γ射線，又稱γ粒子流，是波長(zhǎng)短于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(chǎn)生，穿透力強(qiáng)，對(duì)人體有致命殺傷力（例如核彈爆炸后的主要輻射源之一）。對(duì)γ射線的定量檢測(cè)，在核輻射防控、國(guó)家安全、醫(yī)學(xué)檢測(cè)、和太空探索等領(lǐng)域具有至關(guān)重要的意義。目前的許多分析方法都是基于γ射線的輻射電離效應(yīng)，由可以發(fā)生電離的氣體或固體、光電倍增管和電子儀器組成的設(shè)備是目前定量檢測(cè)γ射線強(qiáng)度的常用儀器。

最近，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心的張國(guó)慶教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)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，常用于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(zhì)?；谶@個(gè)發(fā)現(xiàn)，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制備了一種全新的可用于檢測(cè)γ射線輻射劑量的亞克力樹脂薄膜傳感器。該技術(shù)無需使用光電倍增管和電子儀器，可通過薄膜熒光顏色變化直接判斷輻射劑量的大小。

該傳感器本質(zhì)上是一種對(duì)酸堿性敏感、但是輻照條件下穩(wěn)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(lán)色熒光分子，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(lán)色發(fā)光強(qiáng)度逐漸減弱，紅色發(fā)光逐漸增強(qiáng)，兩處熒光強(qiáng)度的比值在較大的γ射線輻射劑量范圍內(nèi)（80 ~ 4060 Gy）符合線型關(guān)系，能夠方便、定量并且廉價(jià)的檢測(cè)γ射線。成果以“Quantifiable Polymeric Fluorescent Ratiometric γ-Ray Chemosensor（一種可定量的高分子熒光比色法γ射線化學(xué)傳感器）”為題發(fā)表于美國(guó)化學(xué)會(huì)材料工程技術(shù)類期刊ACS Applied Materials &Interfaces《美國(guó)化學(xué)會(huì)應(yīng)用材料與界面》，并且申請(qǐng)中國(guó)發(fā)明專利（申請(qǐng)?zhí)枺?02010772134.0），后續(xù)國(guó)際專利的申請(qǐng)?jiān)谶M(jìn)行中。

圖1：PMMA亞克力樹脂或PVC樹脂傳感器在γ射線的輻射下產(chǎn)生質(zhì)子以及喹啉衍生物熒光變化的示意圖。

為了驗(yàn)證γ射線輻照釋放酸性物質(zhì)的機(jī)理，研究團(tuán)隊(duì)在制備薄膜的過程中，加微量的酸會(huì)導(dǎo)致與受到γ射線高劑量輻射相同的效果。將受到γ射線高劑量輻射后的薄膜，加微量堿（三乙胺），則該薄膜的熒光發(fā)射峰與未受γ射線輻射前的熒光發(fā)射峰相同，驗(yàn)證了其響應(yīng)機(jī)理。該團(tuán)隊(duì)也對(duì)喹啉衍生物的分子軌道進(jìn)行了量子化學(xué)模擬計(jì)算，甲酸結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度吻合。

圖2：（a）不同劑量的γ射線輻射后，包埋熒光分子的PMMA膜，在365 nm的紫外燈下的發(fā)光情況（單位：Gy）；（b）不同劑量的γ射線輻射后，包埋熒光分子的PMMA膜的熒光圖譜；（c）在較大的劑量范圍內(nèi)，發(fā)射峰紅色區(qū)I585與藍(lán)色區(qū)I468的比值與輻射劑量呈線性關(guān)系；（d）不同循環(huán)次數(shù)下，包埋熒光分子的PMMA膜的熒光圖譜；（e）循環(huán)實(shí)驗(yàn)中，包埋熒光分子的PMMA膜的最大熒光發(fā)射峰的變化。

該技術(shù)可以廉價(jià)噸級(jí)量產(chǎn)，有廣闊的應(yīng)用前景。在檢測(cè)伽馬射線的輻射劑量時(shí)，這種化學(xué)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(yù)期的場(chǎng)景是在泄露的輻射源附近用無人機(jī)空投這種一次性薄膜，通過機(jī)載激光進(jìn)行遠(yuǎn)程檢測(cè)，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(zhì)科學(xué)國(guó)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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)東校區(qū)的60Co放射源，并且得到了科技部（2017YFA0303500）與國(guó)家自然科學(xué)基金（21975238）的資助。

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