福州大学这个团队不得了，3年2篇Nature

前言

2018年8月，福州大学杨黄浩教授课题组与新加坡国立大学刘小钢教授、西北工业大学黄维院士团队在Nature上发表了题为"All-inorganic perovskite nanocrystal scintillators"的论文，这是福州大学首次在该期刊发表论文，实现了福州大学在该世界顶级杂志发表科研成果零的突破(陈秋水教授为该论文一作)。今天，杨黄浩/陈秋水/刘小钢教授团队再发Nature，也是2021年福州大学首篇Nature，下面我们进行具体介绍。

第一作者：Xiangyu Ou, Xian Qin, Bolong Huang

通讯作者：陈秋水, 杨黄浩, 刘小钢

通讯单位：福州大学；新加坡国立大学等

DOI:10.1038/s41586-021-03251-6

背景介绍

由于在高度弯曲的表面上制造大面积、灵活的硅基光电探测器仍然是一个挑战，因此当前涉及平板探测器的X射线成像技术在三维物体成像方面存在困难。

本文亮点

1. 本文报道了一类可溶液处理、掺杂镧系元素的纳米器件，用于实现无平板、高分辨率和三维成像的超长寿命X射线捕获。

2. 通过对缺陷形成和电子结构的量子力学模拟，作者发现，辐射引发负离子迁移会导致陷阱电子缓慢跳跃，可诱导超过30天的持续辐射发光。作者进一步证明了X射线荧光延伸成像的分辨率大于每毫米20 line pairs和光学记忆超过15天。

3. 该工作通过持久的电子俘获实现X射线能量转换的机制，并为可穿戴X射线探测器的未来研究提供了一个范例，用于以患者为中心的X射线照相术和乳房X射线照相术、成像引导治疗学、高能物理和放射学深度学习。

图文解析

材料制备及表征

采用共沉淀法合成了一系列掺铽（Tb3+）的NaLuF4纳米颗粒。油酸封端的NaLuF4:Tb（15 mol%）@NaYF4核壳纳米荧光材料的TEM照片显示为六边形，平均尺寸为27 nm（图1a）。以50 kV的X射线源激发NaLuF4:Tb@NaYF4纳米荧光材料，检测辐射发光。图1b中可观察到一组强烈的发射波段，对应于Tb3+的5D4→F4(584 nm)、5D4→F5(546 nm)和5D4→F6(489 nm)光学跃迁。在NaLuF4:Tb纳米颗粒上包覆NaYF4壳层后，其放射发光强度提高了1.5倍，余辉发光强度提高了6.5倍(图1c)。以上结果表明，NaYF4壳层钝化可以有效地减缓纳米晶表面X射线能量的猝灭。

接下来，作者用商用塑料荧光材料和传统的持久性荧光粉（包含SrAl2O4:Eu2+/Dy3+ 粉末, ZnS:Cu2+/Co2+粉末,SrAl2O4:Eu2+/Dy3+纳米颗粒和ZnGa2O4:Cr3+纳米颗粒）对NaLuF4:Tb（15 mol%）@NaYF4纳米荧光材料的辐射发光进行了基准测试（图1d）。

图1、掺杂镧系的持久发光纳米材料的表征。

材料的光物理性能研究

为了了解大动量X射线光子如何与掺镧纳米材料相互作用产生持久的辐射发光，作者研究了NaLuF4主体的X射线光子吸收能力。NaLuF4的吸收系数大于NaYF4或NaGdF4的吸收系数（图2a）;NaLuF4:Tb（15 mol%）纳米晶的余辉强度是NaYF4:Tb（15 mol%）纳米晶的三倍，这表明重原子对X射线吸收有较大影响（图2b）;图2c展示了材料产生缺陷对需要2.78eV到12 ev的能量，表明x射线照射下氟离子置换的可能性很高。接下来通过改变X射线剂量，作者研究了Frenkel缺陷处X射线能量俘获的瞬态动力学。实验表明，余辉强度可以随着剂量的增加而增强，这很可能是由于可用于X射线存储的陷阱态密度的增加（图2d）。

图2、 X射线辐射掺镧纳米荧光材料的光物理研究。

机理探究

紧接着，作者探究了Tb3+掺杂NaLuF4纳米晶体的长寿命持久辐射发光机理。在X射线激发下，晶格原子内部电子壳层上的电子被光激发产生低能电子，这些电子要么转移到激发剂中发射，要么部分存储在电子陷阱态。浅层阱中的电子缓慢释放，形成Tb3+的自发长时间发射；相反，在光或热刺激下，深阱中的电子填充到导带(CB)（图3a）。

图3、机理研究

材料在柔性探测器中的应用

纳米探测器中捕获X射线能量以实现持久辐射发光的能力，促使作者开发了一种灵活的Xr-LEI探测器（图4a）。该检测器是通过将NaLuF4:Tb（15 mol%）@NaYF4纳米催化剂（2 wt%）嵌入聚二甲基硅氧烷（PDMS）中制备得到。高弯曲电子线路板的内部结构可以使用所制作的X射线探测器和数码相机或智能手机进行可视化（图4b）。结合余辉发光和图形模拟，实现了高分辨率的三维Xr-LEI。为了进行比较，使用典型的平板X射线探测器仅呈现电子电路板的重叠成像（图4c）。使用含有2.5 wt% NaLuF4:Tb（15 mol%）@NaYF4纳米颗粒的薄膜，数字射线照相的X射线曝光缩短到1s。

图4、 高分辨率Xr-LEI

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03251-6

作者介绍

杨黄浩，福州大学教授。2011年获国家杰出青年科学基金，2013年入选教育部长江学者特聘教授，2014年入选国家万人计划，2014年入选英国皇家化学会会士，2015年入选全国先进工作者。曾任福州大学化学学院副院长、生物科学与工程学院院长、教育部重点实验室主任，现任福州大学副校长、教育部创新团队带头人、福建省工程研究中心主任。在科学研究方面，围绕分析化学、纳米医学、生物医学工程等领域进行了较为深入的研究，在方法学和实际应用方面取得了系统性的创新研究成果。已主持国家973计划课题1项、国家863计划课题2项、国家重大科学仪器设备开发专项课题1项、国家自然科学基金重点项目2项。已发表学术论文150余篇，其中发表在Nature、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等影响因子大于10刊物的论文40余篇，获福建省自然科学奖一等奖1项。发表论文总引用次数超过19800次（H因子=73），单篇论文最高被引用2200余次。

课题组链接：

https://www.x-mol.com/groups/yang_huanghao/people/3714

陈秋水 教授、博士生导师。2009年本科毕业于福州大学，2014年于清华大学化学系获得理学博士学位，2012-2013年期间先后在美国大学哈佛医学院和工程与应用科学学院学习，2015-2019年期间在新加坡国立大学化学系从事博士后研究。主要研究方向为纳米生物分析化学与纳米光学生物成像的新理论新方法，研究涉及微流控芯片细胞分析、纳米生物传感、稀土掺杂纳米发光材料/钙钛矿纳米晶体合成、机理与应用。近年来，在国际主流学术期刊上发表论文30余篇，包括Nature、Nat. Commun、 Angew. Chem. Int. Ed.、Lab Chip、Anal. Chem.等，申请美国专利1项，撰写编写4部专著章节。获中国分析测试协会科学技术特等奖（4/5），入选福建省“闽江学者”特聘教授。

刘小钢，新加坡国立大学教授。1996年毕业于北京工商大学，分别于1999年和2004年在East Carolina University和Northwestern University获得硕士和博士学位。毕业后在Massachusetts Institute of Technology做博士后研究。2006年起在新加坡国立大学任助理教授、副教授、教授。刘小钢教授主要从事DNA修饰纳米颗粒、纳米结构材料、过渡金属催化、过渡金属发光材料等方面的研究工作。近五年来刘小钢教授的研究团队在红外上转换发光材料领域取得了多项重大突破，广泛而深入地进行了稀土发光材料的生长、发光机理及其在生物医学、光学传感、太阳能电池、三维立体显示等领域的应用研究，取得了丰富的科研成果以及相关的国际发明专利，并在Science, Nature, Nature Materials, Nature Nanotechnology, Nature Communication, JACS, Angew. Chem. Int. Ed.和Adv. Mater.等诸多国际顶级科学刊物上发表了120余篇SCI论文，被引用次数共计一万七千次有余。

课题组链接：

http://liuxg.science.nus.edu.sg/