近日，我院王運龍博士、馬駿教授，中國科學技術大學汪谟貞副教授，蘇州大學王殳凹教授等合作在Cell Press細胞出版社期刊Matter在線發表了一篇題為“Color-phase Readout Radiochromic Photonic Crystal Dosimeter”的研究論文，提出一種基于光子晶體結構色變化的全新輻射劑量計概念，并采用多種光子晶體進行了概念驗證，獲得了不同靈敏度的劑量計，有望應用于輻射加工、大科學裝置束流校準與放射醫學劑量驗證等領域。該論文我院博士生王志浩為第一作者, 中國科學技術大學高分子科學與工程系博士生葛志青為共同第一作者，王運龍博士為通訊作者兼共同第一作者，馬駿教授與王殳凹教授為共同通訊作者。

随着核技術的發展和廣泛應用，輻射加工、放射醫學、大科學裝置束流檢測、空間輻射探測等多種需求場景對輻射劑量探測提出了新的需求。輻射緻變色薄膜可通過輻射後色度的變化來測定吸收輻射劑量的絕對值，因其結構簡單，制備方便，成本較低，使用便捷等優勢在輻射探測領域中被廣泛應用。然而，這些傳統的薄膜劑量計采用比色/色度法确定吸收劑量，肉眼難以直接識别，需要借助光密度計或光譜儀讀取。此外，大多數輻射緻變色薄膜對溫度、濕度或紫外線照射敏感，需要儲存在黑暗幹燥的環境中。這些問題極大的限制了其在當前和未來的應用。

與自然界中蝴蝶、變色龍、鳥類羽毛類似，光子晶體并不依靠色素來顯示顔色，而是通過與光波長相仿的周期性微結構的布拉格衍射來形成虹彩色。王運龍博士将聚合物的輻射效應與光子晶體相結合，首次提出一種全新的劑量檢測方案，即利用光子晶體薄膜在X或γ射線的連續照射下實現布拉格反射峰的全可見光譜移動來實現劑量檢測。該光子晶體劑量計的劑量應用範圍具有高度可調性和良好的空間分辨率（優于30 μm）。與傳統的輻射變色劑量計相比，這種劑量計還對光、溫度和濕度表現出良好的環境穩定性。更重要的是，這種光子晶體劑量計除了傳統的光譜儀檢測方法，還可以通過肉眼對比标準色卡，甚至利用手機拍照得到的色調值進行快捷智能的劑量識别，這為其在工業輻照、大科學裝置和放射醫療中的應用提供了極大便利。

圖 1輻射緻變色反蛋白石光子晶體(PC)薄膜示意圖

劑量薄膜的制備過程如圖2A所示。研究團隊利用聚合物在輻照下的降解或交聯，提出了三種劑量計設計方案并實現了相應的演示實例。研究結果表明，随着吸收劑量的增加，薄膜的顔色在可見光譜中由紅色變為藍色。當吸收劑量增加到225 kGy時，原始PEGDA薄膜(636 nm)的光子帶隙逐漸減小到444 nm，當吸收劑量增加到250 kGy時，薄膜最終變為透明。掃描電鏡照片(圖2C)顯示了輻照過程中反蛋白石結構的坍塌，表明随着PEGDA的輻射氧化降解，劑量薄膜中的規則多孔結構發生了塌縮。根據Bragg-Snell方程，随着層間距的減小，薄膜的結構色将發生藍移(圖2D)。圖2E顯示，薄膜的反射光譜峰位置λmax與吸收劑量之間表現為典型的線性關系，因而該薄膜劑量計可用于吸收劑量準确測量。此外，未輻照樣品的顔色可在正常光線和溫濕度環境中保持至少62天不變，證實了劑量薄膜優異的環境穩定性。尤為值得一提的是，該薄膜在70°C的熱空氣中處理48小時後，其顔色和亮度均未發生明顯變化。因而，其熱穩定性明顯超過已有的商用劑量計，大大方便了劑量薄膜的保存與使用。同時，通過在聚合前驅體中添加不含雙鍵的PEG對劑量薄膜進行增塑，可以得到亞穩态的光子晶體薄膜，使薄膜劑量計的靈敏度提高至單純PEGDA劑量計的2倍以上。

圖 2反蛋白石劑量計的制備及其輻射顯色特性

高能輻射不僅引起鍊斷裂，而且能以較低的劑量引發高分子聚合物鍊的聚合和交聯，而具有不飽和乙烯基的水凝膠材料響應更為靈敏。研究團隊采用甲基丙烯酰化明膠(GelMA) 制備了水凝膠薄膜，并通過化學修飾再次引入不飽和乙烯基團，然後使用X射線對水凝膠進行照射。随着乙烯基在輻射過程中發生交聯，反蛋白石水凝膠發生明顯的收縮，并導緻了水凝膠的顔色從紅色向綠色移動。結果表明，在X射線照射下，反蛋白石水凝膠的反射峰波長位移與吸收劑量在0 Gy到60 Gy線性相關，檢測靈敏度達到~0.61 nm/Gy。劑量繼續增加時，由于水凝膠中雙鍵的消耗，後續的交聯反應變慢，因而其反射峰波長的移動速率也相應減小。為了檢驗該劑量計的分辨率，研究團隊使用一個金屬掩模遮擋X射線，形成一個五角星形的X射線束對薄膜進行輻照。從圖4E中可以觀察到，曝光後的劑量薄膜上有清晰的五角星形，該星型變色區域與金屬掩模形狀高度重合。光學顯微鏡照片表明，輻照變色區域與輻照區域之間界限清晰，其過渡區域寬度小于30 μm，表明該劑量計具有良好的空間分辨能力。同時，GelMa是一種衆所周知的人體組織等效材料，因而這種光子晶體材料具有作為醫用水凝膠輻射劑量計的巨大潛力。

圖 3甲基丙烯酰化明膠反蛋白石水凝膠膜的制備及輻射緻變色性能

在本文提出的劑量檢測系統中，由于采用劑量計的色相/波長(λmax)而不是吸光度/光密度來測量吸收劑量，使得輻射劑量的測量更加直觀簡便。使用色卡對比時，色相的變化不會受到環境光強變化及材料表面塵土等污漬沾染的影響。在精度要求不高的情況下，輻射劑量可以通過肉眼與預校準的标準色帶對比讀出。使用常見的數碼相機或手機等攝影設備則可以得到更加精确的測量結果。雖然輻照過的樣品的色彩在RGB空間中顯示出一種無序的變化(圖4D)，但是在将顔色參數轉換到HSV顔色空間時，其色相值則随吸收劑量單調增長，且在較大範圍内有線性關系(圖4E, F)。因此，可以使用相機或者手機拍照後，通過讀取劑量片輻照後的色相值來較精确的檢測吸收劑量，這使得研究人員可以在實驗室之外以相對較低的成本進行精确測量。

圖 4無需光譜儀的讀取劑量讀取方式

基于光子晶體材料的高度可調性，該研究為輻射累積劑量的探測開辟了一種通用的方法。研究團隊已申請發明專利，并繼續推進該路徑在放療中的三維劑量驗證、空間輻射測量及極端輻射環境檢測等場景的應用。

該研究得到了國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金、江蘇省雙碳專項基金、中央高校基本科研業務費和伟德国际1946官网新教師啟動基金的支持。本研究中γ輻照實驗在中國科學技術大學钴-60源裝置中完成，中國科學技術大學高分子科學與工程系葛學武教授和王尚飛老師對相關實驗設計和實施提供了指導和技術支持。