1895年，威廉·倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線(xiàn)，并于1901年被授予諾貝爾獎(jiǎng)，這一發(fā)現(xiàn)不僅對(duì)醫(yī)學(xué)診斷有重大的影響，還直接影響了后期許多的重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)。早期的射線(xiàn)照相技術(shù)涉及使X射線(xiàn)穿過(guò)物體并在攝影膠片上捕獲剩余光束的圖像。在1980年代初期，開(kāi)發(fā)了一種稱(chēng)為計(jì)算機(jī)射線(xiàn)照相術(shù)的方法，其具有低圖像分辨率和高成本等缺點(diǎn)。在1990年代中期，開(kāi)發(fā)了替代性的數(shù)字X射線(xiàn)成像技術(shù)，其中X射線(xiàn)能量直接或間接地直接轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，而不是通過(guò)后續(xù)處理潛像來(lái)實(shí)現(xiàn)。通常使用平板X(qián)射線(xiàn)探測(cè)器執(zhí)行數(shù)字射線(xiàn)照相，該探測(cè)器由一層閃爍體（將X射線(xiàn)轉(zhuǎn)換成光的材料）和一層高度像素化的光電晶體管組成，后者將發(fā)射的光轉(zhuǎn)換成電流以進(jìn)行計(jì)算圖像重建。但是，盡管進(jìn)行了大量的研究工作，但這些扁平的非柔性X射線(xiàn)探測(cè)器無(wú)法生成彎曲或不規(guī)則形狀的3D物體的高分辨率圖像。發(fā)光材料是X射線(xiàn)感測(cè)的關(guān)鍵工具，一種被稱(chēng)為含鑭系元素的熒光粉已廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域，包括生物檢測(cè)和納米熱測(cè)量。這些熒光粉中的一些可以在光照射后發(fā)光幾秒鐘、幾分鐘甚至幾小時(shí)。關(guān)于這種持續(xù)發(fā)光的起源是有爭(zhēng)議的，但是普遍的看法是磷光體晶格中的缺陷通過(guò)捕獲輻照產(chǎn)生的激發(fā)的電荷載流子而發(fā)揮了很大的作用。在常規(guī)的含鑭系元素的熒光粉合成過(guò)程中，將其加熱到高溫（有時(shí)會(huì)高達(dá)1700°C）會(huì)產(chǎn)生缺陷。但是，這種處理會(huì)產(chǎn)生較大的熒光粉顆粒，不適用于制造柔性的大面積X射線(xiàn)檢測(cè)器。近日，新加坡國(guó)立大學(xué)劉小鋼、福州大學(xué)楊黃浩、陳秋水等人在Nature雜志上發(fā)表文章，報(bào)告了使用納米晶體可以捕獲X射線(xiàn)能量數(shù)周的潛在解決方案。研究人員演示了使用一系列可溶液處理，摻雜鑭系元素的納米閃爍體實(shí)現(xiàn)的無(wú)平板、高分辨率、三維成像的超長(zhǎng)壽命X射線(xiàn)捕獲。為了解釋這種行為，作者提出晶格中的氟離子可以通過(guò)與X射線(xiàn)光子的碰撞而被置換。這會(huì)產(chǎn)生空位，這些空位處的離子以及間隙中的氟化物離子通常不會(huì)被占用。空位與間隙原子配對(duì)以在稱(chēng)為Frenkel缺陷的晶格中產(chǎn)生不規(guī)則性。圖|摻雜鑭系元素的持久發(fā)光納米閃爍體的表征作者的量子力學(xué)計(jì)算表明，F(xiàn)renkel缺陷充當(dāng)納米晶體中載流子的陷阱，并且陷阱具有不同的深度（即，被俘獲的載流子需要逃逸的能量大小有所不同）。但是，在環(huán)境條件下，淺陷阱中載流子的能量可以緩慢逸出并遷移到晶格中的鑭系離子。該過(guò)程與缺陷的自我修復(fù)同時(shí)發(fā)生。研究人員發(fā)現(xiàn)，這種能量遷移產(chǎn)生的發(fā)光可以持續(xù)30天以上。這種持久性具有潛在性應(yīng)用，因?yàn)榕c以前使用的熒光粉相比，這種持久性延長(zhǎng)了潛像在被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行分析之前可以在檢測(cè)器中存儲(chǔ)的時(shí)間段。圖|鑭系元素?fù)诫s納米閃爍體中X射線(xiàn)能量俘獲的機(jī)理研究研究人員使用這些持久發(fā)光納米晶體制作了用于高分辨率3D射線(xiàn)照相的柔性X射線(xiàn)探測(cè)器，并開(kāi)發(fā)了一種稱(chēng)為X射線(xiàn)發(fā)光擴(kuò)展成像（Xr-LEI）的新技術(shù)。探測(cè)器由一塊硅酮聚合物組成，其中嵌入了納米晶體。硅酮聚合物被包裹在要成像的3D物體上，然后用X射線(xiàn)照射。電荷載流子被捕獲在X射線(xiàn)穿過(guò)的檢測(cè)器區(qū)域內(nèi)的納米晶體的Frenkel缺陷中，從而產(chǎn)生殘留X射線(xiàn)束的潛像。然后將檢測(cè)器移出并加熱到80°C，隨著被捕獲的電荷載流子的能量被激發(fā)遷移為鑭系元素離子，從而將潛像迅速轉(zhuǎn)換為發(fā)光體。生成的圖像可以簡(jiǎn)單地使用數(shù)碼相機(jī)或智能手機(jī)記錄。作者通過(guò)使用其可視化彎曲電路板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)展示其技術(shù)的功能。他們發(fā)現(xiàn)，如果將檢測(cè)器應(yīng)用于被檢測(cè)對(duì)象，則將其拉長(zhǎng)可以提高圖像的分辨率。通過(guò)將納米晶體嵌入高度可拉伸的硅樹(shù)脂中，作者獲得了約25微米的分辨率。這遠(yuǎn)高于使用常規(guī)平板檢測(cè)器可獲得的分辨率（通常約為100微米）。在將Xr-LEI轉(zhuǎn)化為醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用之前，需要解決幾個(gè)問(wèn)題。如：1）探測(cè)器的X射線(xiàn)靈敏度還有改進(jìn)的空間，因?yàn)橹挥猩倭康募{米顆粒（約2%的重量）被加入硅酮片中。2）更為根本的是，還需要進(jìn)一步了解Frenkel缺陷如何影響發(fā)光，但這帶來(lái)了挑戰(zhàn)（例如，很難識(shí)別由X射線(xiàn)照射形成的Frenkel缺陷）。時(shí)間分辨的X射線(xiàn)吸收光譜法和固態(tài)核磁共振光譜法等先進(jìn)技術(shù)可用于直接探測(cè)導(dǎo)致缺陷形成的氟離子位置的變化。盡管如此，本文提出的見(jiàn)解開(kāi)辟了一條有希望的研究途徑，可能為無(wú)創(chuàng)醫(yī)學(xué)放射學(xué)和納米電子學(xué)檢查提供一種新的方法。值得注意的是，新加坡國(guó)立大學(xué)劉小鋼、西北工業(yè)大學(xué)黃維、福州大學(xué)楊黃浩在2018年曾合作報(bào)道了一種含有Cs和Pb的全無(wú)機(jī)鈣鈦礦納米晶閃爍體，并展示了它們用于超靈敏X射線(xiàn)傳感和低劑量數(shù)字X射線(xiàn)技術(shù)的應(yīng)用。Ou, X., et al. High-resolution X-ray luminescence extension imaging. Nature 590, 410–415 (2021).https://doi.org/10.1038/s41586-021-03251-6
