X射线成像技术自发现以来，已成为医学诊断、工业检测、安全检查等领域不可或缺的工具。高性能X射线闪烁体（Scintillator）是X射线成像系统的核心组件，其主要作用是将X射线信号高效转换为可见光，从而被探测器接收并生成清晰影像。然而，随着大尺寸物体高分辨X射线成像的需求增长，现有闪烁体材料在大面积扩展制造、透明度、光转换效率及成像精度等方面仍存在瓶颈，制约了技术的进一步突破。

从传统碘化铯（CsI:Tl）到新兴的金属卤化物钙钛矿闪烁体，不同材料体系各有优劣。例如，传统无机闪烁体虽然具有较高的X射线吸收能力，但由于较强的自吸收效应和散射问题，其在大面积高分辨率成像方面仍存在优化空间。此外，有机闪烁体因其合成灵活、低成本等优势受到关注，但其设计流程复杂、光学稳定性较差，难以适用于长期使用环境。因此，开发兼具高透明度、高光产额、大面积可制造性的X射线闪烁体成为当前研究的关键方向。

近期，郑州大学刘凯凯教授和单崇新教授课题组研究团队开发了一种基ZnO量子点的新型X射线闪烁体。该材料采用无序组装方法，实现了高透明度和大面积（米级）闪烁体制备（如图1左侧所示），并通过优化激子态分布，提高了三重态自陷域激子的光学贡献，最终实现大面积高分辨率X射线成像。相关研究成果以“Scalable X-Ray Scintillators with Bright Singlet-Triplet Hybrid Self-Trapping Excitons”为题发表于Light: Science & Applications。

图1：ZnO 量子点闪烁体的设计、发光和成像。(a) 大面积闪烁体图像；(b) ZnO 量子点闪烁体中X射线激发闪烁过程的示意图；(c) 高分辨大面积X射线成像

本文中，论文作者首先开发了一种大面积、高透明度的ZnO量子点闪烁体，突破了传统材料在制备尺寸和光学均匀性方面的限制。该闪烁体采用无序组装策略和溶液加工工艺实现米级（1 m×0.5 m）闪烁体制备，在可见光范围内的透过率高达96%，其大斯托克斯位移约为210 nm，极大减少了光散射和自吸收效应，有利于大面积X射线成像质量的提升（如图2所示）。其次，通过ZnO量子点的激子态调控，实现了单重态/三重态混合自陷激子（STE）高效发光，使得光产额进一步提升。最低可检测X射线剂量为37.63 nGy/s，具有良好的X射线检测能力。

图2：闪烁体单重态/三重态混合激子的发光机理。(a) ZnO量子点闪烁体的透过率光谱，在可见光区域可以观察到高透明度； (b) ZnO 量子点中 STE 生成示意图； (c) ZnO 量子点闪烁体的辐射发光强度的剂量依赖性曲线； (d) ZnO 量子点中单重态/三重态混合 STE 发射过程示意图

值得一提的是ZnO量子点闪烁体在X射线成像中展现了卓越的空间分辨率和动态成像能力。该闪烁体的最高成像分辨率可达42 lp/mm，能够清晰解析微小结构细节。同时，其大面积单次扫描可覆盖2500 cm²，适用于大型物体成像。此外，该闪烁体支持300 cm/s的实时X射线成像，无重影效应。

图3：利用 ZnO 量子点闪烁体进行高分辨率和大面积X射线成像。(a) ZnO 量子点闪烁体的X射线成像系统空间分辨率； (b) 使用大面积 ZnO QD 闪烁体拍摄的断裂猪排骨的X射线图像； (c) 用于实时X射线成像的实验装置原理示意图； (d)中国十二生肖汉字图案的动态X射线图像

总结与展望

本研究开发的ZnO量子点闪烁体在多个领域具有广泛的应用前景。在医学影像方面，该材料可用于低剂量、高分辨率X射线成像，降低患者辐射暴露，提高影像质量；在工业检测中，其高精度无损检测能力适用于电子元件、航空部件等复杂结构的精准探测；此外，在安全检查领域，该闪烁体的大面积检测可应用于机场、海关等大件物品的检测场景。（来源：中国光学微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01869-z