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福州大学科研人员研发新型柔性X射线成像技术:暗室追“光”,稀土化身“夜明珠”

来源:福建日报 日期:2021-04-01 加入收藏

 
  福州大学科研人员突破X射线成像技术瓶颈,制备出高效的纳米闪烁体长余辉材料,据此研发新型柔性X射线成像技术。未来,人们有望直接用手机拍摄X光片。

  自从一百多年前X射线被发现,“X光”就与人们的生活息息相关。从简单的胸透到复杂的工业无损探伤,X射线成像技术在许多领域发挥着巨大作用。

  目前,我国高端X射线医学影像设备及关键元器件主要依赖于进口。但福州大学杨黄浩教授、陈秋水教授和新加坡国立大学刘小钢教授等领衔的研究团队研究发现的一类稀土纳米闪烁体长余辉材料,有望改变这一局面。

  日前,这些追“光”者的原创性成果在国际权威科学杂志《自然》在线发表。《自然》同期发表的述评指出,此项研究极大推动了X射线成像技术的发展,标志着中国在柔性X射线成像技术方面进入国际先进行列。

  探测器核心技术“卡脖子”

  1895年,德国科学家威廉·伦琴在暗室中研究阴极射线时意外发现了X射线,并于1901年获得第一届诺贝尔物理学奖。时至今日,在医疗诊断、工业探测、安检排爆等领域,X射线的应用占据举足轻重的位置。

  上世纪90年代中期后,间接型平板探测器的出现将X射线成像技术推向一个新的时代。通过一层闪烁体材料和一层晶体管(TFT)阵列,穿过目标物的X射线光子被转化为数字信号,从而实现目标物的数字化X射线成像。

  “闪烁体是平板探测器的核心部件,被称为‘光子晶体’,其作用是将高能量X射线光子转为可见光,它的性能决定着整个设备的成像灵敏度和分辨率。但目前,国产平板探测器包括高性能闪烁体材料在内的核心部件绝大部分依靠进口,还未实现自主国产化。”福建省闽江学者特聘教授,福州大学化学学院研究员、博士生导师陈秋水告诉记者。

  依赖进口必然导致被他国掣肘,高端医学影像设备元器件就是“卡脖子技术”。此外,目前主流的闪烁体材料制备工艺复杂且带有较强的毒性,体积庞大且造价昂贵。面对外国的技术封锁,自主创新研发是唯一出路。

  “意外”发现新型长余辉材料

  近年来,各国科学家一直致力于研发柔性X射线平板探测器。然而,研发路上堵着两只“拦路虎”:一是难以制备大面积高效的柔性薄膜晶体管阵列,二是传统微米级闪烁体材料不适合制造柔性器件。换句话说,现有技术很难实现曲面以及不规则物体的三维成像。

  经过长期研究,福大科研人员另辟蹊径,在稀土卤化物晶格中寻找灵感,制备出新型的稀土纳米闪烁体长余辉材料。这种闪烁体具有尺寸易调控、无色透明、分散性良好、余辉性能优异等特点。

  “长余辉”指的是发光材料在紫外-可见光、X射线、γ射线等辐射停止激发后,仍可有效储存激发能,持续发光几秒甚至几个小时的一类发光现象。比如,中国古代流传的珍宝“夜明珠”,以及安全警示牌上的发光涂料,都是典型的长余辉材料。

  研究人员透露,发现的过程是个“意外惊喜”。2018年初,研究团队的一位博士生(论文第一作者)在暗室中测试稀土纳米颗粒发光性能时发现,在X射线停止照射后,纳米颗粒仍然会持续发光。

  “第一反应觉得这种长余辉现象可能是实验偏差。然而经过几次重复性实验,我们证实了在稀土纳米颗粒中长余辉现象的存在。我们意识到,这是个重大发现。”陈秋水回忆说。

  通过选择合适的卤化物基质晶格、掺杂高效的稀土发光离子、巧妙地设计核壳结构,研究人员采取低温共沉淀法制备出高效的纳米闪烁体长余辉材料。实验证明,该粒子在X射线关闭后可持续发光30天以上,具有优异的长余辉发光性能。由此,珍贵的稀土又激发了比肩“夜明珠”的神奇性能。

  原理和工艺“打开另一扇窗户”

  经过谨慎求证,研究团队提出了基于高能量X射线光子诱导缺陷产生长余辉发光的机理。在此基础上,他们将纳米闪烁体长余辉材料与柔性基质相结合,成功研制出了透明、可拉伸、高分辨的柔性X射线成像设备,并开发了X射线发光扩展成像新技术。

  简单来说,这一研究成果实现了两个突破。首先,长余辉材料首次作为X射线成像设备的核心部件;其次,打破了传统刚性平板探测器的固有限制,在设计原理和制备工艺上打开了另一扇窗户。

  “我们平时常见的CT机、安检仪等设备大多体积巨大且对工作环境要求较为严苛,这是因为光电转换过程非常复杂,需要大量的集成电路协同工作。”杨黄浩教授介绍说。

  而新型稀土纳米长余辉材料作为X射线能量存储的介质时,其光学记忆功能可以保存X射线能量,替代复杂的集成电路装置。

  研究人员发现,其尺寸、形貌、发光性质都更可控,适合用于制造柔性设备。这为制备新一代轻薄、便携、低成本的X射线探测器和成像装置提供了新思路和途径。打个比方,拿一部手机拍摄,就能实现X射线柔性成像,不需要庞大规模的集成电路。

  “想象一下,如果X光机实现便携化,就能造福更多人。比如,比赛中运动员受伤了,现场就能进行快速处理。这项技术将在国防军工、应急救援、乳腺成像、牙科全景成像、工业探伤、高能物理等领域展现巨大的潜力和应用价值。”杨黄浩教授说。

  《自然》杂志的同期述评指出,长余辉发光纳米晶体制造的柔性X射线探测器能够产生对高度弯曲的三维目标物进行高分辨成像,性能优于商业化平板探测器。

  目前,福大领衔的研究团队正在进行跨学科合作,推进高端X射线影像设备的国产化。

  “长期以来,我们从国外进口设备受到采购周期长和价格高等限制。我们希望推动更多科研团队参与这个领域的开发,让国产高端X射线影像设备在探索中不断进步。”杨黄浩教授说。
 
 

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