如今，X射線已經廣泛應用於科學研究、醫療診斷、安檢和工業無損檢測等重要領域。上世紀70年代，隨著電子計算機斷層掃描（Computed Tomography）的誕生和發展，X射線探測更是成為了醫療影像學中不可缺少的技術。不過，目前我國的高階X射線影像裝置及關鍵零部件主要依賴進口，2018年，醫學影像裝置與光刻機、晶片等被《科技日報》列為我國被“卡脖子的35項技術”[2-3]。

由於高能射線無法透過肉眼直接觀測，近幾十年來，最常用的方法是利用探測器將X射線轉換為可見光或者電訊號。大多數X射線平板探測器需要整合薄膜電晶體陣列（TFT）、非晶矽光電轉換層和閃爍體。其中，可以將高能射線轉換為可見光的材料稱為閃爍體，是X射線探測器中的關鍵部分。

近日，福州大學楊黃浩教授、陳秋水教授和新加坡國立大學（NUS）劉小鋼教授等研究者在Nature 雜誌上發表論文，利用長餘輝稀土奈米晶作為閃爍體材料，製備了柔性X射線平板探測器，實現了高分辨X射線發光擴充套件成像（X-ray luminescence extension imaging，Xr-LEI），並提出了高能X射線光子誘導奈米晶缺陷產生長餘輝發光的機理。

值得一提的是，2018年陳秋水教授還在劉小剛教授課題組做博後期間，就在Nature 雜誌上發表文章，利用鈣鈦礦奈米課題做閃爍體，實現了X射線激發下可調諧的可見光發射（Nature, 2018, 561, 88–93, 點選閱讀詳細）。

稀土摻雜奈米材料具有獨特的發光效能，目前已廣泛應用於X射線閃爍、光學成像、生物感測等領域。研究者透過共沉澱法合成了一系列摻稀土元素的NaLuF4奈米顆粒，並製備了核殼結構NaLuF4:Tb@NaYF4，奈米顆粒呈六角形，平均尺寸為27 nm。奈米顆粒不能被日光啟用，卻可以被X射線激發，其發射光譜對應於Tb3+的5D4→7F4 (584nm)、5D4→7F5 (546nm)和5D4→7F6 (489nm)光學躍遷。關閉X射線源後，奈米顆粒持續長餘輝發光，甚至在30天后，探測器依舊可以檢測到三個特徵發射峰，這歸因於NaYF4殼層可有效減緩奈米晶表面X射線能量的猝滅。

透過對NaLuF4晶格中負離子弗侖克爾缺陷（Frenkel defect）的模擬，高能射線可能使氟陰離子（F-）發生錯位，導致氟化物空位的形成，並伴隨著陷阱態中高能電子（e-）的產生和俘獲。利用密度泛函理論計算，當兩個缺陷的距離小於3 Å時，氟離子透過逐漸擴散回到原來的空位。對於間距較大（大於3 Å）的缺陷對，氟離子由於能量勢壘的增加而保持相對穩定，除非在加熱或光照的刺激下，才能使其恢復。

根據實驗和計算結果可知，當X射線照射摻雜鑭系元素的奈米晶閃爍體時，稀土元素透過光電效應吸收高能射線，併產生高能電子。同時，奈米晶體中形成的負離子Frenkel缺陷，可以捕獲電子，併產生長壽命光子，熱啟用也可以使材料釋放能量，發出光子。同時，增加X射線的劑量，也可以增強長餘輝強度。

研究者將NaLuF4:Tb@NaYF4奈米晶材料嵌入聚二甲基矽氧烷襯底，開發出一種柔性的X射線探測器，並利用長餘輝發光實現了高分辨X射線發光擴充套件成像（Xr-LEI）。X射線照射後，電荷載流子被捕獲在奈米晶體的Frenkel缺陷中。將檢測器移出並加熱到80 °C，隨著被捕獲的電荷載流子的能量被激發遷移，透過熱激發光實現成像過程。這種柔性探測器甚至可以插入摺疊的電路板中對其進行全景成像，而傳統平板探測器只能得到幾乎無法分辨的重疊成像。可拉伸X射線探測器的空間解析度超過20 lp mm-1，遠高於傳統的平板探測器。

綜上，這種稀土奈米晶閃爍體具有無色透明、分散性好、尺寸可控、餘輝效能優秀等優點；與柔性基底相結合之後可得透明、可拉伸的柔性X射線成像裝置，實現了柔性、高分辨的全景X射線成像。與傳統平板探測器相比，優勢明顯。非常期待這種技術能夠儘快進入市場。

後記：

很榮幸的認識論文的一作歐翔宇，他剛剛從福州大學博士畢業，一篇Nature 對於一位博士生來說，一定是最好的畢業禮物。

High-resolution X-ray luminescence extension imaging

Xiangyu Ou, Xian Qin, Bolong Huang, Jie Zan, Qinxia Wu, Zhongzhu Hong, Lili Xie, Hongyu Bian, Zhigao Yi, Xiaofeng Chen, Yiming Wu, Xiaorong Song, Juan Li, Qiushui Chen, Huanghao Yang & Xiaogang Liu

Nature, 2021, 590, 410-415, DOI: 10.1038/s41586-021-03251-6

導師介紹

劉小鋼

https://www.x-mol.com/university/faculty/4382

楊黃浩

https://www.x-mol.com/groups/yang_huanghao

參考資料：

1. Wilhelm Röntgen

https://en.wikipedia.org/wiki/Wilhelm_R%C3%B6ntgen

2. 拙鈍的探測器模糊了醫學影像

http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2018-06/25/node_2.htm

http://news.fzu.edu.cn/html/fdyw/2021/02/18/15d83e6c-0093-48bc-bcb6-9a729854566b.html

4. B. Fraboni, et al. Ionizing Radiation Detectors Based on Solution‐Grown Organic Single Crystals. Adv. Funct. Mater., 2016, 26, 2276-2291. DOI: 10.1002/adfm.201502669

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201502669