研究背景
電離輻射的探測是醫療影像、環境監測以及天文學等領域的關鍵技術。為滿足這些領域的需求，人們開發了多種能夠響應X射線的發光材料。與傳統的陶瓷和鈣鈦礦閃爍體相比，有機發光材料因其柔性和成本效益受到關注。然而，這些材料在X射線探測中面臨弱X射線吸收和三重態激子利用率低等問題，導致其閃爍效率較低。此外，傳統材料還存在制造復雜、環境毒性、自吸收和穩定性不足等挑戰，亟需開發新型高效、安全的閃爍材料。
為了解決這一問題，新加坡國立大學劉小鋼院士、廈門大學吳藝明教授以及福建師范大學覃弦教授攜手在“Nature Photonics”期刊上發表了題為“Ultrabright molecular scintillators enabled by lanthanide-assisted near-unity triplet exciton recycling”的最新論文。該團隊通過分子設計策略，開發了一種基于有機配體的鑭系金屬配合物。通過合理調控配體的三線態能級，實現了鑭系中心對暗三線態激子的近乎單位效率提取，從而有效回收了次級X射線弛豫過程中損失的能量。研究表明，該設計使輻射發光效率提升了三個數量級以上。
研究人員進一步優化了金屬中心和配位環境，使得該有機鑭系閃爍體的光譜范圍可調，從紫外覆蓋到近紅外，激發態壽命則可在幾十納秒至數百微秒之間靈活調控。利用這一特性，該閃爍體成功實現了高分辨率放射成像，并展示了在X射線介導光動力治療中的應用潛力。
研究亮點
1）實驗首次利用有機配體設計策略，回收次級X射線弛豫過程中損失的能量，成功提升了鑭系金屬配合物的輻射發光效率。這種設計通過調控配體的三線態能量，實現了鑭系中心對暗三線態激子的近乎單位效率提取，使輻射發光增強了三個數量級以上。
2）實驗通過共振能量轉移機制，將次級X射線產生的激子傳遞至鑭系中心，顯著提高了輻射發光的效率。相比現有的有機或無機閃爍體，這種方法展現出數量級更高的輻射發光效率，證明了有機鑭系分子在高性能閃爍體設計中的潛力。
3）通過定制金屬中心及其配位環境，研究實現了從紫外到近紅外的光譜調控，并可調節壽命至幾十納秒到數百微秒不等。這種靈活性使有機鑭系閃爍體適用于高分辨率放射成像和X射線介導的光動力治療等應用場景。
圖文解讀
圖 1. 通過分子三重態激子介導的能量回收放大 RL
圖 2. 有機鑭系閃爍體中三線態激子介導的能量回收的光物理研究和機理研究
圖 3. 有機鑭系閃爍體的性能特征
圖 4. 體內 X-PDT
總結展望
本文提出了一種高效且通用的分子設計策略，能夠使輻射發光（RL）強度提高三個數量級以上。這種提升得益于在鑭系金屬配合物中回收X射線誘導的三線態激子。通過調控分子天線的三線態能級，可以高效捕獲次級X射線吸收過程中生成的暗三線態激子。這一過程使得RL效率超越了傳統的有機閃爍體和無機LYSO:Ce晶體，并且與CsI:Tl晶體相當。
本文開發的有機鑭系閃爍體提供了從紫外到近紅外的多種發射顏色，并能精確調控發光壽命，從納秒級至微秒級。機制研究表明，f–f躍遷的有機鑭系閃爍體的閃爍效率主要依賴于三線態激子的回收，而Laporte允許的d–f躍遷的RL則取決于鑭系離子的直接激發，而非配體敏化。此外，研究發現高的光致發光（PL）量子產率并不一定保證高閃爍效率，三線態激子回收效率是提高閃爍性能的關鍵。
這種分子設計賦予了有機鑭系分子高RL穩定性、大斯托克斯位移以及全光譜調諧能力，使其成為閃爍體應用的潛力平臺，涵蓋高分辨率射線成像、X射線誘導的光動力治療（X-PDT）等多個領域。
原文詳情：
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
