一种用于质子束实时监测的柔性全有机探测器

全有机探测器对于先进剂量测定应用极具前景，因为其机械特性允许器件适应轮廓复杂的大面积表面，并且具有优异的便携性和重量轻等特点。此外，人体组织等效特性使其成为医学剂量测定应用的理想候选者，正如近年来通过有机薄膜和单晶直接检测电离辐射所证明的那样。电离辐射的间接检测是另一种有效的工具，通过两个步骤实现:（i）由闪烁体将电离辐射转化为可见光子，以及（ii）通过合理匹配的光电器件将闪烁体发射的可见光子转化为电信号。为了开发电离辐射的间接探测器，需要通过合理匹配的光电器件将闪烁体产生的紫外-可见（UV–vis）光子转换成电信号。这种使用有机电子器件的方法，迄今为止仅针对X射线检测进行了探索。

据麦姆斯咨询报道，近日，意大利博洛尼亚大学（University of Bologna）报道了一种用于质子束实时监测的柔性全有机探测器。该探测器以间接模式工作，由耦合在有机光电晶体管（OPT）的聚硅氧烷基闪烁层组成，具有良好的柔韧性和较低的工作电压（V = −1 V），检测限为0.026 Gy/min。该探测器旨在实现质子治疗过程中的实时和原位剂量监测，并显示出机械柔性和低功耗运行。这种质子探测器是一种很有前途的工具，可在大面积和不规则表面上进行实时粒子探测，适用于从实验科学研究到创新治疗诊断学领域中的许多应用。

在本研究中，基于双萘并[2,3-b:2′，3′-f]噻吩并[3,2-b]噻吩（DNTT）作为活性层的OPT被制造在100 μm厚的聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）箔上，这可将柔性与无载体大面积兼容工艺相结合。OPT为在低电源电压下工作而设计，并结合了高偏压应力耐受性和弯曲稳定性以及弱光强度下的高灵敏度（合适的光吸收波长下）。然后，将500 μm厚的闪烁塑料薄膜直接集成在钝化层的顶部。使用聚硅氧烷基的基质、主染料（2,5-二苯基恶唑，PPO）和波长转换器（Lumogen Violet）合成闪烁体。最终，制备出一种聚硅氧烷基柔性闪烁体与柔性有机光电晶体管耦合的柔性全有机质子探测器。

柔性全有机间接质子探测器

所开发的全有机耦合间接探测器在暴露于5 MeV质子束的循环下进行测试。在质子治疗过程的典型操作条件下，整个装置在脉冲质子通量下显示出响应稳定性和再现性。对于与基于PSS100和PVP-MPS的闪烁体耦合的OPT，检测到的最低剂量率分别为0.043 Gy/min和0.026 Gy/min。探测器的响应趋势不受弯曲应力的影响，并且质子诱发的光电流在弯曲器件中仅略有增加。该探测器在极低的偏置电压（-1 V）下工作，因此符合电气安全的基本要求，并且电源电压较低。

柔性全有机间接探测器的质子探测响应

研究人员介绍了一种动力学模型，可对探测器响应机制进行合理的物理解释。该模型能够定量地再现探测器在质子照射下的动态响应，并与OPT在UV–vis下的行为进行比较。计算的曲线与两种条件下的实验曲线很好地重叠，证实了OPT响应完全是受闪烁体发射的光的影响。正确再现了探测器工作范围内的响应（上升和下降动态）以及持续光电流的逐步增加。在质子通量下的响应中识别的两种成分（快速光电流和持续光电流）归因于两种具有不同恢复活化能分布平均值的光致缺陷。通过实验和计算分析证实，快速响应是重复出现的，与持续电流漂移无关，因此评估了所开发的器件作为实时质子探测器的适用性。最后，探测器响应中两种成分的量化可用于两种同步模式，正如最近针对具有类似行为的直接有机质子探测器所提出的:（i）质子辐射的实时监测和（ii）总接收剂量的监测。

柔性全有机间接质子探测器的物理模型

本研究证明了一种柔性全有机间接质子探测器的适用性，其能够实时定量监测由MeV质子束照射释放的剂量。该探测器的柔性和低工作电压已经过评估，确保其作为个人剂量计使用时的高舒适性和低电风险。这项工作展示了全有机薄膜柔性器件在质子探测领域（从实验科学研究到创新治疗诊断学）各种应用中的潜力。

审核编辑：刘清