刘小钢院士，最新Nature Photonics！

米测MeLab

2024-12-19

研究背景

电离辐射的探测是医疗影像、环境监测以及天文学等领域的关键技术。为满足这些领域的需求，人们开发了多种能够响应X射线的发光材料。与传统的陶瓷和钙钛矿闪烁体相比，有机发光材料因其柔性和成本效益受到关注。然而，这些材料在X射线探测中面临弱X射线吸收和三重态激子利用率低等问题，导致其闪烁效率较低。此外，传统材料还存在制造复杂、环境毒性、自吸收和稳定性不足等挑战，亟需开发新型高效、安全的闪烁材料。

为了解决这一问题，新加坡国立大学刘小钢院士、厦门大学吴艺明教授以及福建师范大学覃弦教授携手在“Nature Photonics”期刊上发表了题为“Ultrabright molecular scintillators enabled by lanthanide-assisted near-unity triplet exciton recycling”的最新论文。该团队通过分子设计策略，开发了一种基于有机配体的镧系金属配合物。通过合理调控配体的三线态能级，实现了镧系中心对暗三线态激子的近乎单位效率提取，从而有效回收了次级X射线弛豫过程中损失的能量。研究表明，该设计使辐射发光效率提升了三个数量级以上。

研究人员进一步优化了金属中心和配位环境，使得该有机镧系闪烁体的光谱范围可调，从紫外覆盖到近红外，激发态寿命则可在几十纳秒至数百微秒之间灵活调控。利用这一特性，该闪烁体成功实现了高分辨率放射成像，并展示了在X射线介导光动力治疗中的应用潜力。

研究亮点

1）实验首次利用有机配体设计策略，回收次级X射线弛豫过程中损失的能量，成功提升了镧系金属配合物的辐射发光效率。这种设计通过调控配体的三线态能量，实现了镧系中心对暗三线态激子的近乎单位效率提取，使辐射发光增强了三个数量级以上。

2）实验通过共振能量转移机制，将次级X射线产生的激子传递至镧系中心，显著提高了辐射发光的效率。相比现有的有机或无机闪烁体，这种方法展现出数量级更高的辐射发光效率，证明了有机镧系分子在高性能闪烁体设计中的潜力。

3）通过定制金属中心及其配位环境，研究实现了从紫外到近红外的光谱调控，并可调节寿命至几十纳秒到数百微秒不等。这种灵活性使有机镧系闪烁体适用于高分辨率放射成像和X射线介导的光动力治疗等应用场景。

图文解读

图 1. 通过分子三重态激子介导的能量回收放大 RL

图 2. 有机镧系闪烁体中三线态激子介导的能量回收的光物理研究和机理研究

图 3. 有机镧系闪烁体的性能特征

图 4. 体内 X-PDT

总结展望

本文提出了一种高效且通用的分子设计策略，能够使辐射发光（RL）强度提高三个数量级以上。这种提升得益于在镧系金属配合物中回收X射线诱导的三线态激子。通过调控分子天线的三线态能级，可以高效捕获次级X射线吸收过程中生成的暗三线态激子。这一过程使得RL效率超越了传统的有机闪烁体和无机LYSO:Ce晶体，并且与CsI:Tl晶体相当。

本文开发的有机镧系闪烁体提供了从紫外到近红外的多种发射颜色，并能精确调控发光寿命，从纳秒级至微秒级。机制研究表明，f–f跃迁的有机镧系闪烁体的闪烁效率主要依赖于三线态激子的回收，而Laporte允许的d–f跃迁的RL则取决于镧系离子的直接激发，而非配体敏化。此外，研究发现高的光致发光（PL）量子产率并不一定保证高闪烁效率，三线态激子回收效率是提高闪烁性能的关键。

这种分子设计赋予了有机镧系分子高RL稳定性、大斯托克斯位移以及全光谱调谐能力，使其成为闪烁体应用的潜力平台，涵盖高分辨率射线成像、X射线诱导的光动力治疗（X-PDT）等多个领域。

原文详情：

Xu, J., Luo, R., Luo, Z. et al. Ultrabright molecular scintillators enabled by lanthanide-assisted near-unity triplet exciton recycling. Nat. Photon. (2024). https://doi.org/10.1038/s41566-024-01586-w