实验室夏志国教授团队：异配体杂化玻璃闪烁光纤实现远程X射线成像
从核设施运维、介入放射诊疗到复杂装备无损检测，X射线探测正向“柔性化、远程化和复杂空间适应”方向发展。传统单晶和闪烁屏虽具备高效辐射-光转换能力，但受限于刚性结构，难以进入狭窄腔体、曲面结构及高辐射区域。光纤闪烁体凭借一维波导特性，可兼具辐射转换、空间像素化和远距离信号传输优势，被视为突破传统探测瓶颈的重要载体。然而，无机玻璃光纤发光效率有限，有机闪烁光纤又存在X射线吸收弱和辐照稳定性不足等问题，因此，亟需研制新一代闪烁光纤材料以满足实际应用场景。
图1异配体杂化玻璃光纤的设计与制备
近日，华南理工大学发光材料与器件全国重点实验室夏志国教授团队提出异配体协同空间位阻设计，实现了单次拉制百米级连续且低损耗的TPP2MDP2Cu4I4杂化玻璃光纤，并同步获得38598 photons MeV-1的高光产额、62.2 nGy s-1的低X射线探测限以及优异的环境和辐照稳定性。团队进一步构筑了柔性闪烁光纤阵列，实现中空器件内部缺陷远程成像，完成了从分子设计、玻璃热力学调控到光纤制造和场景化探测的全链条验证。
研究团队通过引入具有大空间位阻的TPP配体，利用不同配体对分子堆积、构象自由度与自由体积的协同调节，将Cu4I4玻璃熔融温度连续调控175.1-241.8 ℃。其中TPP2MDP2Cu4I4的熔点为218.5 ℃，与PMMA在225 ℃附近的最佳拉丝条件高度匹配，同时保持良好的润湿和玻璃形成能力，由此实现百米级超长、连续且结构完整的芯包层光纤。所得光纤数值孔径达到0.88，光学损耗约0.36 dB cm-1，并可实现50-450 μm纤径、单芯/多芯等结构定制。
图2TPP2MDP2Cu4I4玻璃的光物理、局域结构与稳定性
作为功能光纤芯材，材料必须在可加工的同时保持高效的激发态动力学和长期结构稳定。TPP2MDP2Cu4I4玻璃光致发光量子效率达到72.9%，寿命仅5.09 μs，为高效快速辐射响应提供基础。更关键的是，EXAFS与基于晶体结构的PDF精修共同揭示：玻璃化虽消除了长程周期性，但Cu–I和I–I等关键短程关联位置基本保持，Cu4I4团簇骨架在无序网络中仍高度保真。更重要的是，异配体设计同时显著提升了杂化玻璃长期稳定性。分子空间约束、较低表面润湿性和更高热稳定性的协同作用，使长期困扰杂化玻璃的环境敏感性得到有效缓解。
图3 TPP2MDP2Cu4I4晶体和玻璃的X射线闪烁性能
TPP2MDP2Cu4I4玻璃光产额达到38598 photons MeV-1，X射线探测限低至62.2 nGy s-1，约比常规医学诊断剂量率低两个数量级。基于块体玻璃构建的X射线成像系统中，500 μm厚样品在MTF=0.2时空间分辨率达到30.2 lp mm-1。进一步地，闪烁光纤还可通过端面对接与石英光纤耦合，实现至少20 m的辐射信号远距离传输，为“探测端置于辐射区、读出端位于安全区”的分布式监测提供技术基础。
图4 TPP2MDP2Cu4I4玻璃光纤阵列及远程X射线成像
光纤阵列的核心优势并非单纯柔软，而是每根光纤同时充当独立的闪烁像素和波导通道，使产生的光被限制在各自纤芯内传播，从物理机制上抑制横向串扰，并削弱传统块体闪烁体中“厚度增加—光扩散增强—空间分辨率下降”的矛盾。团队首先构建了由1089根光纤组成的33×33阵列，可清晰识别封装在不同材料中的复杂结构，并通过不同传播截面的光斑测量实现X射线束包络和强度分布的三维重构。进一步制备的16×16柔性阵列长度约15 cm，可沿弯曲路径进入中空或狭窄结构。对于预先设置在陶瓷瓶内壁的裂纹和孔洞，常规外置平板X射线成像几乎无法获得有效缺陷信息，而柔性光纤阵列可直接进入瓶体内部并重建缺陷位置与形貌，展示出传统二维探测架构难以具备的“深入目标内部、远端读取信号”的成像能力。
这项工作建立了“配体分子设计—玻璃热力学调控—连续光纤制造—高效闪烁—柔性远程成像”的完整材料与器件路线，为稳定有机–无机杂化玻璃光纤提供了可扩展的设计范式，并为核设施远程监测、介入放射学和工业复杂构件无损检测等应用提供新的技术路径。
相关研究成果以“Scintillating Fibers From Stable Heteroleptic Hybrid Glasses for Remote X-Ray Detection”为题发表在Advanced Materials上，其中通讯作者为华南理工大学夏志国教授，西安交通大学孙敏副研究员，第一作者为孙永胜博士。该研究工作得到了国家自然科学基金（No. 52425206、22361132525）、广东省科技项目（2025A0505020006）及发光材料与器件国家重点实验室自主课题（Skllmd-2026-07）等资助。
