牛年开门红！新国大苏研院刘小钢团队再发《Nature》，高分辨X射线成像技术取得重大突破！
近期，新加坡国立大学苏州研究院（以下简称“新国大苏研院”）研究员频发高质量学术论文！继卞劲松团队在《Science》子刊发表帕金森病治疗新发现后，我院首席研究员刘小钢团队再次在国际顶级学术期刊《Nature》上发表X射线成像领域的重大突破。
北京时间2月18日，刘小钢团队在国际顶级学术期刊《Nature》上发表最新研究成果。该工作巧妙利用了一类高性能稀土掺杂纳米闪烁体的长余辉发光特性，与高弹性聚合物相结合，通过施加均匀拉力，成功开发了具有高分辨且适用于不规则三维物体的X射线扩展成像（Xr-LEI）新技术，解决了X射线成像领域的一个重大技术挑战。该技术在时间维度可将被检测物体的结构信息存储长达15天，同时也从空间维度上达到了约25微米的分辨率，高于常规平板检测器所能获得的分辨率的4倍。
此前，刘小钢团队在《Nature》期刊首次提出了一类全无机钙钛矿纳米晶闪烁体，其在X射线辐射下可产生较强的辐射发光，发出颜色连续可调的全色域可见光，并由此实现了对X射线的超灵敏检测与高分辨成像。
研究思路
长余辉发光指的是在激发光（紫外-可见光、X射线、γ射线等）停止后，仍可以持续发光几秒甚至几个小时的一类发光现象。传统高温制备的长余辉材料性能优异但形貌尺寸不可控，而低温合成的材料形貌尺寸可控但发光性能不佳。针对上述主要矛盾，刘小钢团队合成的稀土掺杂的纳米闪烁体不仅在X射线激发下表现出优异的长余辉发光性能，而且通过低温共沉淀法制备的纳米闪烁体的形貌尺寸可调控。此外，在基质晶格中掺杂入不同的稀土激活剂，长余辉发光波长在紫外-可见光至近红外光区域内可调谐。另一方面，该类新型长余辉纳米材料分散性良好，非常适合用于制备柔性探测器。
图1. 纳米闪烁体长余辉发光性能表征
图2. 纳米闪烁体长余辉材料光物理性质研究
研究人员结合光谱技术、电子顺磁共振表征、热释光学曲线分析、密度泛函理论计算和同步辐射技术对基于晶格缺陷的长余辉机理展开了系统研究，提出了高能量X射线光子诱导Frenkel缺陷产生长余辉发光的机理。量子力学计算所得到的缺陷形成能和电子结构表明，阴离子Frenkel缺陷作为纳米晶体中的陷阱，可有效的捕获高能电离辐射所产生的载流子（电子和空穴）。由于阴离子偏离晶格位点的距离不同，所形成的Frenkel缺陷具有不同的陷阱深度。在室温环境下，浅陷阱中的载流子可以缓慢逃逸到晶格中的稀土离子，而深陷阱中的载流子逃逸则需要外界注入能量，如光激励和加热处理。该逃逸过程与缺陷自我修复同时发生。因此，被俘获的载流子的缓慢逃逸使得该类纳米晶体的余辉现象可持续长达30天。此外，高能辐射诱导产生Frenkel缺陷这一特性决定了该类长余辉纳米材料不能被紫外和可见光激活，实现了对X射线探测较高的选择性。该发光机制的建立对新型卤化物长余辉材料的探索与合成具有指导意义。
图3. 纳米闪烁体长余辉发光机理研究
图4. 高分辨柔性X射线发光成像
研究成果
X射线影像技术在医学诊断、安全检查和工业无损探伤等领域具有广泛且重要的应用。目前，大多数X射线平板探测器需要集成薄膜晶体管阵列（TFT）、非晶硅光电转换层和闪烁体。由于制造大面积、柔性的薄膜晶体管阵列和非晶硅光电转换层仍存在巨大的技术挑战，导致难以研制出柔性平板探测器，而使用刚性的平板探测器难以实现曲面或者不规则目标物的三维X射线成像。
刘小钢教授是新国大苏研院环境与能源纳米科技卓越研究中心的首席研究员，其领导的研究小组承担了国家自然科学基金、2011协同创新中心、苏州市纳米专项等多项科研项目。刘小钢教授的研究领域包括纳米材料制备和组装、生物无机化学和超分子化学等，稀土掺杂上转换发光纳米材料性能的研发及其在3D显示、生物成像、分子检测和光学防伪。刘小钢教授曾荣获新加坡总统府授予的总统科学奖（2016）、英国皇家化学会《化学会评论》新科学家奖（2012）、台湾国家科学委员会讲学奖（2012）、新加坡国立大学青年研究学者奖（2011）以及巴斯夫-新加坡国家化学研究院材料化学奖（2010）等。
