研究背景
卤化铅钙钛矿量子点（Perovskite quantum dots，PQDs）具有高原子序数，发光效率高、纳秒级发光时间等优点，是极具潜力的闪烁体材料。相比于传统单晶闪烁体，PQDs具有高辐射硬度和低温合成的优势，在极端高能射线（高辐射剂量）探测和超快核医学成像领域具有潜力。近年来，PQDs闪烁体的结构设计和制备方法已取得了较多进展，但是PQDs的自吸收问题仍然严重限制了辐射发光亮度，其光产额21,000 photons/MeV远低于商用CsI(Tl)的54,000 photons/MeV。
关键问题
目前，通过主客体结构和离子掺杂可以实现电荷和能量转移，从而增加PQDs的辐射发光强度，但是增加的辐射发光仍然不足以弥补自吸收光损失，导致光产额的提高并不理想。引入高亮的蓝紫光闪烁体如CsI, ZnO(Ga)，PPO，TADF作为外部能量源可以显著提高CsPbBr3 QDs的辐射发光强度，但是直接物理混合两相物质仅有少量的接触位点，能量转移效率较低；同时两相物质不易获得均匀分散，引入的严重光散射导致了较差的X射线成像空间分辨率。
X射线成像通常需要百微米级厚度的闪烁体，目前通常在液相中将PQDs和有机聚合物混合获得厚膜闪烁体，这种工艺容易导致PQDs的团聚，聚集导致的发光淬灭和光散射问题导致了降低的发光效率。另外，ZnS(Ag)闪烁体是微晶粉体形式，难以在液相中制备ZnS(Ag)-CsPbBr3异质结。最近课题组报道了机械化学反应（PMR）在固相条件下制备了PLQY超过90%的CsPbBr3 QDs（Adv. Mater. 2024, 2310521）。由于聚合物丰富的表面特性，PQDs可以分散于聚合物表面，有效地阻止了PQDs的聚集。该方法具有高材料利用率、高合成速率、绿色无溶剂的优势，且利用聚合物的热加工特性可以成型PQDs闪烁体。
新思路
针对上述问题，CsPbBr3 QDs闪烁体光产额低、制备工艺兼容性差，郑州大学杨智、宋继中等人设计了一种多位点ZnS(Ag)-CsPbBr3异质结，提出了原位固相合成策略制备异质结闪烁体。基于光谱匹配和短D-A距离特性，通过稳态RL光谱进化，瞬态吸收和瞬态PL谱证明了ZnS(Ag)给体到CsPbBr3受体发生了高效的福斯特共振能量转移（FRET），使得异质结闪烁体获得了光产额40,000 photons/MeV，明显高于直接物理混合闪烁体的30,000 photons/MeV，证明了FRET导致的辐射增强可以在一定程度上弥补自吸收光损失。同时，异质结闪烁体具有36 ns的快发光衰减时间，保留了CsPbBr3 QDs的快发光特性；异质结闪烁体实现了高的空间分辨率30 lp/mm, 一方面归结于提高的光产额和亮度降低了暗噪声，另一方面归结于少聚集无机发光体具有弱光散射。
基于高光产额、快发光和高分辨成像的优势，异质结闪烁体展示了优异的高速动态X-ray成像性能。搭建的动态成像系统可以模拟医学高速血管造影，在200帧/秒的速度和10 mGyair s−1剂量率下观察到11 cm/s的碘对比剂液流速度。最后，讨论了动态成像和静态成像对于剂量率不同的需求，阐明了光产额的提高对于动态成像具有更明显的价值。总之，该工作为设计和制造高性能异质闪烁体提供了新的方案，展示了兼具快和亮的闪烁体在实时X射线成像中的作用。
该研究工作以“Designer bright and fast CsPbBr3 perovskite nanocrystal scintillators for high-speed X-ray imaging”为题在线发表于《Nature Communications》上（Yang et al, Nat. Commun. 2024, 15, 8870）。
图1. 异质结闪烁体的设计
图2. 原位固相工艺合成异质结
图3. 兼具亮和快的异质结闪烁体
图4. FRET机理证明高效能量转移
图5. 动态X射线成像模拟高速血管造影成像
图6. 静态和动态成像闪烁体的亮度需求差异
