南京理工大学李晨森/徐勃&阿卜杜拉国王科技大学Matter:用于下一代辐射探测的有机闪烁体:分子设计原理、机制及新兴应用

一、摘要

有机闪烁体因其独特的优势，如环境友好性、低成本、高光学透明度及与柔性器件制造的兼容性，在下一代辐射探测领域中展现出巨大潜力。相较于传统无机闪烁体，有机闪烁体具有丰富的分子多样性，可实现针对特定性能需求的可调光学和电子特性。尽管近年来取得显著进展，但有机闪烁体的分子设计原则及其发光机制的基础理解仍显不足。本综述系统总结了有机闪烁体在分子设计方面的最新进展，特别是其在成像应用中的新兴领域。详细分析了发光中心及其在激子生成、迁移和利用中的作用，并深入讨论了分子结构设计策略如何影响光产额、响应时间、成像 分辨率和操作稳定性等关键性能参数。最后，展望了未来分子设计策略，旨在通过弥合基础光物理理解与实际器件优化之间的差距，实现高性能有机闪烁体的开发。本综述为建立分子结构与闪烁性能之间的关联框架奠定了基础，为下一代辐射探测技术提供了高效、稳定且易加工的有机闪烁体材料。

二、研究背景

辐射探测在医疗诊断、安全筛查、科学研究及工业无损检测等多个领域具有不可或缺的作用。 辐射探测器根据能量转换机制主要分为直接探测器和间接探测器两类。直接探测器响应速度快，但受限于高制造成本和材料限制；间接探测器则通过闪烁体将高能X射线转换为可见光，再由光电探测器转换为电信号，具有成本低、灵活性高和环境友好等优势。传统无机闪烁体如LaBr₃:Ce、NaI:Tl和CsI:Tl虽具有高光产额和优异分辨率，但存在依赖高温制备 、使用有毒或稀缺稀土元素及可扩展性差等问题。 近年来，有机闪烁体因其独特的优势逐渐成为研究热点，尤其是在柔性、大面积和环境可持续性成像技术方面展现出巨大潜力。然而，有机闪烁体仍面临X射线吸收截面有限和激子利用效率低等挑战，需通过分子工程和纳米结构设计进行优化。

三、研究进展

1. 有机闪烁体的分子设计策略

有机闪烁体的性能优化主要依赖于分子设计策略，包括引入重原子、调控激发态及优化分子间相互作用等。 例如，通过引入溴、碘等重原子，可显著增强X射线吸收能力，并通过自旋轨道耦合（SOC）效应促进三重态激子的生成。同时，通过分子结构设计，如构建刚性的分子骨架或引入聚集诱导发光（AIE）基团，可有效抑制非辐射跃迁，提高激子利用效率。此外，通过调控分子间相互作用，如π-π堆积和氢键，可优化激子 迁移路径，减少能量损失，从而提升闪烁体的整体性能。

2. 激发态调控与发光机制

有机闪烁体的发光机制涉及单线态和三线态激子的生成与转化。 单线态激子主导的发光机制包括三线态-三线态湮灭（TTA）、热激活延迟荧光（TADF）和单线态裂变（SF）等，这些机制通过不同途径实现高效发光。而三线态激子主导的发光机制则依赖于重原子效应，通过增强SOC效应促进三重态激子的生成与辐射跃迁。近年来，双线态发光机制逐渐受到关注，其通过开放壳双线态态实现高效发光，为有机闪烁体的性能提升提供了新途径。

3. 分子间相互作用与能量转移

分子间相互作用在有机闪烁体的性能优化中扮演重要角色。 通过调控π-π堆积和氢键等相互作用，可优化分子排列，促进激子迁移和能量转移。例如，通过 构建有序的分子堆积结构，可减少激子在迁移过程中的能量损失，提高发光效率。此外，利用Förster共振能量转移（FRET）和Dexter能量转移（DET）机制，可实现长距离的激子迁移和高效能量传递，进一步提升闪烁体的性能。这些相互作用和能量转移过程在纳米尺度上发生，对闪烁体的整体性能具有重要影响。

4. 重原子效应与稳定性提升

重原子的引入是增强有机闪烁体X射线吸收能力和激子利用效率的有效手段。 然而，重原子的引入也可能导致非辐射跃迁的增强和稳定性的下降。因此，需通过分子设计策略平衡重原子效应与非辐射跃迁之间的关系。例如，采用空间分离策略将重原子限制在非发光基团中，以减少其对发光性能的负面影响。同时，通过引入刚性分子骨架或优化分子间相互作用，可显著提升闪烁体的热稳定性和化学稳定性，满足实际应用需求。

四、总体结论

有机闪烁体在下一代辐射探测领域展现出巨大 潜力，其独特的优势包括环境友好性、低成本、高光学透明度及与柔性器件制造的兼容性。 尽管近年来在分子设计、激发态调控和稳定性提升等方面取得显著进展，但有机闪烁体的商业化应用仍面临诸多挑战。未来研究需进一步揭示有机闪烁体的光物理机制，建立分子结构与闪烁性能之间的定量关系，为高性能有机闪烁体的开发提供理论指导。 同时，需探索新型分子设计策略和制备工艺，实现有机闪烁体的大规模生产和实际应用。通过跨学科合作和技术创新，有机闪烁体有望在医疗诊断、安全筛查、核安全监测及空间探索等领域发挥重要作用，推动辐射探测技术的持续发展。

五、图文概览

图1、有机闪烁体在各种应用中的显著性能优势；

图2、有机闪烁体面临的两个内在局限性及相应的优化策略；

图3、(A) X射线在电磁波谱中的区域；(B) X射线诱导的闪烁体光子生成及其在成像检测中的应用原理图；(C -G) 有机闪烁体的核心光学性能指标说明；(H) 检测限（最低可检测X射线剂量）；(I) 空间分辨率（最小可分辨特征尺寸）；(J) 材料稳定性表征（如辐照稳定性和环境稳定性）；

图4、提高有机闪烁体光学性能的设计策略；

图5、有机晶体闪烁体的三种常见应用类型；(A) 晶体；(B) 塑料；(C) 液体；

图6、有机闪烁体激发态调控的发光机制分类；(A-D) 单线态激子主导的机制，以单线态裂变、热激子/HLCT、TADF为例；(E-G) 三线态激子主导的机制，以磷光、MR-RTP和TADP为例；(H) 双线态机制，以双线态发光为例；

图7、有机 闪烁体中分子间激发态调控的机制；(A) 空间电荷转移通过优化激子的空间分布来提高激子利用率；(B) 载流子传输决定闪烁体的响应速度和信号生成效率；(C) FRET实现长程辐射激子迁移；(D) DET介导短程交换三重态激子转移；

图8、有机闪烁体中掺杂重原子的主要策略，涵盖三大类重原子元素；(A) 有机分子中的重原子，如Cl、Br、I和Se；(B) 金属簇和配合物中的重原子，如Cu、Ag、Au和Ir；(C) 金属有机框架中的重原子，如Zr、Hf、Th、Eu和Tb；

图9、共价键设计抑制非辐射跃迁；(A) 使用刚性分子结构；(B) 利用AIE效应；(C) π系统相互作用：π-π相互作用、n-π相互作用和阴离子-π相互作用  ；(D) 静电相互作用：氢键、卤键和离子键；(E) 空间和堆积调节的空间位阻；(F) 晶体堆积；

图10、有机闪烁体成像质量和稳定性的关键参数及影响因素；(A) 检测限：表征材料灵敏度，展示代表性案例及达到的阈值；(B) 空间分辨率：不同形式（单晶、玻璃态和聚合物薄膜）的性能比较；(C) 不稳定因素：分析 影响稳定性的核心因素，包括稠环结构数量、化学键稳定性、三线态激子与氧的反应性以及双线态自由基的反应性；

图11、有机闪烁体的颠覆性应用场景；(A) 极端温度成像：离子主体-客体系统CoTAK@BAK突破温度限制，实现核反应堆在线监测；(B) 高压成像：压致变色材料DPXZ-3-TpBO在10 GPa压力下保持13 lp mm⁻¹的空间分辨率，同时实现发射光谱170 nm的连续红移；

六、作者信息

作者姓名：

Xu Li, Xin Luo, Chensen Li*, Chong Zhang, Xiaoming Li, Jianxin Wang, Omar F. Mohammed*, Bo Xu*

通讯作者及单位信息：

E-mail: chensenli@njust.edu.cn

E-mail: omar.abdelsaboor@kaust.edu.sa

E-mail: boxu@njust.edu.cn

七、论文链接

https://doi.org/10.1016/j.matt.2026.102715

八、版权声明

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