第一作者：邱健、顾畅

通讯作者：刘小钢教授、覃弦教授

通讯单位：新加坡国立大学化学系、天津大学-新加坡国立大学福州联合学院、福建师范大学海峡柔性电子（未来科技）学院

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-66754-0

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高分辨X射线成像通常需要利用闪烁屏进行能量转换，但传统闪烁屏中固体颗粒分布不均，导致严重光子散射，加剧光学串扰与光子衰减，极大地限制了成像分辨率。本研究提出一种基于稀土−离子液体配位体系的本征液态闪烁体：通过在离子液体中原位配位镧系离子，构建出结构高度均一、散射极低的透明液体闪烁体。结合镧系离子发光无自吸收的优点，该体系实现了> 93%的光透过率，在1 mm厚度的闪烁薄膜中实现了26 lp·mm^-1的成像空间分辨率。得益于液体的可流动与形状自适应特性，该闪烁体可用于构筑凸面与可变焦闪烁透镜，实现均匀的全角度X射线探测与原位变焦X射线成像。该工作为超高分辨率X射线成像提供了新的材料体系与光学设计思路，有望推动柔性、可穿戴及自适应复杂曲面X射线成像的发展。

背景介绍

随着高对比度X射线成像在医疗诊断、安全扫描、无损检测等领域需求日益增长，提升成像质量成为该领域研究重点。目前主流固体闪烁体薄膜因其内部颗粒分布不均，诱发显著的光子散射与衰减，严重影响成像清晰度。为突破此限制，研究者开发了多种技术路线。例如，减小薄膜厚度或稀释闪烁体浓度虽可缓解光散射，却会严重降低闪烁发光强度；玻璃或单晶闪烁体虽结构均匀、透明度高，但其高温制备工艺复杂，且难以与商用探测器兼容；超材料虽能通过波导效应提升光提取效率，却面临高成本、长周期与定向发射等局限，不利于规模化应用。因此，开发一种兼具无散射、高性能、低成本且易于大规模制备的新型闪烁体成为迫切需求。

液体闪烁体凭借其本征均匀性与光学透明性展现出独特潜力，能够从根本上避免光子散射问题。然而，现有液体闪烁体系多依赖于含铅或有毒、易燃的有机溶剂，不仅存在溶解或分散引起的浓度依赖限制，更带来安全性与生物相容性等方面的隐患。因此，研制一种透明、稳定且具备良好生物相容性的液体闪烁体，成为推动X射线成像技术发展的关键挑战。

研究出发点

1）从固体转向液体：只要闪烁体仍为固体或颗粒堆积结构，就不可避免地存在晶界与界面散射。受水本征透明度的启发，利用离子液体无晶界、折射率均一、化学稳定性高等优势，从材料形态上根本消除光散射源。

2）传统液体闪烁体往往面临溶解度或分散性引起的浓度依赖限制、有机溶剂体系稳定性差等问题。基于镧系离子与液体配体的原位配位，确保了镧系离子在分子尺度上高度均匀分散，构筑出无散射、超高透明度的液体闪烁屏。

3）在实现高分辨X射线成像的基础上，进一步利用液体可流动、形状自适应性，验证了变焦闪烁透镜概念，实现了均匀的全角度X射线探测与原位放大X射线成像。

图文解析

由微米级粒子组成的固体闪烁体容易受到严重的光散射，严重限制了光传输。当溶液混合闪烁体中溶质聚集大于100 nm时，同样会表现出一定程度的光散射，从而降低光学分辨率。相比之下，本征液体闪烁体，具有分子级均匀性（颗粒尺寸小于1 nm），能够最小化光散射，从而实现较高的光透过率并提高X射线成像性能。

图1. 不同闪烁体系统中的光散射示意图

该研究验证了镧系离子与离子液体配体的成功配位，实现了液体闪烁性能调控。通过核磁共振氢谱确认了设计合成的含咪唑环和磺酸基的离子液体配体结构。红外光谱中磺酸基伸缩振动峰的偏移，Tb−O振动峰的出现，以及X射线吸收精细结构分析共同证实了离子液体配体与镧系离子间的强配位作用。该强配位诱导体系粘度增强，从而改善了液体稳定性与流体可控性。通过选择Tb³⁺与Eu³⁺发光离子，实现了闪烁颜色从绿到红的连续调控，并展示了多色X射线发光图案。

图2. 镧系离子液体闪烁体中的强配位作用表征

机理研究表明，镧系离子液体闪烁体通过双通道能量转移实现辐射发光增强。X射线激发使离子液体配体辐射发光蓝移至363 nm，与Tb³⁺的激发谱重叠，触发了配体分子的单线态能量转移至Tb³⁺；同时，离子液体配体三线态能级与Tb³⁺发射能级匹配，实现了高效的三线态能量转移。此外，该液体闪烁体具有高透明度与高发光中心密度的优势，其辐射发光光子数分别是传统PPO@甲苯和CsPbBr₃@甲苯体系的2倍和30倍，光产额达2771光子/兆电子伏，检测限低至21.48 nGy_air·s^-1，展现出优异的闪烁发光性能与探测灵敏度。

图3. 镧系离子液体的闪烁机理与性能

镧系离子液体闪烁体在消除光散射与自吸收方面具有天然优势。与传统PPO@甲苯体系相比，Tb(IL)₃凭借镧系离子f-f跃迁的大斯托克斯位移特点，有效抑制了自吸收现象，且其本征液态特性几乎完全避免了溶质聚集，从根本上消除了光散射。基于这些优势，即使采用1毫米光程厚的闪烁屏（远超传统固体闪烁体厚度），Tb(IL)₃仍实现了26 lp·mm^-1的空间分辨率。

图4. 基于无自吸收和光散射的镧系离子液体闪烁体的高分辨X射线成像

受益于离子液体的非挥发性，Tb(IL)₃在室温和80 °C条件下均未出现明显的质量损失，而PPO@甲苯因甲苯挥发导致质量损失超50%。较高的化学稳定性也大幅提升了Tb(IL)₃闪烁体的辐照稳定性，例如，Tb(IL)₃在连续12分钟X射线成像中保持稳定辐射发光，且能耐受高达151.2 Gy的辐射剂量。此外，该液体闪烁体具有较低的环境毒性，如在密封环境中，植物叶片在Tb(IL)₃旁保持新鲜，而在PPO@甲苯旁则迅速枯萎。MTT实验进一步证实，Tb(IL)₃对细胞活性影响较小，展现出良好的生物相容性，具有体内成像的应用潜力。

图5. 镧系离子液体闪烁体的环境稳定性和生物相容性

本研究还充分利用了液体闪烁体的流动性与形状自适应特性。通过将其注入透明球形容器，实现了全角度均匀X射线探测，并在此基础上进一步开发出凸面闪烁透镜，能够原位放大X射线成像，可清晰分辨约50 μm的电极结构。此外，通过调节液体注入体积，可动态控制闪烁透镜的焦距（2 cm至无穷大范围内连续调节），实现了芯片引脚结构~3.5倍的可调放大X射线成像，突破了传统固体闪烁体的动态几何限制。

图6. 基于镧系离子液体闪烁体的自适应闪烁透镜及其高分辨X射线成像

总结与展望

本工作成功开发了一类新型镧系离子液体闪烁体，为高分辨率X射线成像提供了新的设计思路。与传统固体或溶液闪烁体不同，该工作通过镧系离子与离子液体配体间的原位配位作用，构建出本征均匀、透明的液体闪烁体系，从根本上消除了光散射问题。同时，利用镧系离子f-f跃迁的无自吸收特性，该闪烁体实现了超过93%的闪烁光透过率，并在1 mm厚的光程下将成像空间分辨率提升至26 lp·mm^-1。研究揭示了基于双通道能量转移的闪烁机制：辐照诱发的结构响应促进离子液体配体单线态和三线态能量转移至镧系离子发光中心，显著增强辐射发光。该闪烁体兼具离子液体的非挥发性、长期稳定性和生物相容性，其流体特性适用于制备凸面变焦闪烁透镜，实现了均匀的全角度X射线探测和~3.5倍可调焦的X射线放大成像，突破了传统固体闪烁体的动态几何限制。展望未来，该类闪烁体在基于微流控的辐射传感、人工智能辅助的高对比度成像及低剂量医疗诊断等领域展现出广阔的应用前景。其独特的本征液相特性为设计具有高透明度和优化能量传递路径的闪烁体提供了新思路，有望推动自适应X射线成像技术的创新发展。

课题组介绍

刘小钢教授课题组主页：https://liuxg.science.nus.edu.sg/

覃弦教授课题组主页：https://sife.fjnu.edu.cn/_s217/e0/69/c15969a319593/page.://webplus.fjnu.edu.cn/_s217/53/a1/c15969a349089/page.psp

原文信息

Qiu, J., Gu, C., Chen, M., Chen, C., Chao, L., Jiang, H., Cai, W., Chen, Y., Chen, Q., Qin, X., Liu, X., Scattering-free lanthanide-ionic liquid scintillators for high-resolution and adaptive X-ray imaging. Nat. Commun. 2025, https://doi.org/10.1038/s41467-025-66754-0