近日，西北工業大學黃維院士、谷龍教授在有機閃爍體領域取得了突破性研究進展，成功研制了一類具有溫度自適應、低劑量、高靈敏度以及穩定性高的有機閃爍體新材料，展示了該類材料在X射線成像領域的潛在應用。研究成果以(“Temperature-Adaptive Organic Scintillators for X-ray Radiography”)為題近期發表在高水平學術期刊Journal of the American Chemical Society上。

X射線閃爍體是一類可以將高能X射線轉換為低能可見光的發光材料，特殊的光電轉換性能使其在輻射探測、X射線成像、放射治療以及工業無損檢測等領域具有廣闊的應用前景。通常，閃爍體可分為無機閃爍體和有機閃爍體兩大類。與無機閃爍體相比，有機閃爍體在材料制備、性能調控以及大面積制備等方面具有顯著優勢備受關注。傳統有機閃爍體多數為熒光材料，由于自旋禁阻，經輻射復合產生的三線態激子通常以無輻射躍遷而耗散，導致材料低激子利用率，影響材料閃爍發光性能。與熒光材料相比，有機磷光和熱激活延遲熒光（TADF）材料在X射線輻照下，可以充分利用三線態激子產生輻射發光，提高閃爍體的激子利用率，進而提高有機閃爍體的輻射發光性能。基于此，研究人員利用室溫磷光材料和TADF材料，研發了一系列高激子利用率的有機閃爍體。但是，由于三線態激子容易受到外部環境溫度的影響，從而影響材料輻射發光性能，限制了有機閃爍體在不同溫度環境中的使用。

針對上述問題，西北工業大學黃維院士、谷龍教授和南京工業大學安眾福教授、馬會利教授，開發了一類具有溫度自適應的高性能有機磷光-熱激活延遲熒光雙發射閃爍體。研究團隊成功將磷光給體單元噻蒽與含有鹵素重原子的嘧啶受體單元相結合，構筑扭曲的D-A分子結構，有效降低單線態與三線態能隙（ΔEST），促進單線態與激發三線態之間的系間竄躍和反向系間竄躍,賦予閃爍體磷光-熱激活延遲熒光雙發射的特性。實驗表明，隨著溫度的升高，閃爍體的反系間穿躍過程占主導，材料主要展現出熱激活延遲熒光輻射發光特性，并且在接近400 K，閃爍體仍然展現優異的輻射發光性能。隨著溫度的降低，閃爍體的反系間穿躍過程逐漸被抑制，而磷光輻射速率增強，使閃爍體在低溫主要呈現出磷光輻射發光特征。利用有機磷光-TADF雙發射的特性，閃爍體呈現出三重態激子自適應的特征，在77K——400K溫度范圍內均展現出優異的X射線輻射發光性能。值得注意的是，該溫度自適應閃爍體具有78229 Me V-1的高光產額和51 nGy s-1的低檢測限，其性能優于已報道的多數有機閃爍體。

另外，鑒于閃爍體溫度自適應的特征，探索了閃爍體在不同溫度下的X射線輻射成像，其最高成像空間分辨率可達21.7 lp mm-1。該研究成果不僅為開發新型閃爍體提供了新思路，同時擴展了有機閃爍體在多溫度柔性X射線成像領域新應用。

圖1 溫度自適應有機閃爍體的X射線輻射發光機制。圖片來源：J. Am. Chem. Soc.

圖2 溫度自適應雙發射有機閃爍體的光物理性質。圖片來源：J. Am. Chem. Soc.

圖3 自適應有機閃爍體用于多溫度X射線成像。圖片來源：J. Am. Chem. Soc.

這一成果近期發表在Journal of the American Chemical Society上，成果得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金和浙江省自然科學基金等項目的支持。文章第一作者是西北工業大學柔性電子研究院博士研究生董孟陽和碩士研究生王子洋。