近日，有机电子与信息显示国家重点实验室黄维院士、陶冶教授团队和福州大学陈秋水教授在有机闪烁体领域取得新进展，通过将纯有机发光自由基作为闪烁体，有效避开了暗三线态激子引起的激子利用低的问题，实现了高效的X射线辐射发光性能和纳秒级的辐射发光寿命，相关成果以“Efficient Metal Free Organic Radical Scintillators”为题发表在Nature Communications（《自然·通讯》）上。谢高瞻副教授、陈秋水教授、陶冶教授和黄维院士为论文共同通讯作者，硕士生罗安晟为论文第一作者。东南大学罗守华教授在医用显微CT成像方面给予了大力支持。
有机X射线闪烁体（OXSTs）材料具有结构易修饰、成本低、毒性小等优点，在X射线成像、辐射检测和光动力治疗等领域有广泛的应用前景，近年来一直是材料化学界的研究热点。但现存的OXSTs材料都为闭壳分子，其在X射线辐射下会产生75%的三线态激子，导致激子利用率低和发光寿命长等问题。因此，如何设计制备兼具高激子利用率和短辐射发光寿命的OXSTs材料仍然是该领域的一个重大挑战。
针对这一问题，南京邮电大学黄维院士、陶冶教授团队和福州大学陈秋水教授提出将开壳型有机发光自由基作为闪烁体，设计制备了两种卤代三苯甲基发光自由基。该类自由基OXSTs材料在X射线激发下只形成跃迁允许的双线态激子，理论上可以实现100%的激子利用效率，并且它们表现出强的X射线吸收、优异的X射线辐射发光稳定性和纳秒级的辐射发光寿命(⁓18 ns)，其X射线辐射发光性能可以与经典闭壳型OXSTs材料相媲美。良好的X射线辐射发光性能使得这类自由基OXSTs材料不仅可用于X射线照相术中对各种物体进行对比成像，还适用于医学高分辨率显微CT成像系统，对竹签的纤维脉络进行清晰成像。该研究工作不仅证实了纯有机发光自由基作为高效闪烁体的可能性，也为有机闪烁体材料在X射线成像中的商业化应用提供了宝贵的经验。
该项研究成果同时得到了柔性电子基础科学中心、国家优秀青年基金、江苏省特聘教授计划、有机电子与信息显示国重主任基金，松山湖材料实验室开放课题及南京邮电大学“华礼人才”支持计划等项目的支持。
图1：（a）OXSTs材料辐射发光过程；（b）闭壳型OXSTs材料辐射发光机理；（c）自由基OXSTs材料辐射发光机理；（d）卤代有机自由基闪烁体的分子结构
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-51482-8
撰稿：陶冶 编辑：陈宁娜 审核:凌海峰