以下几个问题需要解决:

1. 文中仅少量的纳米颗粒(约2重量%)被掺入到硅树脂片中,所以检测器的X射线灵敏度存在改善的空间。

2. 从根本上讲,还需要进行进一步的工作来准确地了解Frenkel缺陷如何影响发光,但这本身充满了挑战。尽管时间分辨的X射线吸收光谱法和固态核磁共振光谱法等先进技术可用于直接探测导致缺陷形成的氟离子位置的变化,但还是很难识别由X射线照射形成的Frenkel缺陷。

作者简介

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杨黄浩,福州大学教授。2011年获国家杰出青年科学基金,2013年入选教育部长江学者特聘教授,2014年入选国家万人计划,2014年入选英国皇家化学会会士,2015年入选全国先进工作者。曾任福州大学化学学院副院长、生物科学与工程学院院长、教育部重点实验室主任,现任福州大学副校长、教育部创新团队带头人、福建省工程研究中心主任。在科学研究方面,围绕分析化学、纳米医学、生物医学工程等领域进行了较为深入的研究,在方法学和实际应用方面取得了系统性的创新研究成果。已主持国家973计划课题1项、国家863计划课题2项、国家重大科学仪器设备开发专项课题1项、国家自然科学基金重点项目2项。已发表学术论文150余篇,其中发表在Nature、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等影响因子大于10刊物的论文40余篇。发表论文总引用次数超过19800次(H因子=73),单篇论文最高被引用2200余次。

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陈秋水,福州大学教授、博士生导师。2009年本科毕业于福州大学,2014年于清华大学化学系获得理学博士学位,2012-2013年期间先后在美国大学哈佛医学院和工程与应用科学学院学习,2015-2019年期间在新加坡国立大学化学系从事博士后研究。主要研究方向为纳米生物分析化学与纳米光学生物成像的新理论新方法,研究涉及微流控芯片细胞分析、纳米生物传感、稀土掺杂纳米发光材料/钙钛矿纳米晶体合成、机理与应用。近年来,在国际主流学术期刊上发表论文30余篇,包括Nature、Nat. Commun、 Angew. Chem. Int. Ed.、Lab Chip、Anal. Chem.等,申请美国专利1项,撰写编写4部专著章节。获中国分析测试协会科学技术特等奖(4/5),入选福建省“闽江学者”特聘教授。

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刘小钢,新加坡国立大学化学系教授,新国大苏研院功能材料中心主任、首席研究员,其领导的研究小组已承担国家自然科学基金、2011协同创新中心、苏州市纳米专项等多项科研项目。研究领域包括纳米材料制备和组装、生物无机化学和超分子化学等,尤其在稀土掺杂上转换发光纳米材料性能的研发及其在3D显示、生物成像、分子检测和光学防伪等应用领域取得了突破性进展。刘小钢教授曾荣获新加坡总统府授予的总统科学奖(2016)、英国皇家化学会《化学会评论》新科学家奖(2012)、台湾国家科学委员会讲学奖(2012)、新加坡国立大学青年研究学者奖(2011)以及巴斯夫-新加坡国家化学研究院材料化学奖(2010)等,在Science、Nature、Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Communications、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials等诸多国际顶级刊物上发表了120余篇SCI论文,被引用共计一万七千余次,其中最高单篇引用一千七百余次,连续多年被汤姆森路透集团统计为国际高被引学者。

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编者按:本文转载自微信公众号:高分子科学前沿(ID:Polymer-science)


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