Lanthanid-doping kan hjælpe med nye billeddannelsesteknikker

Røntgenstråler er elektromagnetiske bølger med korte bølgelængder og stærk gennemtrængelighed i fysisk stof, herunder levende organismer. Scintillatorer, der er i stand til at omdanne røntgenstråler til de ultraviolette (UV), synlige eller nær-infrarøde (NIR) fotoner, anvendes i vid udstrækning til at realisere indirekte røntgendetektion og XEOL-billeddannelse på mange områder. De omfatter medicinsk diagnose, computertomografi (CT), udforskning af rummet og ikke-destruktivt industrielt materiale og sikkerhedsinspektioner.

Kommercielle bulkscintillatorer har et højt lysudbytte (LY) og overlegen energiopløsning. De lider dog af adskillige ulemper, såsom komplekse fremstillingsprocedurer, dyrt eksperimentelt udstyr, ikke-afstembar XEOL-bølgelængde og dårlig bearbejdning af enheden. De producerer alle emissioner i det synlige spektrale område, men at have XEOL i NIR-området kan finde mere interessante anvendelser inden for biomedicin. Tykke krystaller genererer også lysspredning efterfulgt af tydelig signalkrydsning i et fotodiodearray.

For nylig er metalhalogenidperovskitter blevet undersøgt til røntgenpåvisning. Desværre udviste disse materialer også nogle iboende begrænsninger, såsom dårlig foto-/miljøstabilitet, tungmetaltoksicitet og lav LY. Derfor er jagten på at udvikle en ny generation af scintillatorer stadig et betydeligt fokus for videnskabelig forskning.

I et nyt papir udgivet i eLight , et hold af videnskabsmænd, ledet af professor Prasad N. Paras fra University of Buffalo, undersøgte brugen af ​​lanthanid-doteret fluorid NS'er. Deres papir så på designstrategier og nanostrukturer, der tillader manipulation af excitationsdynamik i en kerne-skalgeometri.

Lanthanid-doteret fluorid-NS'er undgår begrænsningerne for bulkscintillatorer og metalhalogenidperovskitter. De udviser også mange nyttige egenskaber. Kerne-skal-strukturerne af de lanthanid-doterede fluorid-NS'er kan tunes og designes efter behov ved at anvende en billig og bekvem vådkemisk metode. Emissionsbølgelængderne kan indstilles og udvides til det andet NIR-vindue, hvilket drager fordel af de rigelige energiniveauer af lanthanidaktivatorer.

Disse NS'er viser overlegen fotostabilitet, lav toksicitet og bekvem bearbejdning af enheden. Det gør dem til lovende kandidater til næste generations NS'er og XEOL-billeddannelse. Desuden udviser de XEPL-egenskaber, der viser lovende anvendelser inden for biomedicin og optisk informationskodning. Kombinationen af ​​XEOL og XEPL gør dem velegnede til at udvide omfanget af deres applikationer.

I de senere år er der sket betydelige fremskridt i udviklingen af ​​NS. Forskerholdet diskuterede designstrategier og nanostruktur, der tillader manipulation af excitationsdynamik i en kerne-skalgeometri. De producerer også XEOL, XEPL, photon upconversion (UC) og downshifting (DS). Det muliggør emission ved flere bølgelængder og på forskellige tidsskalaer.

Det grundlæggende arbejdsprincip for XEOL-billeddannelse er at registrere dæmpningen af ​​røntgenstråler efter penetrering af motivet med en scintillator og billeddannelse med et kamera. Scintillatorskærmen placeres under målet for at absorbere de transmitterede røntgenfotoner. En lav dosis røntgenstråler, der penetrerer levende organismer, muliggør anvendelse af computertomografi. Indtrængende ikke-levende stof muliggør produktkvalitet og sikkerhedsinspektion. Røntgenbestrålingsdosis bør være lav nok til at garantere sikkerheden, mens den høje opløsning og den tydelige kontrast er vigtige for billedanalyse.

Røntgen, ioniserende stråling med dyb penetrationsdybde i den menneskelige krop, er blevet bredt undersøgt til strålebehandling og bioimaging anvendelser. Den stærke XEOL kan aktivere fotosensibilisatorerne for at generere reaktive oxygenarter. De bremser eller stopper tumorvækst direkte ved fotodynamisk terapi, hvilket forårsager betændelse og kompromitterer mikrovaskulatur.

XEPL i UVC-serien kan bruges til sterilisering og in vivo drab af patogener og cancerceller. Fluorider med stort båndgab og let frembringelse af anioniske defekter er passende til at generere UVC-vedvarende luminescens. Eksperimentelle karakteriseringer kombineret med beregninger med de første principper antydede, at iltintroduktion-inducerede fluor ledige pladser fungerede som elektronfælder.

Fotodetektorer har forskellige anvendelser inden for biomedicinsk registrering, kamerabilleddannelse, optisk kommunikation og nattesyn. I kommercielle fotodetektorer anvendes krystallinske uorganiske halvledere som fotodioder og fototransistorer. De reagerer ikke effektivt på en bred vifte af fotonenergi, der dækker røntgenstråler, ultraviolet-synligt (UV-vis) og NIR-lys.

Under NIR-excitation udsender det lanthanid-doterede fluoridlag UV-vis lys gennem energioverførende UC-processer. Den efterfølgende strålingsgenabsorptionsproces fra lanthanidaktivatorer til perovskitlaget forekommer. Synlig emission fra perovskitlaget produceres ved at rekombinere elektroner i CB og huller i VB.

Denne nanotransducer udviste et bredt lineært respons på røntgenstråler med forskellige dosishastigheder og UV- og NIR-fotoner ved forskellige effekttætheder. Som diskuteret i afsnit 4.4, uden at integrere perovskitlaget, kan lanthanid-doterede fluorid-NS'er også bruges til generering af XEOL, UC og DS, hvilket kan være muligt for realisering af bredbåndsdetektion i teorien og har brug for mere undersøgelse i fremtid.

Lanthanid-doterede fluorid-nanopartikler er egnede kandidater til næste generations NS'er på grund af deres lave biotoksicitet, høje foto-/miljøstabilitet, lette enhedsbehandlingsevne, afstembare XEOL- og XEPL-egenskaber og andre nyttige funktioner.

For at fremme udviklingen af ​​højtydende fluorid-NS'er og deres praktiske anvendelser diskuterede holdet de eksisterende udfordringer og fremtidige multidisciplinære muligheder på dette område nedenfor. Forståelse af XEOL-mekanismen gavner designet og udforskningen af ​​nye fluorid-NS'er. På nuværende tidspunkt er det uklart, hvordan de genererede ladningsbærere med lav kinetisk energi transporteres til de luminescerende centre eller fanges af defekter og de tilsvarende indflydelsesfaktorer.

De første befolkede ikke-strålende exciterede niveauer og de strålingsniveauer af lanthanidaktivatorer er optimale, når man beregner eller karakteriserer energiforskellene mellem disse ladningsbærere. Disse beregninger vil guide udformningen af ​​energioverførselsprocesser, så de matcher energiforskellene efterfulgt af det forbedrede lysudbytte. Høj LY er en forudsætning for realisering af applikationer med ultralav dosishastighed. + Udforsk yderligere

Effektiv nær-infrarød luminescens i lanthanid-doterede, helt uorganiske halogenid-dobbeltperovskitter