劉小鋼院士&覃弦教授Nat. Commun.：用于高分辨率和自適應(yīng)X射線成像的無(wú)散射鑭系離子液體閃爍體

主流固體閃爍體中顆粒分布不均造成的光子散射是限制高分辨X射線成像的核心瓶頸。采用均勻透明的液體閃爍體在抑制光散射方面具有天然的優(yōu)勢(shì)。然而，少數(shù)已報(bào)道的液體閃爍體普遍依賴含鉛的鈣鈦礦和有毒或易燃的有機(jī)溶劑，帶來穩(wěn)定性、安全性與生物相容性的問題。

本研究，新加坡國(guó)立大學(xué)劉小鋼院士，福建師范大學(xué)覃弦教授等人通過在綠色溶劑離子液體中原位配位鑭系離子，構(gòu)建了結(jié)構(gòu)高度均一化、幾乎完全無(wú)散射且發(fā)光顏色可調(diào)的透明本征液體閃爍體。結(jié)合鑭系離子發(fā)光獨(dú)特的無(wú)自吸收特性，該體系實(shí)現(xiàn)了超過93%的閃爍光透過率，并在1毫米厚的閃爍屏中獲得了每毫米26線對(duì)的X射線成像空間分辨率。依托液體的可流動(dòng)與自適應(yīng)形變能力，該閃爍體可用于制備變焦的凸面閃爍透鏡，實(shí)現(xiàn)了均勻的全角度X射線探測(cè)與原位放大X射線成像。

該鑭系-離子液體閃爍體系在未來基于微流控的輻射傳感、AI輔助的高對(duì)比度X射線成像及低劑量醫(yī)療診斷等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

研究亮點(diǎn)：

1.材料革新，從固體到液體。任何固體或顆粒堆積結(jié)構(gòu)都不可避免地產(chǎn)生晶界與界面散射。借鑒水的高透明性，引入無(wú)晶界、折射率均一且化學(xué)穩(wěn)定的離子液體作為配體，從材料本征形態(tài)上徹底消除散射源。

2.克服缺陷，從溶解或分散體系到強(qiáng)配位體系。基于溶解或分散的液體閃爍體系常受溶解度、分散性及有機(jī)溶劑穩(wěn)定性限制。通過鑭系離子與離子液體配體的原位強(qiáng)配位，實(shí)現(xiàn)了金屬離子在分子尺度上的均勻分散，成功構(gòu)建出無(wú)散射、高透明度的液體閃爍屏。

3.機(jī)理拓展，從三線態(tài)到雙通道能量轉(zhuǎn)移。離子液體配體具有高度的結(jié)構(gòu)靈活性，能夠同時(shí)利用單線態(tài)和三線態(tài)有效地將能量傳遞并回收至鑭系發(fā)光離子，從而顯著提升閃爍強(qiáng)度。

4.功能延伸，從高分辨平面成像到凸面變焦閃爍透鏡。在利用該體系無(wú)散射、無(wú)自吸收的優(yōu)勢(shì)獲得平面高分辨X射線成像的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步利用液體的流動(dòng)性與形變能力，提出了可變焦閃爍透鏡的概念，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)固體閃爍體不可能實(shí)現(xiàn)的全角度均勻探測(cè)以及自適應(yīng)原位放大成像。

圖1. 不同閃爍體系統(tǒng)中的光散射

圖2. 鑭系-離子液體閃爍體中的強(qiáng)配位作用

圖3. 鑭系-離子液體閃爍體中的雙通道能量轉(zhuǎn)移增強(qiáng)閃爍性能

圖4. 鑭系-離子液體閃爍體消除自吸收和光散射用于高分辨平面X射線成像

圖5. 鑭系-離子液體閃爍體的環(huán)境穩(wěn)定性和生物相容性

圖6. 用于高分辨X射線成像的自適應(yīng)閃爍透鏡

Qiu, J., Gu, C., et al.Scattering-free lanthanide-ionic liquid scintillators for high-resolution and adaptive X-ray imaging. Nat. Commun. (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-66754-0

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