透射式钙钛矿纳米晶闪烁体进行实时单质子计数
与传统的 X 射线和 γ 射线疗法不同的是，利用高能离子束（尤其是质子束）进行癌症放疗，既能向靶区提供尽可能大的剂量，又能使健康组织免受辐射，因此近几十年来发展迅速。质子治疗对精确剂量控制的要求不断提高，促使人们对质子剂量计进行了广泛的研究。剂量计必须能够实时准确地量化治疗过程中的质子数量，最好是单质子水平。然而，由于电离室和硅探测器过于笨重，质子束无法穿透这类探测器并实时传送到病人体内。塑料闪烁体，特别是闪烁纤维，通常以侵入方式实时记录剂量，但它们的探测效率和辐射硬度有限。开发可靠的非侵入式探测器来进行实时和准确的质子计数仍然是一项挑战。
在这里，复旦大学米赵宏研究员联合新加坡国立大学刘小钢教授以及Andrew A. Bettiol教授共同展示了由 CsPbBr3 纳米晶体制成的透射型薄闪烁体，专为实时单质子计数而设计。这些钙钛矿闪烁体具有极高的灵敏度，在质子束作用下可产生很高的光产率（每兆电子伏特约 100,000 光子）。这种灵敏度的提高归功于质子诱导的上转换和撞击电离产生的双协子辐射发射。这些闪烁体每秒可检测到 7 个质子，灵敏度远远低于临床环境中的检测率。快速响应（约 336 ps）与明显的离子稳定性相结合，可实现多种应用，包括单质子追踪、模式化辐照和超分辨率质子成像。这些进步有望改善质子治疗和放射成像中的质子剂量测定。相关成果以“Real-time single-proton counting with transmissive perovskite nanocrystal scintillators”为题发表在《Nature Materials》上，第一作者为米赵宏，Hongyu Bian为共同一作。
仪器仪表和质子诱导发光
作者使用了带有氢源的离子加速器，以产生典型动能为 2 MeV 的质子束。随后，质子束可以通过一个纳米探针形成系统聚焦到小于 30 纳米的光斑大小。为了让入射质子通过，在由中空铝框支撑的 500 纳米厚的酚醛薄膜上制备了由 CsPbBr3 纳米晶体构成的薄闪烁体（图 1a）。聚焦的质子束在沿光束轨迹顺流而下并位于光束焦平面的闪烁体上扫描。质子与闪烁体的相互作用产生了离子发光。使用定制的铝抛物面反射镜收集离子荧光，以最大限度地提高光收集效率。然后将收集到的离子荧光聚焦到光电倍增管（PMT）上进行单光子计数。
经测量，由表面处理的 CsPbBr3 纳米晶体组成的薄膜闪烁体的光致发光量子产率（PLQY）约为 71%。透射电子显微镜成像显示，合成的 CsPbBr3 纳米晶体具有典型的立方体形状，平均横向尺寸为 7.8 nm（图 1b）。为了在实验中证明这些 CsPbBr3 纳米晶体的质子诱导闪烁，将闪烁体置于质子真空靶室中（图 1c）。纳米晶体在质子照射下闪烁，通过透明玻璃视窗对离子发光进行成像。随后，收集离子荧光以测量光谱，结果显示出以 537 nm 为中心、能量为 2.32 eV 的发射（图 1d）。
图1：CsPbBr3质子诱导发光纳米晶闪烁体
质子闪烁机制研究
接下来，作者研究了高能质子与 CsPbBr3 纳米晶体相互作用时闪烁离子发光的机理过程。作者利用 Hansen-Kocbach-Stolterfoht 模型对 CsPbBr3 纳米晶体中这些 δ 射线的产生频率与动能的函数关系进行了理论计算。计算结果表明，这些δ射线的动能从亚电子伏特级到约 4.3 keV 不等，而随着能量的增加，δ射线的产生频率迅速降低（图 2a）。通过测量 CsPbBr3 闪烁器样品表面的背发射电子，δ 射线产生的理论预测得到了实验验证（图 2b）。为了了解质子诱导δ射线对 CsPbBr3纳米晶体的激发机制，作者首先测量了同一 CsPbBr3 纳米晶体闪烁体在不同激发光源下的发射光谱（图 2c）。当使用 365 nm 光源激发时，闪烁体在 526 nm 处发射，半最大全宽（FWHM）为 29 nm。
为了探索在发光发射中观察到的红移的起源，作者接下来测量了 CsPbBr3纳米晶闪烁体在不同激发源下的发射寿命。结果表明，在紫外线（UV）和近红外光的激发下，衰变的时间尺度是相同的，都是 10 ns 左右。在这些情况下，作者将红移归因于再吸收，这是因为近红外光和 X 射线比紫外光的穿透深度更深。有趣的是，在质子束激发下，CsPbBr3 纳米晶体闪烁体的发射寿命出现了明显的差异（约 336 ps；图 2d）。考虑到再吸收并不会显著改变发射寿命，作者推测在质子束激发下观察到的红移（约 40 meV）是多协子形成的结果，特别是双协子（biexciton），它是由两个激子相互作用产生的四体准粒子（图 2e），因为与三子相比，红移的幅度更大。
图 2：CsPbBr3 纳米晶体中质子诱导发光的机理研究
性能表征和单质子计数
为了评估超薄钙钛矿纳米闪烁体的单质子计数能力，作者设计了同时计数质子诱导的离子发光光子和透射质子的实验（图 3a）。作者通过在 500 纳米厚的酚醛膜上进行涂层，制备了一组不同厚度的 CsPbBr3 薄膜闪烁体，并系统地研究了它们对质子的响应。离子发光光子脉冲与质子数之比随着闪烁体厚度的增加而增加（图 3b）。为了验证 CsPbBr3 纳米晶体薄膜的单质子计数能力，作者使用快速示波器跟踪了单质子信号和该质子诱发的相应光子脉冲（图 3c），从而进行了直接演示。在这种情况下，400 ns 时域内只有一个质子，质子计数率保持在足够低的水平（约 500 s-1）。此外，CsPbBr3 闪烁器在质子辐照下表现出卓越的光子发射稳定性（图 3f）。在每平方厘米 6 × 1011 个质子的累积通量下，离子发光在 2 小时内保持不变，这比质子射线照相术中使用的典型通量高出约 7 个数量级，比质子治疗中使用的通量高出 2 个数量级。
图 3：CsPbBr3 纳米晶体的性能表征和单质子计数
单质子照射和高分辨率成像
钙钛矿闪烁体在质子辐照下具有快速响应、超高灵敏度和明显的稳定性，再加上超薄钙钛矿闪烁体的质子传输能力，因此可以实现实时可控的单质子辐照。作为概念验证，作者利用 Gafchromic EBT3 辐射敏感薄膜接收累积的单质子剂量，并且利用对质子束具有透射性的 CsPbBr3 闪烁器实现了单质子的同步计数（图 4a）。聚焦质子束的扫描模式是将一定数量的单质子沿着预先设定的辐照形状送入 Gafchromic EBT3 薄膜。作为演示，通过光学成像可以清楚地看到一系列字母 "NUS"，颜色由浅到深，与植入质子数量的增加相对应（图 4b）。此外，质子束在 Gafchromic EBT3 薄膜上的点扫描模式直接表明了钙钛矿闪烁体对单个质子的计数能力（图 4c）。
作者进一步评估了 CsPbBr3 纳米晶体作为高分辨率质子成像闪烁体的适用性。在这种情况下，作者制备并使用了较厚的闪烁体薄膜（约 120 μm），以确保入射质子的能量完全沉积在闪烁体中。图 4d 显示了闪烁体暴露于 2.1 MeV 质子束时的代表性能量分辨光谱。根据光谱的 FWHM 测量，能量分辨率为 23.5%。通过逐个像素测量所传输质子的能量损失，可以绘制出网格内部结构的图像（图 4e）。图像的横向分辨率值为水平方向 23.1 nm，垂直方向 39.7 nm，这表明 CsPbBr3 纳米晶体是高分辨率质子成像的绝佳候选材料（图 4f）。
图 4：使用 CsPbBr3 纳米晶体闪烁体进行单质子照射和高分辨率质子成像
小结
总之，作者已经证明 CsPbBr3 纳米晶体是一种新型闪烁体，非常适合用于单个加速质子的高灵敏度检测和计数。本实验和理论研究结果表明，质子闪烁主要是通过质子诱导的 δ 射线泵浦，由纳米晶体的双共振态群体产生的。因此，CsPbBr3 纳米晶体能快速、稳定地发射离子荧光，光产率远远高于市售质子闪烁体。这些物理特性使得开发具有 CsPbBr3 纳米晶体的超薄柔性钙钛矿闪烁体成为可能，可用于实时超灵敏单质子计数。重要的是，这些特性为在质子辐照应用中实现单质子水平的精确剂量控制提供了可能。
转自：“高分子科学前沿”微信公众号
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