Nanocomposiet zorgt voor perfecte opname van röntgenfoto’s

Een nanocomposiet dat röntgenstralen absorbeert en vervolgens, met bijna perfecte efficiëntie, de opgevangen energie opnieuw uitstraalt als licht, zou kunnen helpen bij het verbeteren van medische beeldvorming met hoge resolutie en veiligheidsscreening. De bijna 100 procent energieoverdracht van het materiaal zou efficiëntiewinsten kunnen opleveren in apparaten variërend van lichtemitterende diodes (LED’s) en röntgenbeeldscintillatoren tot zonnecellen.

Tijdens een medische beeldvormingsprocedure worden röntgenstralen die door het lichaam gaan geabsorbeerd door een scintillatormateriaal, dat röntgenstralen omzet in licht dat een sensor van het digitale cameratype kan vastleggen. “Tot op heden bestaan ​​high-performance scintillatoren voornamelijk uit keramiek waarvoor zware en dure voorbereidingsomstandigheden nodig zijn, of perovskietmaterialen die een slechte lucht- en lichtstabiliteit en hoge toxiciteit hebben”, zegt Jian-Xin Wang, een postdoc in het laboratorium van Omar Mohammed. het werk.

Organische scintillatormaterialen daarentegen hebben een goede verwerkbaarheid en stabiliteit, maar een lage beeldresolutie en detectiegevoeligheid vanwege het lage atoomgewicht – en dus beperkte röntgenabsorptie – van hun samenstellende atomen.

Mohammed en zijn collega’s hebben nu de röntgenopname van organische scintillatoren verbeterd door ze te combineren met een metaal-organisch raamwerk (MOF), Zr-fcu-BADC-MOF, dat zirkonium met een hoog atoomgewicht in zeer geordende structuren bevat.

Toen de MOF-laag van het nanocomposiet werd getroffen door röntgenstralen, werden excitonen – opgewonden paren van negatief geladen elektronen en positief geladen gaten – gegenereerd. Deze energiedragers werden gemakkelijk overgebracht van de MOF naar de organische TADF-chromofoor, geholpen door de ultrakorte afstand ertussen, en de energie werd uitgezonden als licht.

Van cruciaal belang voor de algehele efficiëntie van de nanocomposiet, straalde de TADF-chromofoor licht uit, ongeacht de excitonvorm. “Singlet”-excitonen resulteerden in directe lichtemissie en de TADF-chromofoor zette niet-emitterende “triplet” -excitonen gemakkelijk om in de emissieve singlet-toestand. “Het directe gebruik van singlet- en triplet-excitonen van de TADF-chromoforen droeg in hoge mate bij aan de opmerkelijk verbeterde radioluminescentie-intensiteit en röntgengevoeligheid”, zegt Wang.

Dankzij de bijna 100 procent efficiënte overdracht van energie van röntgenstralen naar licht, bereikte de nanocomposiet-scintillator een beeldresolutie tot een paar honderd micrometer, en een detectielimiet die 22 keer lager is dan de typische medische beeldvormingsdoses voor röntgenstraling, voegt Wang eraan toe.

Het concept werd bevestigd toen het team een ​​nauw verwante strategie gebruikte, wat aantoonde dat de TADF-chromofoor ook kan worden gecombineerd met perovskieten-nanobladen om nanocomposieten te produceren met uitstekende röntgenbeeldvormingsscintillatorprestaties. Nogmaals, efficiënte energieoverdracht, mogelijk gemaakt door de ultrakorte afstand tussen lagen, en het directe gebruik van zowel singlet- als triplet-aangeslagen toestanden door de TADF-chromofoor, waren van cruciaal belang. In dit geval werd de detectielimiet van het materiaal nog verder verhoogd, tot 142 keer lager dan een typische dosis voor medische röntgenstraling.

“Onze strategie voor energieoverdracht bevordert organische röntgenbeeldvormingsscintillatoren uit een bijna dood onderzoeksveld tot een van de meest opwindende toepassingen voor radiologie en veiligheidsonderzoek. Het is ook van toepassing op andere lichtconversietoepassingen, waaronder lichtemitterende diodes en zonnecellen, ‘ zegt Mohamed. “We zijn van plan om de prestaties van onze grootschalige röntgenbeeldvormingsscintillatoren verder te verbeteren voordat we deze op de markt brengen.”