I ricercatori KAUST hanno sviluppato uno scintillatore di imaging a raggi X organici altamente efficiente e privo di riassorbimento che ha un potenziale significativo nelle applicazioni di radiografia medica e screening di sicurezza. Attestazione:KAUST; Ella Marushchenko
Un nanocomposito che assorbe i raggi X e quindi, con un'efficienza quasi perfetta, riemette l'energia catturata sotto forma di luce, potrebbe aiutare a migliorare l'imaging medico ad alta risoluzione e lo screening di sicurezza. Il trasferimento di energia quasi del 100 percento del materiale potrebbe portare a guadagni di efficienza in dispositivi che vanno dai diodi a emissione di luce (LED) e dagli scintillatori di imaging a raggi X, fino alle celle solari.
Durante una procedura di imaging medico, i raggi X che passano attraverso il corpo vengono assorbiti da un materiale scintillatore, che converte i raggi X in luce per essere catturati da un sensore del tipo di fotocamera digitale. "Ad oggi, gli scintillatori ad alte prestazioni sono costituiti principalmente da ceramica che necessita di condizioni di preparazione difficili e costose, o da materiali di perovskite che hanno scarsa stabilità all'aria e alla luce e un'elevata tossicità", afferma Jian-Xin Wang, un post-dottorato nel laboratorio di Omar Mohammed che ha guidato il lavoro.
I materiali degli scintillatori organici, al contrario, hanno una buona processabilità e stabilità ma una bassa risoluzione dell'immagine e sensibilità di rilevamento a causa del basso peso atomico, e quindi dell'assorbimento dei raggi X limitato, dei loro atomi componenti.
Mohammed e i suoi colleghi hanno ora migliorato la cattura dei raggi X di scintillatori organici combinandoli con una struttura metallo-organica (MOF), Zr-fcu-BADC-MOF, che incorpora zirconio ad alto peso atomico all'interno di strutture altamente ordinate.
Quando lo strato MOF del nanocomposito è stato colpito dai raggi X, sono stati generati eccitoni, coppie eccitate di elettroni caricati negativamente e lacune caricate positivamente. Questi vettori energetici si trasferirono prontamente dal MOF al cromoforo organico TADF, aiutato dalla distanza ultracorta tra loro, e l'energia fu emessa come luce.
Fondamentale per l'efficienza complessiva del nanocomposito, il cromoforo TADF emetteva luce indipendentemente dalla forma dell'eccitone. Gli eccitoni "singoli" provocavano un'emissione di luce diretta e il cromoforo TADF ha prontamente convertito gli eccitoni "tripletto" non emissivi nello stato di singoletto emissivo. "L'utilizzo diretto degli eccitoni di singoletto e tripletto dei cromofori TADF ha contribuito notevolmente alla sua intensità di radioluminescenza notevolmente migliorata e alla sensibilità ai raggi X", afferma Wang.
Grazie al suo trasferimento di energia quasi al 100% efficiente dai raggi X alla luce, lo scintillatore nanocomposito ha raggiunto una risoluzione dell'immagine fino a poche centinaia di micrometri e un limite di rilevamento 22 volte inferiore rispetto alle tipiche dosi di imaging medico a raggi X, aggiunge Wang.
Il concetto è stato confermato quando il team ha impiegato una strategia strettamente correlata, dimostrando che il cromoforo TADF potrebbe anche essere combinato con nanosheet di perovskiti per produrre nanocompositi con eccellenti prestazioni dello scintillatore di imaging a raggi X. Ancora una volta, l'efficiente trasferimento di energia consentito dalla distanza ultracorta tra gli strati e l'uso diretto del cromoforo TADF degli stati eccitati sia di singoletto che di tripletta erano fondamentali. In questo caso, il limite di rilevabilità del materiale è stato ulteriormente incrementato, arrivando a 142 volte inferiore rispetto a una tipica dose di imaging medico a raggi X.
"La nostra strategia di trasferimento di energia promuove scintillatori di imaging a raggi X organici da un campo di ricerca quasi morto in una delle applicazioni più interessanti per la radiologia e lo screening di sicurezza. Si applica anche ad altre applicazioni di conversione della luce, inclusi diodi emettitori di luce e celle solari, "dice Maometto. "Stiamo pianificando di migliorare ulteriormente le prestazioni dei nostri scintillatori di imaging a raggi X su larga scala prima di lanciarli sul mercato". + Esplora ulteriormente
