Nanocomposite giver billed-perfekt røntgenoptagelse

En nanokomposit, der absorberer røntgenstråler og derefter, med næsten perfekt effektivitet, genudsender den opfangede energi som lys, kunne hjælpe med at forbedre højopløsnings medicinsk billeddannelse og sikkerhedsscreening. Materialets næsten 100 procent energioverførsel kan bringe effektivitetsgevinster i enheder lige fra lysemitterende dioder (LED'er) og røntgenbilleddannelsesscintillatorer, hele vejen til solceller.

Under en medicinsk billedbehandlingsprocedure absorberes røntgenstråler, der passerer gennem kroppen, af et scintillatormateriale, som konverterer røntgenstråler til lys, som en sensor af digitalkameratypen kan opfange. "Hidtil består højtydende scintillatorer hovedsageligt af enten keramik, der kræver hårde og dyre forberedelsesforhold, eller perovskitmaterialer, der har dårlig luft- og lysstabilitet og høj toksicitet," siger Jian-Xin Wang, en postdoc i Omar Mohammeds laboratorium, der ledede arbejdet.

Organiske scintillatormaterialer har derimod god bearbejdelighed og stabilitet, men lav billedopløsning og detektionsfølsomhed på grund af den lave atomvægt - og dermed begrænsede røntgenabsorption - af deres komponentatomer.

Mohammed og hans kolleger har nu forbedret røntgenopfangningen af ​​organiske scintillatorer ved at kombinere dem med en metal-organisk ramme (MOF), Zr-fcu-BADC-MOF, som inkorporerer zirconium med høj atomvægt i højt ordnede strukturer.

Da MOF-laget af nanokompositten blev ramt af røntgenstråler, blev excitoner - exciterede par af negativt ladede elektroner og positivt ladede huller - genereret. Disse energibærere overføres let fra MOF til den organiske TADF-kromofor, hjulpet af den ultrakorte afstand mellem dem, og energien blev udsendt som lys.

Kritisk for nanokomposittens samlede effektivitet udsendte TADF-kromoforen lys uanset excitonform. "Singlet"-excitoner resulterede i direkte lysemission, og TADF-kromoforen omdannede let ikke-emissive "triplet"-excitoner til den emissive singlet-tilstand. "Den direkte udnyttelse af singlet- og triplet-excitoner af TADF-kromoforerne bidrog i høj grad til dens bemærkelsesværdigt forbedrede radioluminescensintensitet og røntgenfølsomhed," siger Wang.

På grund af sin næsten 100 procent effektive overførsel af energi fra røntgenstråler til lys nåede nanokompositscintillatoren billedopløsning ned til et par hundrede mikrometer og en detektionsgrænse, der er 22 gange lavere end typiske røntgenmedicinske billeddannelsesdoser, tilføjer Wang.

Konceptet blev bekræftet, da holdet anvendte en nært beslægtet strategi, der viste, at TADF-kromoforen også kunne kombineres med perovskites nanoark for at producere nanokompositter med fremragende røntgenbilleddannelsesscintillatorydelse. Igen var effektiv energioverførsel muliggjort af den ultrakorte afstand mellem lagene og TADF-kromoforens direkte brug af både singlet- og triplet-exciterede tilstande nøglen. I dette tilfælde blev detektionsgrænsen for materialet øget endnu mere og nåede 142 gange lavere end en typisk røntgenmedicinsk billeddannelsesdosis.

"Vores energioverførselsstrategi fremmer organiske røntgenbilleddannelsesscintillatorer fra et næsten dødt forskningsfelt til en af ​​de mest spændende applikationer til radiologi og sikkerhedsscreening. Den gælder også for andre lyskonverteringsapplikationer, herunder lysemitterende dioder og solceller, " siger Mohammed. "Vi planlægger yderligere at forbedre ydeevnen af ​​vores storstilede røntgenbilleddannelsesscintillatorer, før vi bringer den på markedet." + Udforsk yderligere

Chiral TADF-active polymers for high-efficiency, circularly polarized organic light-emitting diodes