多毛细管透镜开启实验室级 Micro-XEOL 研究

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在生物与材料科学领域，X 射线激发光学发光（XEOL）是一项极具魅力的光谱与成像技术。它利用 X 射线激发闪烁或发光材料，并监测其在 UV-vis-NIR 等波段的发光响应，从而揭示材料的局域电子能带结构、缺陷能级和能量传递过程；在生物医学场景中，XEOL 也可借助 X 射线的深穿透能力，实现比传统光激发更深层、低背景的功能成像。Fan 等人的综述从纳米材料角度梳理了 X 射线激发诊疗技术的发展，其中涉及 CT 增强成像、XEOL 成像以及多模态协同治疗等方向 ^[1]。本文借用这一背景框架，重点介绍与实验室 XEOL 平台建设更相关的两类应用：一是纳米闪烁体材料的发光机理与性能优化，二是面向深层生物组织的 XEOL 成像应用。

（1）XEOL 材料发光机理与性能优化

XEOL 材料研究首先要回答“X 射线能量如何被材料吸收、迁移并转化为光”。综述中提到，闪烁纳米材料的发光性能通常受基质组成、晶相、掺杂浓度和表面性质共同影响：含高原子序数元素的基质有利于增强 X 射线吸收，合适的激活离子掺杂可提高辐射发光强度，而晶相差异、表面缺陷和核壳结构也会显著改变能量传递效率。以 NaGdF4:Eu 等体系为例，X 射线激发发光强度与 Eu3+ 掺杂比例和晶相密切相关；通过惰性壳层钝化表面缺陷，也有助于提高发光强度。此外，长余辉纳米材料可在 X 射线停止后继续释放近红外余辉，稀土掺杂纳米探针还可将 X 射线能量转化为短波红外信号。因此，材料端的研究并不只是成像应用的前置步骤，它本身也需要稳定、高通量、可聚焦的 X 射线激发条件，用于光谱采集、材料筛选和微区发光分布表征。

图一. NaGdF4:Eu 纳米颗粒的 XEOL 光谱与成像验证。

a) 用于 XEOL 成像的 NaGdF4:Eu 纳米颗粒示意图；b) 不同 Eu3+ 浓度下 NaGdF4:Eu 纳米颗粒的 X 射线发光强度对比；c) 不同 Eu 掺杂纳米颗粒基质的 X 射线激发发光强度对比；

d) X 射线发光成像结果：1）六方相 NaGdF4:15%Eu；2）NaGdF4:15%Eu@Au；3）六方相 NaGdF4:15%Eu；4）BaYF5:10%Eu/5%Ce；5）BaYF5:10%Eu；6）不含颗粒的生理盐水对照组。

（2）XEOL 深层生物成像

XEOL成像的核心优势在于突破传统荧光成像的深度限制（看见生命的微妙瞬间：高灵敏度CCD相机，活体成像的理想选择）并彻底消除背景噪声。相比直接用 UV-vis-NIR 光从体外激发，X 射线在组织中的散射和衰减更小，可在更深位置激发闪烁纳米材料；随后由材料发出的可见光、近红外光或短波红外光被探测系统采集，从而降低传统光学成像中的自体荧光和浅层穿透限制。Fan 等人的综述展示了几类代表性路径：NaGdF4:Eu 等闪烁纳米材料可用于 XEOL 成像验证；稀土掺杂核壳纳米探针可在 X 射线激发下产生约 1525 nm 的短波红外信号，用于淋巴引流和前哨淋巴结定位；LGO:Cr 等长余辉纳米材料则可在 X 射线关闭后继续发出近红外余辉，实现组织覆盖下的低背景成像。这些工作共同说明，XEOL 成像关注的不只是“看见”，还包括如何利用发光材料的波段、余辉和能量传递特性，获得更高信噪比和更深层的功能信息。

图二. 用于X射线红外成像的稀土掺杂纳米探针（REs）的合成与表征。

a) REs的示意图，显示镧系元素掺杂的核心被未掺杂的外壳包围（NaYF4:Yb/Er@NaYF4）；

b) REs的TEM图像，显示其球形形态；

c) REs的X射线红外光谱显示，在X射线照射后于1530 nm附近出现明显的近红外发射峰；

d) 在恒定电流12.5 mA条件下，测量了REs的X射线红外检测灵敏度随X射线加速电压的变化关系；

e) 模拟体横截面的线形分布图。通过使用80 kVp和15 kVp的X射线激发REs，评估了X射线红外成像系统的曝光灵敏度；

f) 通过足垫注射聚乙二醇化REs对小鼠局部淋巴结进行的X射线红外成像示意图；

g) 使用聚乙二醇化REs对局部淋巴结进行的X射线红外成像。

在成像维度上，XEOL 与 CT 不是替代关系，而是互补关系：CT 更擅长提供高分辨率的解剖结构信息，而 XEOL 更擅长把 X 射线激发转化为可被光学系统捕获的功能信号，用于观察发光材料分布、能量传递或局部生物过程。因此，下面的表一仅用于比较成像场景下 CT 结构成像与 XEOL 功能成像的技术定位，并不代表 XEOL 的全部应用边界。

表一. 成像场景下 CT 结构成像与 XEOL 功能成像的技术定位对比

而毛细管透镜与 XEOL 的关系并不只发生在成像系统末端。无论是材料端的光谱采集、掺杂、晶相筛选和微区发光分布研究，还是成像端的深部激发、低背景读出和XLCT扫描平台，都共同依赖一个基础条件：把普通实验室 X 射线源发出的发散光，转化为更高通量、更小光斑、更稳定的可控激发束。多毛细管 X 光透镜正是在这一环节发挥作用。

（1）1200 倍的通量飞跃：打破实验室光源的亮度限制

XEOL 实验常常面对一个现实问题：纳米闪烁体的 X 射线到光转换效率有限，发光信号弱；而普通实验室 X 射线管输出的是发散光束，如果只依靠针孔准直来获得小光斑，大量光子会被挡掉，导致积分时间变长、信噪比下降。XOS 多毛细管透镜的价值，就在于把发散 X 射线收集并重新聚焦，在保持微米到百微米量级光斑的同时显著提高单位区域内的光子密度。

在加州大学 Merced 的 Changqing Li 教授团队研究中 ^[2]，研究人员构建了基于 XOS flex-beam 的聚焦束 XLCT 系统。该系统使用多毛细管透镜将钼靶 X 射线管输出聚焦为约 100 μm 的 X 射线束，并与传统 1 mm 针孔准直束进行对比。结果显示，0.1 mm 聚焦束激发下的发光强度明显更高；在对曝光时间、电流和束斑面积归一化后，研究人员估算聚焦束的 X 射线光子通量密度约为准直束的 1200 倍以上。这类通量增益直接改善了弱 XEOL 信号的采集效率，也让基于实验室光源的 XLCT 扫描时间从“很长”变得更可接受。

图三. 聚焦 X 射线束与针孔准直 X 射线束的发光强度比较实验。

a) XOS 多毛细管透镜形成的约 0.1 mm 聚焦束；b) 约 1 mm 针孔准直束。研究人员通过发光强度归一化估算两种激发方式的 X 射线光子通量密度差异。

因此，1200 倍的意义不只是“信号更亮”，更重要的是把实验室 X 射线源变成可用于弱发光材料光谱采集和 XLCT 扫描的高通量激发源。

（2）聚焦束扫描：获得微区发光分布，服务材料筛选与成像平台

对于纳米闪烁体材料，研究者不仅关心“发什么光、强不强”，也关心“发光来自哪里、分布是否均匀”。整体光谱可以评价材料批次的发光强度和谱线位置，但若要比较不同浓度、不同处理条件或组织覆盖后的局部发光分布，就需要可定位的 X 射线激发。

在克莱姆森大学与加州大学 Merced 等团队的相关工作中 ^[3][4]，多毛细管聚焦束被用于两类场景：一类是 NaGdF4:Eu/Tb 纳米荧光体的 XEOL 光谱和化学成像，研究人员将不同浓度 NaGdF4:Eu 分散液装入 1 mm 玻璃毛细管，在有/无组织覆盖的条件下进行扫描，验证聚焦 X 射线可以在局部位置激发并读取发光信号；另一类是面向小动物的 FXLT 平台，系统采用 XOS fleX-Beam 聚焦源，焦斑约 50 μm，并结合位移台、旋转机架和高灵敏 PMT 采集光信号。

图四. 基于旋转机架的小动物 FXLT 成像系统。

a) FXLT 系统扫描方案；b) 系统 CAD 模型；c) 扫描仪实物结构。

这些实验说明，多毛细管透镜不只是“增加亮度”，还定义了激发区域：X 射线聚焦到哪里，哪里的纳米闪烁体才被优先激发。对材料研发而言，这有助于比较不同合成、掺杂或热处理条件下的发光强度和空间均一性；对成像平台而言，局部化激发可为 XLCT/FXLT 重建提供更高信噪比、更明确空间约束的数据。

（3）聚焦束 XLCT：从局部激发到可用重建图像

前两节分别说明了多毛细管透镜带来的两个基础优势：一是提高 X 射线光子通量密度，二是把激发区域限制在更小、更可控的空间范围内。但要让 XEOL 真正成为可用的成像工具，还需要把逐点扫描得到的光信号重建成位置可信、对比度足够、甚至浓度可比较的图像。这正是 XLCT/FXLT 从“能激发、能采集”走向实际应用时必须跨过的一步。

李长青教授团队近期进一步验证了这一点 ^[5]。研究人员使用带多毛细管光学透镜的 XOS 钼靶聚焦 X 射线源，形成焦斑直径约 150 μm 的细束，对含发光靶体的体模进行扫描；同时，透过样品后的 X 射线也被记录下来，用于获得结构参考图像，帮助确认发光靶体的真实位置。针对窄束 XLCT 中信号随深度衰减、重建过程不够直观的问题，研究者提出了加权正弦图滤波反投影方法，在投影数据中补偿光学信号衰减，从而更快速、直接地完成图像重建。

在四靶体实验中，加权重建结果与结构参考图像的位置吻合，Dice 系数达到 91.5%，对比噪声比达到 25.22，均优于常规重建；在更低浓度靶体实验中，图像对比度也得到明显改善。这说明多毛细管透镜提供的高通量、可定位聚焦束，不只是让 XEOL 信号变亮，还让扫描路径和激发位置足够明确，为后续快速、可用的 XLCT 图像重建提供了硬件基础。

图五. 聚焦束 XLCT 的体模重建验证。

研究者使用 XOS 聚焦 X 射线源扫描含发光靶体的体模，并同步获得结构参考图像。图中对比了常规重建、加权重建、结构参考和叠加验证结果，可以看到发光靶体被重建到正确区域，加权处理后伪影减少、对比度提升。

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