中国科学院福建物质结构研究所开发了锰基有机金属卤素杂化闪烁体和高分辨率X射线成像技术

中国科学院福建物质结构研究所结构化学国家重点实验室孙志华研究员团队在锰基有机金属卤素杂化闪烁体研究方面取得重要进展。该团队通过调控锰基有机金属卤素杂化闪烁体的发光动力学过程，实现了高分辨率X射线成像，并开发了新型手性金属-有机聚合物闪烁薄膜，显著提高了成像空间分辨率。

闪烁体材料是X射线成像的关键组成部分，其性能直接影响成像质量。传统闪烁体材料存在发光效率低、稳定性差等问题。研究团队通过调控锰基有机金属卤素杂化闪烁体的发光动力学过程，实现了高分辨率X射线成像。他们首先合成了零维锰基有机金属卤素杂化闪烁体Mn-1 NCs，该材料表现出优异的X射线发光性能，其检测极限为0.330 µGy_air/s）。同时，该金属卤素闪烁材料表现出较好的抗辐照稳定性、溶剂稳定性和空气稳定性。通过基于Mn-1 NCs的柔性闪烁薄膜，可以清晰地观察到美工刀和耳机的内部结构，其成像分辨率可达到11.3 lp/mm。此项工作进一步明晰了有机-无机杂化金属卤素闪烁材料发光机理，为高性能闪烁材料的设计提供了新的途径。相关工作以《High-Resolution X-Ray Imaging With 0D Organic–Metal Halide Scintillator Featuring Reversed Exciton Trapping》为题，发表在国际光学类顶刊Laser Photonics Reviews上（DOI: 10.1002/lpor.202401342），论文第一作者为硕士研究生钱瑞轩。

锰基有机金属卤素杂化闪烁纳米晶对温度的反常发光行为以及X射线成像研究

此外，目前的闪烁薄膜通常通过物理掺杂方法将闪烁体负载到高分子材料中，这种方式易导致闪烁体颗粒堆积，从而相邻的闪烁体产生光学串扰，影响探测器的性能。为解决这一问题，采用具有圆偏振闪烁性能的闪烁体材料，通过调控辐射发光的传播方向，可有效解决这一问题。研究团队首先利用烯丙基膦配体合成了两种零维锰基有机金属卤素杂化闪烁体：(atpp)₂MnCl₄·0.5H₂O（MnCl₄−1）和(atpp)₂MnBr₄（MnBr₄−2）。得益于四面体[MnX₄]^2–晶体场的影响，含较重溴原子的MnBr₄−2相比MnCl₄−1，在X射线探测中表现出了更优越的检测极限，仅为0.117 µGyair/s，而MnCl₄−1的检测极限为0.330 µGyair/s，二者均显著优于医学诊断标准（5.50 µGyair/s）。由于这些锰基有机金属卤素杂化闪烁体中含有不饱和的C=C双键，通过光聚合反应，将手性聚合单体(rel-(1R,2R,4R)-1,7,7-三甲基双环[2.2.1]庚烷-2-丙烯酸酯)、高分子预聚体与零维锰基有机金属卤化物闪烁体结合，进一步开发了新型手性金属-有机聚合物材料，取得了优异的发光不对称因子（g_lum）效果，分别为5.823 × 10^–2和−2.877 × 10^–2。基于闪烁体MnBr₄−2的手性金属-有机聚合物闪烁薄膜在X射线成像中的分辨率高达14.84 lp/mm，相较于传统物理掺杂类材料，明显提高了成像空间分辨率，超过了乳腺癌医学成像的标准（10.0 lp/mm），这一手性闪烁体的突破性进展为高分辨率医学X射线成像应用提供了广阔的前景。相关研究成果已发表在国际材料科学类顶刊Advanced Functional Materials上（DOI: 10.1002/adfm.202410219）。

基于锰基有机金属卤素杂化闪烁体的手性金属有机高分子的合成及其偏振成像研究

以上工作得到国家自然科学基金、中央地方科技发展重点专项、中国科学院仪器研制项目、福建省自然科学基金和闽都创新实验室等项目支持。此前，该研究团队在辐射探测材料研究方面取得了其它重要进展（Angew. Chem. Int. Ed. 2024,63,e202318026；ACS Mater. Lett.2024,6,1086–1093;ACS Appl. Mater. Inter.2024,16,9002–9011;Adv. Opt. Mater.2024,202302376;Nano Lett. 2023,23,4351–4358;Inorg. Chem. Front.2023,10,5710–5718;Chem. Eng. J. 2023,466,143272;Small2023,2302492）。

文章链接：

https://doi.org/10.1002/lpor.202401342

https://doi.org/10.1002/adfm.202410219

（郭国聪课题组供稿）