基于C60/碳纳米管复合电纺纤维的电子辐射微传感器：一种新型β射线剂量监测材料

为解决放疗中电子束剂量实时监测难题，研究人员开发了由聚己内酯(PCL)/多壁碳纳米管(MWCNT)/C60复合电纺纤维构建的电阻式微传感器。该器件在10-20 keV电子束辐照下可实现电导率永久性提升，最低响应剂量达0.22-0.27 pC μm-2 ，其性能源于C60优异的电子捕获能力。研究为开发低成本、可穿戴的放疗剂量监测设备提供了新材料体系。

　　

在肿瘤放射治疗领域，精确控制电子束（β射线）剂量直接关乎治疗效果与患者安全。当前临床主要依赖聚合物凝胶、放射变色薄膜等离线检测技术，这些方法需借助分光光度计或电子顺磁共振仪进行后续分析，难以实现实时监测。虽然MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）传感器能满足实时需求，但其高昂成本和批次差异问题制约了广泛应用。更棘手的是，现有传感器的材料密度与生物组织差异显著，可能导致剂量测量偏差。这些瓶颈问题呼唤着新型传感材料的突破。

针对这一挑战，阿根廷研究团队在《Nano Trends》发表创新成果，开发出基于电纺纳米纤维的电子辐射微传感器。该器件以生物相容性聚己内酯(PCL)为基质，通过负载多壁碳纳米管(MWCNT)和富勒烯(C60)构建导电网络，利用C₆₀
独特的电子捕获特性实现对β射线的高灵敏度响应。研究通过系统的材料表征、蒙特卡洛模拟和电学测试，证实这种柔性传感器可实现剂量依赖的电阻变化，为开发组织等效的实时辐射监测系统提供了新思路。

研究采用电纺技术制备取向排列的PCL-MWCNT/C60复合纤维，通过SEM、XRD和拉曼光谱表征材料形貌与结构；利用聚焦离子束显微镜(FIB)进行电子辐照实验，结合Keithley 4200 SCS半导体分析系统测量电阻变化；采用Casino V2.5软件模拟电子在材料中的穿透深度。

3.1 纤维表征
扫描电镜显示纤维直径650±18 nm，以91.3°夹角垂直排布于叉指电极，表面覆盖率达20%。X射线衍射发现C60使PCL晶体(111)晶面峰位偏移，差示扫描量热法证实C60-MWCNT复合物阻碍了PCL结晶。拉曼光谱中C60特征峰从1469 cm^-1
红移至1458 cm^-1
，证明其与碳管形成电子耦合体系。

3.2 电学特性
未辐照器件初始面电阻为4.94×10⁸
Ω/sq。电子辐照引发显著电阻开关效应：10 keV辐照使电阻降至初始值41%，20 keV辐照效果更显著（最低达30%）。蒙特卡洛模拟揭示20 keV电子可穿透650 nm厚纤维层并保留50%能量，而10 keV电子仅穿透260 nm。这种差异导致10 keV辐照器件存在"延时响应"——辐照6天后电阻继续下降40%，源于PCL链段运动使深部电荷重新分布。

剂量响应机制
在最佳辐照剂量0.27 pC μm^-2
（10 keV）和0.22 pC μm^-2
（20 keV）时，电子与C60分子数量比达1.38-1.7，接近理论预测的C60分子线电荷捕获能力（每分子2.7-3.5电子）。这表明C60-MWCNT界面形成了高效的电荷传输通道。过高的辐照剂量反而导致电阻回升，可能与电荷超饱和破坏导电通路有关。

这项研究开创性地将电纺纳米纤维技术应用于辐射传感领域。PCL-MWCNT/C60复合材料展现出三大优势：①组织等效密度（1.145 g/cm³
）可减少测量误差；②柔性基底适合制作可穿戴设备；③0.8 wt%的低C60负载即实现高灵敏度响应。特别值得注意的是，20 keV辐照器件的稳定性和10 keV器件的延时响应特性，为开发具有自校准功能的智能传感器提供了可能。该技术突破不仅适用于放疗剂量监测，在电子显微镜校准、空间辐射探测等领域也具有广阔应用前景。未来通过优化电极图案设计和纤维取向控制，有望进一步提升器件的空间分辨率和响应一致性。