南京邮电大学,Advanced Science,用于超高分辨率X射线成像的分子间聚集诱导延迟荧光闪烁体
大家好，今天为大家分享来自南京邮电大学陶冶教授、徐申教授团队与山东大学刘颖教授团队近期在 Advanced Science 上合作发表的研究论文具有优异光电性能和良好加工性的有机X射线闪烁体 (OXSTs) 在下一代辐射探测和医学成像领域极具吸引力。然而，由于聚集导致猝灭 (ACQ) 从根本上抑制了辐射过程，因此实现兼具高激子利用效率的高效固态发光仍然是一项艰巨挑战。在此，我们提出了一种分子间聚集诱导延迟荧光 (AIDF) 策略，该策略结合了聚集诱导发光和热激活延迟荧光的特性。所设计的发射体通过空间电荷转移，实现了亚微秒级延迟寿命的高效AIDF，从而能够有效利用单线态和三线态激子。将此类发射体掺入聚砜基质后，所得复合薄膜在较宽的浓度范围内展现出明亮且稳定的辐射发光，并且在X射线激发下表现出优异的抗浓度猝灭能力。得益于大的斯托克斯位移、快速的反系间窜越以及高效的辐射发光，所制备的闪烁体实现了0.255 µGy s⁻¹的超低检测限和20.0 lp mm⁻¹的高空间分辨率，性能优于大多数有机闪烁体，甚至超过部分无机闪烁体。此外，这些柔性、均匀且透明的闪烁屏还具有出色的光稳定性，可用于高质量X射线成像。本工作建立了一种实用的分子设计范式以规避聚集导致猝灭问题，并凸显了分子间AIDF在实现高效激子利用方面的独特优势，从而为高分辨率薄膜闪烁体的开发铺平了道路。关键词：聚集诱导延迟荧光、高空间分辨率、有机X射线闪烁体、薄膜、X射线成像
研究人员通过在给受体单元间引入羰基桥连，设计合成了DCCz分子。该分子在聚集态下借助空间电荷转移 (TSCT) 实现单重态与三重态激子的高效利用，展现出分子间聚集诱导延迟荧光 (AIDF) 特性，同时有效抑制了聚集导致的自淬灭。基于此，将DCCz掺杂于聚砜薄膜中，所得有机闪烁体具有亚微秒级延迟荧光、大斯托克斯位移以及快速的反系间窜越速率。在X射线成像中，该薄膜实现了0.255µGy/s的低检测限和20.0lp/mm的空间分辨率。
1.材料设计示意：
图1：(a) 示意图，展示了将聚集诱导发光 (AIE) 特性引入热激活延迟荧光 (TADF)体系中的设计思路。(b) 聚集诱导延迟荧光 (AIDF) 分子的分子结构、发光照片以及三维晶体结构，图中展示了给体和受体基团的空间排列方式。图2：(a–c) DCCz在二氯甲烷溶液 (~10⁻⁵ M)、掺杂薄膜 (聚砜中) 以及晶体中，在295 nm激发下的室温荧光、低温延迟PL光谱 (延迟时间：10 ms)。 (a) 和寿命衰减曲线 (b, c)。(d) DCCz晶体随温度变化的瞬态PL衰减曲线。(e) 室温下掺杂薄膜(聚砜中) 的激发-发射图谱。图3：(a–c) DCCz在二氯甲烷溶液 (~10⁻⁵ M)、掺杂薄膜 (聚砜中) 以及晶体中，在295 nm激发下的室温荧光、低温延迟PL光谱(延迟时间：10 ms)。(a) 和寿命衰减曲线 (b, c)。(d) DCCz晶体随温度变化的瞬态PL衰减曲线。(e) 室温下掺杂薄膜 (聚砜中)的激发-发射图谱。图4：(a) DCCz/PSF闪烁屏在明场照明下 (左) 和紫外光下 (右) 的照片。(b) 根据X射线斜边图像推导出的调制传递函数 (MTF) 。(c) 标准分辨率测试板的X射线成像：局部区域 (12.5–20 lp mm⁻¹) 的明场图像 (上) 和对应的X射线图像 (下)。(d, e) 印刷电路板、包装好的回形针 (d) 以及电子芯片 (e) 的X射线激发图像，插图为对应的明场照片。
我们通过合理设计分子间聚集诱导延迟荧光 (AIDF)，协同整合聚集诱导发光 (AIE) 和热激活延迟荧光 (TADF) 特性，展示了一种可行的分子工程策略，用于构建高性能有机X射线闪烁体 (OXSTs)。得益于空间电荷转移 (TSCT)，所设计的发射体表现出亚微秒级的AIDF特性，能够高效利用单线态和三线态激子，并有效规避聚集导致猝灭 (ACQ)。当嵌入聚砜 (PSF) 基质中时，所得复合薄膜展现出明亮且稳定的X射线发光，并具有显著的抗浓度猝灭能力。特别是，该类OXSTs具有大的斯托克斯位移、快速的反系间窜越 (RISC) 和高发射效率，实现了0.255 µGy s⁻¹的超低检测限以及高达20.0 lp mm⁻¹的高空间分辨率。此外，柔性、均匀且透明的闪烁屏表现出优异的光稳定性，确保了可靠的成像性能。本研究不仅强调了分子间AIDF在增强激子利用和抑制非辐射损耗方面的潜力，而且提供了一种缓解ACQ问题的有效途径，为面向商业放射成像应用的柔性薄膜闪烁体开辟了新道路。
文章来源：
https://doi.org/10.1002/advs.75096
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