Новый молекулярный дизайн увеличивает радиолюминесценцию сцинтиллятора в 1300 раз

Ученые из Национального университета Сингапура (NUS) разработали общую и высокоэффективную молекулярную конструкцию, которая может улучшить радиолюминесценцию в металлоорганических сцинтилляторах более чем на три порядка. В этом усовершенствовании используется рециркуляция триплетных экситонов, индуцированная рентгеновскими лучами в комплексах металлов-лантанидов.

Обнаружение ионизирующего излучения имеет решающее значение в различных областях, таких как медицинская рентгенография, мониторинг окружающей среды и астрономия. В результате значительные усилия были направлены на разработку рентгеновских люминесцентных материалов.

Однако современные высокопроизводительные сцинтилляторы почти исключительно ограничены керамическими и перовскитными материалами, которые сталкиваются с такими проблемами, как сложные производственные процессы, токсичность для окружающей среды, проблемы самопоглощения и стабильности.

Органические люминофоры представляют собой многообещающую альтернативу благодаря своей гибкости и экономической эффективности. Однако они менее эффективны при обнаружении рентгеновских лучей из-за плохого поглощения рентгеновских лучей и ограниченного использования молекулярных триплетных экситонов.

Хотя органические люминофоры, легированные галогенами, и термически активированные молекулы замедленной флуоресценции демонстрируют потенциал, они требуют точного структурного проектирования и сталкиваются с проблемами поглощения и реабсорбции, что ограничивает их эффективность.

Исследовательская группа под руководством профессора Лю Сяогана из химического факультета НУС использовала поглощение редкоземельных рентгеновских лучей и лиганд-опосредованный сбор тройных экситонов, чтобы преодолеть эти проблемы и значительно улучшить молекулярные характеристики сцинтиллятора.

Эффективное улавливание энергии, рассеиваемой во время вторичной рентгеновской релаксации, с помощью органических лигандов привело к значительному увеличению радиолюминесценции в 1300 раз по сравнению с солями лантаноидов.

Исследование раскрыло роль рециклинга триплетных экситонов в определении эффективности сцинтилляции, продемонстрировав, что высокая квантовая эффективность фотолюминесценции не обязательно приводит к высокой эффективности сцинтилляции.

Исследование проводилось в сотрудничестве с профессором Имингом Ву из Университета Сямэнь, Китай, и профессором Сянь Цинь из Педагогического университета Фуцзянь, Китай.

Выводы были опубликовано в журнале Естественная фотоника.

Примечательно, что эти лантанидорганические соединения проявляют надежную устойчивость к высокоэнергетическому излучению и демонстрируют эффективность сцинтилляции, превышающую эффективность хорошо известных органических сцинтилляторов и неорганических кристаллов LYSO:Ce. Их характеристики также были сопоставимы с эффективностью кристаллов CsI:Tl.

Подбирая металлические центры и их координирующие лиганды, исследователи демонстрируют способность достигать рентгеновского сцинтилляции полного спектра, от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного. Кроме того, их методология позволяет уточнить время жизни излучения в диапазоне от 50 наносекунд до 900 микросекунд.

Эти лантанидорганические сцинтилляторы демонстрируют существенные стоксовы сдвиги и дают преимущество синтеза и обработки при комнатной температуре в форме раствора. Кроме того, они демонстрируют превосходную растворимость, стабильность и гибкость, что позволяет смешивать их на молекулярном уровне для получения рентгенографических изображений с высоким разрешением и потенциального применения в рентгеновской лучевой терапии глубоких тканей.

Профессор Лю сказал: «Эффективная переработка триплетных экситонов является ключом к улучшению характеристик сцинтилляции. Эти результаты дают глубокое понимание динамики индуцированной рентгеновскими лучами миграции экситонов и поведения радиолюминесценции, определяя будущее органических сцинтилляторов и их использование высоких энергий. Рентгеновские кванты.

«Высокая стабильность радиолюминесценции, большой стоксов сдвиг и полная спектральная перестройка делают молекулы лантанидов многообещающей платформой для сцинтилляционных применений».