KAUST-forskare har utvecklat en mycket effektiv och reabsorptionsfri organisk röntgenbildscintillator som har betydande potential inom medicinsk radiografi och säkerhetsscreeningstillämpningar. Kredit:KAUST; Ella Marushchenko
En nanokomposit som absorberar röntgenstrålar och sedan, med nästan perfekt effektivitet, återutsänder den infångade energin som ljus, kan hjälpa till att förbättra högupplöst medicinsk bildbehandling och säkerhetsscreening. Materialets nästan 100 procent energiöverföring kan ge effektivitetsvinster i enheter som sträcker sig från lysdioder (LED) och röntgenbildscintillatorer, hela vägen till solceller.
Under en medicinsk bildprocedur absorberas röntgenstrålar som passerar genom kroppen av ett scintillatormaterial, som omvandlar röntgenstrålar till ljus för en sensor av digitalkameratyp. "Hittills består högpresterande scintillatorer huvudsakligen av antingen keramik som kräver hårda och kostsamma beredningsförhållanden, eller perovskitmaterial som har dålig luft- och ljusstabilitet och hög toxicitet", säger Jian-Xin Wang, postdoc vid Omar Mohammeds labb som ledde arbetet.
Organiska scintillatormaterial har däremot god bearbetningsförmåga och stabilitet men låg bildupplösning och detektionskänslighet på grund av den låga atomvikten – och sålunda begränsade röntgenabsorption – hos deras ingående atomer.
Mohammed och hans kollegor har nu förbättrat röntgeninfångningen av organiska scintillatorer genom att kombinera dem med ett metall-organiskt ramverk (MOF), Zr-fcu-BADC-MOF, som innehåller zirkonium med hög atomvikt i högt ordnade strukturer.
När MOF-skiktet av nanokompositen träffades av röntgenstrålar, genererades excitoner - exciterade par av negativt laddade elektroner och positivt laddade hål. Dessa energibärare överfördes lätt från MOF till den organiska TADF-kromoforen, med hjälp av det ultrakorta avståndet mellan dem, och energin avgavs som ljus.
Kritiskt för nanokompositens totala effektivitet, avgav TADF-kromoforen ljus oavsett excitonform. "Singlet"-excitoner resulterade i direkt ljusemission och TADF-kromoforen omvandlade lätt icke-emitterande "triplett"-excitoner till det emissiva singletttillståndet. "Den direkta utnyttjandet av singlett- och triplettexcitoner av TADF-kromoforerna bidrog i hög grad till dess anmärkningsvärt förbättrade radioluminescensintensitet och röntgenstrålningskänslighet," säger Wang.
På grund av sin nästan 100 procent effektiva överföring av energi från röntgenstrålar till ljus, nådde nanokompositscintillatorn bildupplösning ner till några hundra mikrometer och en detektionsgräns som är 22 gånger lägre än typiska medicinska röntgenbilder, tillägger Wang.
Konceptet bekräftades när teamet använde en närbesläktad strategi, som visade att TADF-kromoforen också kunde kombineras med perovskites nanosheets för att producera nanokompositer med utmärkt röntgenbildscintillatorprestanda. Återigen var effektiv energiöverföring möjlig genom det ultrakorta avståndet mellan skikten och TADF-kromoforens direkta användning av både singlett- och triplettexciterade tillstånd. I det här fallet förhöjdes materialets detektionsgräns ännu mer och nådde 142 gånger lägre än en typisk medicinsk röntgenbilddos.
"Vår energiöverföringsstrategi främjar organiska röntgenbildscintillatorer från ett nästan dött forskningsfält till en av de mest spännande tillämpningarna för radiologi och säkerhetsscreening. Den gäller även andra ljusomvandlingsapplikationer inklusive lysdioder och solceller, säger Mohammed. "We are planning to further improve the performance of our large-scale X-ray imaging scintillators before we take it to the market." + Utforska vidare
