Des matériaux organiques stables et peu coûteux pourraient transformer l’imagerie par rayons X en améliorant les méthodes de fabrication et en fournissant des résultats d’imagerie haute résolution fiables. Aujourd’hui, les chercheurs de KAUST ont développé une nouvelle approche pour concevoir et construire de tels matériaux scintillateurs hautes performances pour détecter les rayons X à faibles doses.
Un scintillateur est un matériau qui, lorsqu’il est frappé par des rayonnements ionisants à haute énergie tels que les rayons X, absorbe l’énergie et en réémet une partie sous forme de lumière visible à faible énergie. Les scintillateurs sont largement utilisés pour les écrans d’imagerie à rayons X dans de multiples applications, des scanners de sécurité des aéroports à la radiographie médicale. Cependant, la plupart des scintillateurs existants sont fabriqués à partir de matériaux céramiques ou pérovskites, qui sont souvent fabriqués dans des conditions difficiles et peuvent présenter une mauvaise stabilité dans le temps lorsqu’ils sont exposés à la lumière et à l’air.
« Les scintillateurs à base organique présentent des avantages inhérents, tels qu’une faible toxicité, une flexibilité mécanique élevée, un faible coût et une production à grande échelle simple », déclare Jian-Xin Wang de KAUST, qui a travaillé sur le projet sous la supervision d’Omar Mohammed et co- travailleurs. « Cependant, équilibrer la capacité d’absorption des rayons X, l’efficacité d’utilisation des excitons et le rendement quantique de photoluminescence des scintillateurs organiques s’est avéré difficile. »
Jusqu’à présent, les matériaux scintillateurs organiques ont été entravés par la faible gamme de fréquences de rayons X qu’ils peuvent naturellement absorber. Cependant, Wang et ses collègues ont réalisé que l’absorption des rayons X devrait augmenter considérablement à mesure que le numéro atomique des éléments incorporés augmente. En particulier, l’équipe a émis l’hypothèse que l’ajout d’atomes lourds au matériau scintillateur pourrait résoudre ce problème. Les photons X peuvent interagir efficacement avec les atomes lourds en raison de leur effet photoélectrique – l’émission d’électrons sous excitation par rayonnement.
« Nous avons utilisé une stratégie d’ingénierie moléculaire simple pour concevoir de nouveaux scintillateurs organiques », explique Wang. « Nous avons commencé par introduire du chlore, du brome ou de l’iode dans des chromophores à fluorescence retardée activée thermiquement (TADF). Nous avons ensuite observé comment ces atomes lourds altéraient l’efficacité et la résolution des images radiographiques résultantes. »
Les chromophores TADF sont utiles car ils existent dans un « état triplet » quantique excité sous la forme d’excitons – des états liés d’électrons et de trous d’électrons qui sont créés lorsqu’un photon à rayons X de haute énergie est absorbé, « soulevant un électron hors de son trou. » L’état triplet se transforme en état singulet lorsque les chromophores absorbent l’énergie thermique. Ils peuvent ensuite se désexciter à l’état fondamental et émettre de la lumière dans un processus appelé fluorescence retardée.
« Cela signifie qu’en raison de l’écart d’énergie singulet-triplet minimisé, les chromophores TADF peuvent exploiter à la fois les excitons singulet et triplet qui sont générés lorsqu’ils sont exposés aux rayons X », explique Wang. « Cela améliore considérablement l’efficacité d’utilisation des excitons du scintillateur, qui à son tour fournit une résolution d’imagerie spatiale aux rayons X beaucoup plus élevée et une sensibilité de détection ultra-faible », déclare Mohammed.
La technique de fabrication d’écrans à l’aide de scintillateurs dopés aux atomes lourds a jusqu’à présent fait ses preuves. L’un des scintillateurs de l’équipe, fabriqué à l’aide de chromophores TADF-Br (brome), a dépassé la résolution de la plupart des écrans à scintillation organiques et organométalliques signalés.
« Ces écrans fabriqués offrent une approche de conception puissante et de nouveaux matériaux alternatifs prometteurs pour la fabrication de scintillateurs d’imagerie par rayons X avec une sensibilité exceptionnelle, un faible coût et une stabilité élevée », déclare Mohammed.
Les recherches connexes sont publiées dans les revues Photonique de la nature et Question.
L’équipe fabrique actuellement un capteur de rayons X portable avec son écran fabriqué pour l’imagerie médicale à haute résolution, y compris les examens dentaires et les bilans de santé. Leur conception pourrait également faire progresser le développement de minuscules appareils portables à rayons X.
Plus d’information:
Jian-Xin Wang et al, Ingénierie des atomes lourds de fluorophores retardés activés thermiquement pour les scintillateurs d’imagerie à rayons X haute performance, Photonique de la nature (2022). DOI : 10.1038/s41566-022-01092-x
Jian-Xin Wang et al, scintillateurs d’imagerie à rayons X transparents basés sur le transfert d’énergie triplet-triplet, Question (2022). DOI : 10.1016/j.matt.2022.09.031