Nowatorska konstrukcja molekularna zapewnia 1300-krotny wzrost radioluminescencji scyntylatora

Naukowcy z Narodowego Uniwersytetu w Singapurze (NUS) opracowali wysoce skuteczny i ogólny projekt molekularny, który umożliwia zwiększenie radioluminescencji w scyntylatorach metaloorganicznych o ponad trzy rzędy wielkości. To ulepszenie wykorzystuje indukowany promieniami rentgenowskimi recykling ekscytonów trypletowych w kompleksach metali lantanowców.

Wykrywanie promieniowania jonizującego ma kluczowe znaczenie w różnych dziedzinach, takich jak radiografia medyczna, monitorowanie środowiska i astronomia. W rezultacie poczyniono znaczne wysiłki w celu opracowania materiałów luminescencyjnych reagujących na promienie rentgenowskie.

Jednak obecne wysokowydajne scyntylatory są prawie wyłącznie ograniczone do materiałów ceramicznych i perowskitowych, w przypadku których występują takie problemy, jak złożone procesy produkcyjne, toksyczność dla środowiska, problemy z samoabsorpcją i stabilnością.

Organiczne luminofory stanowią obiecującą alternatywę ze względu na ich elastyczność i opłacalność. Są jednak mniej skuteczne w wykrywaniu promieni rentgenowskich ze względu na słabą absorpcję promieniowania rentgenowskiego i ograniczone wykorzystanie ekscytonów trypletów molekularnych.

Chociaż luminofory organiczne domieszkowane halogenami i aktywowane termicznie cząsteczki o opóźnionej fluorescencji wykazują potencjał, wymagają one precyzyjnej inżynierii strukturalnej oraz wyzwań związanych z absorpcją i resorpcją, ograniczając ich skuteczność.

Zespół badawczy kierowany przez profesora Liu Xiaoganga z Wydziału Chemii NUS wykorzystał absorpcję promieni rentgenowskich metali ziem rzadkich i zbieranie ekscytonów trypletowych za pośrednictwem ligandów, aby przezwyciężyć te wyzwania i znacznie poprawić działanie scyntylatorów molekularnych.

Skuteczne wychwytywanie energii rozproszonej podczas wtórnej relaksacji promieni rentgenowskich przez ligandy organiczne doprowadziło do niezwykłego 1300-krotnego wzrostu radioluminescencji w porównaniu z solami lantanowców.

Badanie ujawniło rolę recyklingu ekscytonów trypletowych w określaniu wydajności scyntylacji, wykazując, że wysoka wydajność kwantowa fotoluminescencji niekoniecznie musi skutkować wysoką wydajnością scyntylacji.

Badania przeprowadzono we współpracy z profesorem Yiming Wu z Uniwersytetu Xiamen w Chinach i profesorem Xian Qin z Fujian Normal University w Chinach.

Ustalenia były opublikowany w dzienniku Fotonika Przyrody.

Co istotne, te związki organolantanowców wykazują silną odporność na promieniowanie wysokoenergetyczne i wykazują skuteczność scyntylacyjną przewyższającą wydajność dobrze znanych organicznych scyntylatorów i nieorganicznych kryształów LYSO:Ce. Ich wydajność była również porównywalna z wydajnością kryształów CsI:Tl.

Dopasowując centra metali i ich ligandy koordynacyjne, naukowcy wykazali możliwość uzyskania pełnospektralnej scyntylacji promieni rentgenowskich od zakresu ultrafioletowego do bliskiej podczerwieni. Ponadto ich metodologia umożliwia precyzyjne dostrojenie czasów trwania emisji w zakresie od 50 nanosekund do 900 mikrosekund.

Te scyntylatory lantanowców organicznych wykazują znaczne przesunięcia Stokesa i oferują zaletę syntezy i przetwarzania w temperaturze pokojowej w postaci roztworu. Ponadto wykazują doskonałą rozpuszczalność, stabilność i elastyczność, umożliwiając mieszanie na poziomie molekularnym w celu obrazowania radiograficznego o wysokiej rozdzielczości i potencjalnych zastosowań w radioterapii tkanek głębokich za pośrednictwem promieni rentgenowskich.

Profesor Liu powiedział: „Efektywność recyklingu ekscytonów trypletowych jest kluczem do lepszej wydajności scyntylacji. Odkrycia te dostarczają głębokiego wglądu w dynamikę migracji ekscytonów indukowanych promieniowaniem rentgenowskim i zachowanie radioluminescencji, kształtując przyszłość scyntylatorów organicznych i wykorzystania przez nie wysokoenergetycznych Kwanty rentgenowskie.

„Wysoka stabilność radioluminescencji, duże przesunięcie Stokesa i pełna przestrajalność widma sprawiają, że cząsteczki organolantanowców stanowią obiecującą platformę do zastosowań scyntylacyjnych”.