实验室董国平教授团队：集成的纳米晶复合玻璃光纤阵列用于远程高分辨率X射线成像

可远距离传输的光纤阵列显著提升了在大型航天设备、堆芯内部及人体弯曲部位等紧凑空间中进行远距离高分辨率X射线成像与探测的能力。然而，现有技术主要集中于薄膜和块体形态，难以适配复杂机械结构或深入人体组织内部实施无损检测。

近日，华南理工大学发光材料与器件全国重点实验室的董国平教授团队制备出卤化物纳米晶复合光纤阵列，实现远程高分辨率X射线成像及图像信息传输，有望拓展闪烁光纤阵列在X射线成像领域的应用。

X射线成像技术在医学诊断、工业检测和安全检查等领域至关重要，但传统闪烁体材料（如Bi4Ge3O12）受限于光子散射和自吸收效应，制约了其光穿透能力和空间分辨率。此外，现有的薄膜或块状闪烁体阵列难以适配复杂结构内部成像并实现长距离信号传输。为此，董国平教授团队开发了一种新型闪烁光纤阵列：将Cs3Cu2X5（X=Cl、Br、I）纳米晶体复合进玻璃光纤中，通过精确控制结晶过程制备出低损耗光纤，并通过二次复拉方法制备出具有1600个像素的光纤阵列。该光纤阵列探测器能穿透复杂结构，实现低剂量（多低剂量）、高分辨率（48 lp/mm，极限分辨率60.7 lp/mm）X射线成像与传像。

图1 纳米晶复合光纤阵列可有效结合光纤的低损耗传输能力和光纤阵列的高分辨率成像能力，实现远程成像-传像一体化功能

研究团队首先采用熔融淬火法制备硼硅酸盐前驱体玻璃，随后将玻璃在玻璃化转变点附近进行热处理，诱导Cs3Cu2X5纳米晶在玻璃基质中可控生长。通过精确调控晶体尺寸与分布，所得Cs3Cu2X5纳米晶复合玻璃展现出低光散射、高透过率及高达87.02%的光致发光量子产率。其独特的自陷激子（STE）发射机制有效抑制了初始发射光子的再吸收，显著提升了光传输效率。在此基础上，团队利用“管内熔融法”和二次复拉法成功拉制出单个像素仅为10.4 μm高密度Cs3Cu2I5纳米晶复合玻璃光纤阵列。该阵列的核心优势在于：其六边形包层结构允许光纤紧密排列；基于光纤芯/包结构设计，X射线激发的闪烁光子被有效限制在单个像素内，并通过玻璃光纤实现高效长距离传输。这种设计赋予了光纤阵列探测器深度穿透能力，使其能深入复杂结构内部完成传统平板探测器难以胜任的成像任务。例如，在对内壁有裂缝的空心铁球进行X射线成像时，传统块体闪烁体难以清晰呈现裂缝细节，而该光纤阵列则可直接穿透球体，精准捕捉裂缝的形状与走向。

图2 纳米晶复合玻璃光纤阵列制备流程及其像素级远程成像-传像演示

这项研究不仅成功在实验室环境中验证了新型闪烁光纤阵列的卓越性能，更为其未来的规模化生产和广泛应用开辟了道路。这种集成了卤化物纳米晶的闪烁光纤阵列，有望成为精细放射治疗、脑神经活动监测以及工业三维X射线断层扫描等关键领域的新型工具，为高分辨率X射线成像技术的革新带来强劲动力。

相关研究成果以“Integratedcopper-halide activated scintillator fiber array for remote high resolutionX-ray imaging”为题发表在Nature Communications上，其中华南理工大学董国平教授为通讯作者，华南理工大学博士生章皓、黄雄健副教授为该论文的共同第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金项目、博士后创新人才计划项目、广东省基础与应用基础研究基金项目、发光材料与器件全国重点实验和中国国家留学基金委资助项目等科研项目的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-61416-7