辐射可视化探测和钍基材料拓展应用研究取得进展

随着核能在我国能源格局中比重的持续增长和核科学与技术的迅猛发展，快速、精准的辐射剂量检测技术的需求与日俱增。传统的电离室、闪烁体、半导体辐射剂量计等实时辐射探测设备具有体积大、造价高，并且无法实现累积剂量的检测等缺陷；而商用化的热释光和丙氨酸剂量计虽可记录累积剂量，但辐射探测与剂量读取分离，并且分别依赖昂贵的热释光剂量读出器和电子自旋共振谱仪对辐射剂量进行终端读取，所以无法实现累积剂量的实时监测。因此，开发一种可实时监测、可视化读取的累积剂量的辐射探测器具有重要的意义。

近日，中国科学院上海应用物理研究所、黑龙江大学和苏州大学研究团队在辐射可视化探测和钍基材料拓展应用领域取得重要进展。该工作将红绿蓝（RGB）三原色的检测理念引入辐射剂量可视化定量，通过具有高射线阻滞系数的钍团簇离子和三联吡啶羧酸配体自组装，制备出一例罕见的集光致变色和光致荧光变色于一体的钍基纳米簇材料[Th₆(OH)₄(O)₄(H₂O)₆](TPC)₈(HCOO)₄ (Th-SINAP-100) （图1a）。Th-SINAP-100在UV、β、γ射线的照射下，本征颜色从紫色变成深黄色（图1b）。

更有意思的是，Th-SINAP-100在紫外光激发下的荧光颜色，随着累积剂量的递增（1~80 kGy）从紫色依次转变为蓝色、蓝绿色和最终的绿色（图1c）。利用此特性，可将该材料与聚偏氟乙烯（PVDF）制成混合基质柔性晶体膜，模拟pH试纸的工作原理，对辐照剂量进行可视化的半定量读取（图1d）。还可以通过简单的成像和软件取色，获取Th-SINAP-100荧光的RGB值，其中三原色中的绿色（G）和辐射剂量呈现优异的线性关系，因此可直接应用于辐射剂量的精确定量（图1e和1f）。Th-SINAP-100的辐照剂量检出上限与目前商用美国GEX辐射定性指示标签相比提高了近8倍，并且具有超强的耐辐照性能，在1 MGy累积剂量的β或γ射线辐照下，结构依旧保持稳定。

DFT理论计算表明，Th-SINAP-100 (TS, 图2b) 在辐照时先形成基于TPC配体的分子内电荷转移 (intramolecular charge transfer, IaMCT) 激发态 (TS*, 图2b~2d)，产生高能短波长发射；随辐照时间增长，借助团簇分子间TPC的π-π stacking作用，产生具有相对稳定的分子间电荷转移 (intermolecular charge transfer, IeMCT) 激发态，即激基缔合物 [(TS-TS)*, 图2d]，其发射光谱在相对低能长波长区域。揭示了IaMCT→IeMCT的激发态演变是产生罕见光致荧光变色现象的本质原因。

该研究为确立新一代辐射剂量计提供科学依据，为钍基材料的拓展应用提供了全新的思路，具有良好的产业化前景。相关成果发表在Nature Communications上。上海应物所的陆黄杰助理研究员和苏州大学的博士研究生谢健为共同第一作者，上海应物所的林健副研究员、黑龙江大学的潘清江教授和苏州大学的王殳凹教授为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、中国科学院先导专项、中国科学院王宽诚率先人才计划的支持。

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Visible colorimetric dosimetry of UV and ionizing radiations by a dual-module photochromic nanocluster

Huangjie Lu, Jian Xie, Xin-Yu Wang, Yaxing Wang, Zi-Jian Li, Kariem Diefenbach, Qing-Jiang Pan, Yuan Qian, Jian-Qiang Wang, Shuao Wang & Jian Lin 

Nat. Commun., 2021, 12, 2798, DOI: 10.1038/s41467-021-23190-0