中國科大開發出可定量檢測γ射線輻射劑量的亞克力樹脂材料傳感器

2020-09-19 小材科研

γ射線，又稱γ粒子流，是波長短於千分之一納米的高能電磁波，可以通過原子核裂變或者聚變產生，穿透力強，對人體有致命殺傷力（例如核彈爆炸後的主要輻射源之一）。對γ射線的定量檢測，在核輻射防控、國家安全、醫學檢測、和太空探索等領域具有至關重要的意義。目前的許多分析方法都是基於γ射線的輻射電離效應，由可以發生電離的氣體或固體、光電倍增管和電子儀器組成的設備是目前定量檢測γ射線強度的常用儀器。

最近，中國科學技術大學微尺度物質科學國家研究中心的張國慶教授團隊發現聚甲基丙烯酸甲酯（英文縮寫PMMA，一種亞克力樹脂）或者聚氯乙烯（英文縮寫PVC，常用於下水道塑料管材的一種工程塑料）在γ射線的輻射下亞克力薄膜中可以定量釋放酸性物質。基於這個發現，團隊設計並製備了一種全新的可用於檢測γ射線輻射劑量的亞克力樹脂薄膜傳感器。該技術無需使用光電倍增管和電子儀器，可通過薄膜螢光顏色變化直接判斷輻射劑量的大小。

圖1：PMMA亞克力樹脂或PVC樹脂傳感器在γ射線的輻射下產生質子以及喹啉衍生物螢光變化的示意圖。

該傳感器本質上是一種對酸鹼性敏感、但是輻照條件下穩定的喹啉類（例如大家熟知的羥氯喹也是一種喹啉類分子）藍色螢光分子，將該分子包埋到亞克力樹脂薄膜中，隨著γ射線輻射劑量的增加，薄膜的藍色發光強度逐漸減弱，紅色發光逐漸增強，兩處螢光強度的比值在較大的γ射線輻射劑量範圍內（80 ~ 4060 Gy）符合線型關係，能夠方便、定量並且廉價的檢測γ射線。成果以「Quantifiable Polymeric Fluorescent Ratiometric γ-Ray Chemosensor（一種可定量的高分子螢光比色法γ射線化學傳感器）」為題發表於美國化學會材料工程技術類期刊ACS Applied Materials &Interfaces《美國化學會應用材料與界面》，並且申請中國發明專利（申請號：202010772134.0），後續國際專利的申請在進行中。

圖2：（a）不同劑量的γ射線輻射後，包埋螢光分子的PMMA膜，在365 nm的紫外燈下的發光情況（單位：Gy）；（b）不同劑量的γ射線輻射後，包埋螢光分子的PMMA膜的螢光圖譜；（c）在較大的劑量範圍內，發射峰紅色區I585與藍色區I468的比值與輻射劑量呈線性關係；（d）不同循環次數下，包埋螢光分子的PMMA膜的螢光圖譜；（e）循環實驗中，包埋螢光分子的PMMA膜的最大螢光發射峰的變化。

為了驗證γ射線輻照釋放酸性物質的機理，研究團隊在製備薄膜的過程中，加微量的酸會導致與受到γ射線高劑量輻射相同的效果。將受到γ射線高劑量輻射後的薄膜，加微量鹼（三乙胺），則該薄膜的螢光發射峰與未受γ射線輻射前的螢光發射峰相同，驗證了其響應機理。該團隊也對喹啉衍生物的分子軌道進行了量子化學模擬計算，甲酸結果與實驗結果高度吻合。

該技術可以廉價噸級量產，有廣闊的應用前景。在檢測伽馬射線的輻射劑量時，這種化學傳感器沒有其他輔助的電子元器件，避免了在高劑量輻射下被損壞的問題，在極端的情況下可能非常有用：一種可以預期的場景是在洩露的輻射源附近用無人機空投這種一次性薄膜，通過機載雷射進行遠程檢測，便可得知輻射源附近的核輻射分布。論文的第一作者是微尺度物質科學國家研究中心在讀博士生裴斌，該研究工作中用到的γ射線源來自中國科學技術大學東校區的60Co放射源，並且得到了科技部（2017YFA0303500）與國家自然科學基金（21975238）的資助。

來源：中科大

論文連結：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c13886

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