臺海網(wǎng)3月30日訊 據(jù)福建日報報道 福州大學(xué)科研人員突破X射線成像技術(shù)瓶頸，制備出高效的納米閃爍體長余輝材料，據(jù)此研發(fā)新型柔性X射線成像技術(shù)。未來，人們有望直接用手機拍攝X光片——
自從一百多年前X射線被發(fā)現(xiàn)，“X光”就與人們的生活息息相關(guān)。從簡單的胸透到復(fù)雜的工業(yè)無損探傷，X射線成像技術(shù)在許多領(lǐng)域發(fā)揮著巨大作用。
目前，我國高端X射線醫(yī)學(xué)影像設(shè)備及關(guān)鍵元器件主要依賴于進(jìn)口。但福州大學(xué)楊黃浩教授、陳秋水教授和新加坡國立大學(xué)劉小鋼教授等領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊研究發(fā)現(xiàn)的一類稀土納米閃爍體長余輝材料，有望改變這一局面。
日前，這些追“光”者的原創(chuàng)性成果在國際權(quán)威科學(xué)雜志《自然》在線發(fā)表。《自然》同期發(fā)表的述評指出，此項研究極大推動了X射線成像技術(shù)的發(fā)展，標(biāo)志著中國在柔性X射線成像技術(shù)方面進(jìn)入國際先進(jìn)行列。
探測器核心技術(shù)“卡脖子”
1895年，德國科學(xué)家威廉·倫琴在暗室中研究陰極射線時意外發(fā)現(xiàn)了X射線，并于1901年獲得第一屆諾貝爾物理學(xué)獎。時至今日，在醫(yī)療診斷、工業(yè)探測、安檢排爆等領(lǐng)域，X射線的應(yīng)用占據(jù)舉足輕重的位置。
上世紀(jì)90年代中期后，間接型平板探測器的出現(xiàn)將X射線成像技術(shù)推向一個新的時代。通過一層閃爍體材料和一層晶體管（TFT）陣列，穿過目標(biāo)物的X射線光子被轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，從而實現(xiàn)目標(biāo)物的數(shù)字化X射線成像。
“閃爍體是平板探測器的核心部件，被稱為‘光子晶體’，其作用是將高能量X射線光子轉(zhuǎn)為可見光，它的性能決定著整個設(shè)備的成像靈敏度和分辨率。但目前，國產(chǎn)平板探測器包括高性能閃爍體材料在內(nèi)的核心部件絕大部分依靠進(jìn)口，還未實現(xiàn)自主國產(chǎn)化。”福建省閩江學(xué)者特聘教授，福州大學(xué)化學(xué)學(xué)院研究員、博士生導(dǎo)師陳秋水告訴記者。
依賴進(jìn)口必然導(dǎo)致被他國掣肘，高端醫(yī)學(xué)影像設(shè)備元器件就是“卡脖子技術(shù)”。此外，目前主流的閃爍體材料制備工藝復(fù)雜且?guī)в休^強的毒性，體積龐大且造價昂貴。面對外國的技術(shù)封鎖，自主創(chuàng)新研發(fā)是唯一出路。
“意外”發(fā)現(xiàn)新型長余輝材料
近年來，各國科學(xué)家一直致力于研發(fā)柔性X射線平板探測器。然而，研發(fā)路上堵著兩只“攔路虎”：一是難以制備大面積高效的柔性薄膜晶體管陣列，二是傳統(tǒng)微米級閃爍體材料不適合制造柔性器件。換句話說，現(xiàn)有技術(shù)很難實現(xiàn)曲面以及不規(guī)則物體的三維成像。
經(jīng)過長期研究，福大科研人員另辟蹊徑，在稀土鹵化物晶格中尋找靈感，制備出新型的稀土納米閃爍體長余輝材料。這種閃爍體具有尺寸易調(diào)控、無色透明、分散性良好、余輝性能優(yōu)異等特點。
“長余輝”指的是發(fā)光材料在紫外-可見光、X射線、γ射線等輻射停止激發(fā)后，仍可有效儲存激發(fā)能，持續(xù)發(fā)光幾秒甚至幾個小時的一類發(fā)光現(xiàn)象。比如，中國古代流傳的珍寶“夜明珠”，以及安全警示牌上的發(fā)光涂料，都是典型的長余輝材料。
研究人員透露，發(fā)現(xiàn)的過程是個“意外驚喜”。2018年初，研究團(tuán)隊的一位博士生（論文第一作者）在暗室中測試稀土納米顆粒發(fā)光性能時發(fā)現(xiàn)，在X射線停止照射后，納米顆粒仍然會持續(xù)發(fā)光。
“第一反應(yīng)覺得這種長余輝現(xiàn)象可能是實驗偏差。然而經(jīng)過幾次重復(fù)性實驗，我們證實了在稀土納米顆粒中長余輝現(xiàn)象的存在。我們意識到，這是個重大發(fā)現(xiàn)。”陳秋水回憶說。
通過選擇合適的鹵化物基質(zhì)晶格、摻雜高效的稀土發(fā)光離子、巧妙地設(shè)計核殼結(jié)構(gòu)，研究人員采取低溫共沉淀法制備出高效的納米閃爍體長余輝材料。實驗證明，該粒子在X射線關(guān)閉后可持續(xù)發(fā)光30天以上，具有優(yōu)異的長余輝發(fā)光性能。由此，珍貴的稀土又激發(fā)了比肩“夜明珠”的神奇性能。
原理和工藝“打開另一扇窗戶”
經(jīng)過謹(jǐn)慎求證，研究團(tuán)隊提出了基于高能量X射線光子誘導(dǎo)缺陷產(chǎn)生長余輝發(fā)光的機理。在此基礎(chǔ)上，他們將納米閃爍體長余輝材料與柔性基質(zhì)相結(jié)合，成功研制出了透明、可拉伸、高分辨的柔性X射線成像設(shè)備，并開發(fā)了X射線發(fā)光擴(kuò)展成像新技術(shù)。
簡單來說，這一研究成果實現(xiàn)了兩個突破。首先，長余輝材料首次作為X射線成像設(shè)備的核心部件；其次，打破了傳統(tǒng)剛性平板探測器的固有限制，在設(shè)計原理和制備工藝上打開了另一扇窗戶。
“我們平時常見的CT機、安檢儀等設(shè)備大多體積巨大且對工作環(huán)境要求較為嚴(yán)苛，這是因為光電轉(zhuǎn)換過程非常復(fù)雜，需要大量的集成電路協(xié)同工作。”楊黃浩教授介紹說。
而新型稀土納米長余輝材料作為X射線能量存儲的介質(zhì)時，其光學(xué)記憶功能可以保存X射線能量，替代復(fù)雜的集成電路裝置。
研究人員發(fā)現(xiàn)，其尺寸、形貌、發(fā)光性質(zhì)都更可控，適合用于制造柔性設(shè)備。這為制備新一代輕薄、便攜、低成本的X射線探測器和成像裝置提供了新思路和途徑。打個比方，拿一部手機拍攝，就能實現(xiàn)X射線柔性成像，不需要龐大規(guī)模的集成電路。
“想象一下，如果X光機實現(xiàn)便攜化，就能造福更多人。比如，比賽中運動員受傷了，現(xiàn)場就能進(jìn)行快速處理。這項技術(shù)將在國防軍工、應(yīng)急救援、乳腺成像、牙科全景成像、工業(yè)探傷、高能物理等領(lǐng)域展現(xiàn)巨大的潛力和應(yīng)用價值。”楊黃浩教授說。
《自然》雜志的同期述評指出，長余輝發(fā)光納米晶體制造的柔性X射線探測器能夠產(chǎn)生對高度彎曲的三維目標(biāo)物進(jìn)行高分辨成像，性能優(yōu)于商業(yè)化平板探測器。
目前，福大領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊正在進(jìn)行跨學(xué)科合作，推進(jìn)高端X射線影像設(shè)備的國產(chǎn)化。
“長期以來，我們從國外進(jìn)口設(shè)備受到采購周期長和價格高等限制。我們希望推動更多科研團(tuán)隊參與這個領(lǐng)域的開發(fā)，讓國產(chǎn)高端X射線影像設(shè)備在探索中不斷進(jìn)步。”楊黃浩教授說。
（福建日報記者 張穎 實習(xí)生 陳若蕓 鄭麗金）
