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圖片來源：Pixabay

澳大利亞的科學家們使用單硫化錫 (SnS) 納米片制造了有史以來最薄的 X 射線探測器，有可能實現細胞生物學的實時成像。X 射線探測器是一種工具，可以通過視覺或電子方式識別輻射傳輸的能量，如醫學成像或蓋革計數器。單硫化錫作為用于光伏、場效應晶體管和催化的材料已經顯示出巨大的前景。

現在，位于莫納什大學和皇家墨爾本理工大學的 ARC 激子科學卓越中心的成員表明，單硫化錫納米片也是用作軟 X 射線探測器的絕佳候選材料。他們的研究發表在Advanced Functional Materials雜志上，表明 單硫化錫納米片具有高光子吸收系數，使其可用于制造具有高靈敏度和快速響應時間的超薄軟 X 射線探測器。這些材料比另一種新興的候選材料（金屬鹵化物鈣鈦礦）更敏感，擁有比現有探測器更快的響應時間，并且可以在軟 X 射線區域對靈敏度進行調整。該團隊制造的單硫化錫 X 射線探測器的厚度不到 10 納米。一張紙大約有 100,000 納米厚，而人的指甲每秒增長大約 1 納米。以前，最薄的 X 射線探測器的厚度在 20 到 50 納米之間。仍有大量工作需要探索單硫化錫X 射線探測器的全部潛力，但該論文的資深作者、莫納什材料科學與工程系的 Jacek Jasieniak 教授認為，這可能有朝一日實現對細胞過程。“單硫化錫納米片在幾毫秒內反應非常快，”他說，“你幾乎可以立即掃描某物并獲得圖像。傳感時間決定了時間分辨率。原則上，鑒于高靈敏度和高時間分辨率，你可以實時看到事物。也許可以用它來觀察細胞相互作用。不只是產生靜態圖像，你可以使用 X 射線觀察蛋白質和細胞的進化和移動。”

為什么如此靈敏且反應靈敏的探測器很重要？X 射線可以大致分為兩種類型：“硬”X 射線是醫院用來掃描身體是否有骨折和其他疾病的那種。也許鮮為人知但同樣重要的是“軟”X 射線，它具有較低的光子能量，可用于研究濕蛋白質和活細胞，這是細胞生物學的重要組成部分。其中一些測量發生在“水窗”中，這是電磁波譜的一個區域，其中水對軟 X 射線是透明的。

軟 X 射線探測可以使用同步加速器進行，同步加速器是一種粒子加速器，如瑞士的大型強子對撞機，但獲得這種極其昂貴的基礎設施的使用權是很難的。非同步加速器軟 X 射線激光源的最新進展可能允許設計成本更低的便攜式檢測系統，為世界各地的研究人員提供同步加速器的可用替代方案。但要使這種方法發揮作用，我們將需要對低能 X 射線高度敏感、提供出色空間分辨率且具有成本效益的軟 X 射線探測器材料。一些現有的軟 X 射線探測器使用間接機制，其中電離輻射被轉換為可見光子。這種方法允許研究多個能量范圍和幀速率，但難以準備并且提供的分辨率有限。直接檢測方法更容易準備并提供更好的分辨率，因為檢測器材料可以比間接方法更薄。好的候選材料需要較高的 X 射線吸收系數，該系數是使用吸收原子的原子序數、X 射線入射能量、原子的密度和原子質量來計算的。高原子質量和低能量 X 射線有利于高吸收，與硬 X 射線相比，軟 X 射線在薄材料中被更強烈地吸收。納米晶體薄膜和鐵磁薄片已顯示出作為某些類型的軟 X 射線探測器的前景，但它們不能很好地處理水區。這就是單硫化錫納米片的用武之地。

主要作者之一，皇家墨爾本理工大學的 Nasir Mahmood 博士說，單硫化錫納米片的靈敏度和效率在很大程度上取決于它們的厚度和橫向尺寸，這是通過傳統制造方法無法控制的。使用基于液態金屬的剝離方法，研究人員能夠生產出高質量、大面積且厚度可控的薄片，可以有效地檢測水區的軟 X 射線光子。通過堆疊超薄層的過程可以進一步提高它們的靈敏度。與現有的直接軟 X 射線探測器相比，它們代表了靈敏度和響應時間的重大改進。研究人員希望他們的發現將為開發基于超薄材料的下一代高靈敏度 X 射線探測器開辟新的途徑。第一作者莫納什材料科學與工程系的 Babar Shabbir 博士說：“從長遠來看，為了將其商業化，我們需要測試多像素設備。現階段我們沒有成像系統。但是這個為我們提供了知識平臺和原型。”