高光谱成像作为研究基于镧系元素分子单晶中光学各向异性的工具

摘要

本文介绍了一种利用高光谱成像系统获取基于镧系元素的单晶发光高光谱成像数据，并分析其光学各向异性特征的实验方案。

摘要

在本研究中，我们描述了一种高光谱成像（HSI）技术在发光镧系元素（Ln³⁺）基分子单晶分析中的新应用方案。作为代表性示例，我们选择了一种异核双金属镧系配合物[TbEu(bpm)(tfaa)₆]的单晶（bpm = 2,2’-联嘧啶，tfaa^– = 1,1,1-三氟乙酰丙酮），该晶体在紫外光激发下表现出明亮的可见光发射。高光谱成像是一种新兴技术，可将发光结构的二维空间图像与其图像中每个像素的光谱信息相结合。具体而言，对[Tb-Eu]配合物单晶进行高光谱成像，获得了局部光谱信息，揭示了晶体不同位置处发光强度的变化。这些变化归因于晶体中存在的光学各向异性，而这种各向异性源于晶体结构各个方向上Ln³⁺离子不同的分子堆积方式。本文所述的高光谱成像技术展示了该方法在分子材料光谱-空间研究中的适用性。更重要的是，本方案可轻松拓展至其他类型的发光材料（如微米级分子晶体、无机微粒、生物组织中的纳米颗粒或标记细胞等），为深入探究结构与性能之间的关系开辟了多种可能性。最终，此类研究将提供可用于材料工程的知识，推动从生物成像到波导或光电子器件等技术应用领域的先进材料开发。

引言

高光谱成像（Hyperspectral Imaging, HSI）是一种生成空间图谱的技术，其中每个像素点均包含一个连续的光谱信息 x-y 坐标包含基于各种光谱学的光谱信息，即光致发光、吸收和散射光谱学^1,2,3因此，获得了一个三维数据集（也称为“高光谱立方体”），其中 x-y 坐标是空间轴和时间轴 z 坐标是来自被分析样品的光谱信息。因此，高光谱立方体包含空间和光谱信息，相较于传统光谱学，可对样品进行更详细的光谱学研究。尽管高光谱成像（HSI）在遥感领域已有多年应用（例如., 地质学，食品工业⁴），它最近作为一种表征纳米材料的创新技术出现^2,5 用于生物医学应用的探针^3,6,7,8一般来说，该技术不仅限于紫外/可见/近红外（NIR）波段，还可通过其他辐射源进行扩展，例如使用X射线来表征不同材料中的元素分布⁹ ——或太赫兹辐射，其中高光谱成像（HSI）被用于在生物组织中进行热感应⁸此外，光致发光成像已与拉曼成像结合，用于研究单层MoS₂的光学特性。₂¹⁰然而，在已报道的光学高光谱成像（HSI）应用中，关于基于镧系元素材料的高光谱成像实例仍然较少。^{11,12,13,14,15,16,17}例如，我们可以列举：组织中癌症的检测⁶生物组织中光穿透深度的分析⁷多重生物成像³杂化体系中多组分能量转移的分析¹¹以及上转换纳米颗粒光谱特性在聚集诱导下的变化研究¹²显然，高光谱成像的吸引力源于其适用于生成与环境相关的发光信息，能够同时提供探针的空间和光谱信息。

利用这一强大技术，本文描述了一种研究异核双金属Tb³⁺-Eu³⁺单晶[TbEu(bpm)(tfaa)₆]光学各向异性的实验方案（图1a）¹³。所观察到的光学各向异性源于Ln³⁺离子在不同晶体学方向上的分子堆积差异（图1b），导致某些晶面表现出更强的光致发光，而其他晶面则发光较弱。研究表明，晶体特定晶面发光强度的增强与那些Ln³⁺···Ln³⁺离子间距最短的晶体学方向上更高效的能量传递相关¹³。

基于这些结果，我们提出建立一种通过高光谱成像（HSI）分析光学各向异性的详细方法，为深入理解离子-离子能量传递过程以及由特定分子排列引起的可调谐发光特性开辟了道路^18,19。这些结构-性能关系已被认为是创新光学材料设计中的重要方面，涵盖但不限于纳米和微米尺度的波导系统和光磁存储器件，以满足对更高效、更小型化光学系统的需求²⁰。

方案

警告：操作成像仪时，始终建议佩戴针对所用激发波长的专用安全护目镜。

1. 高光谱显微镜的配置

注意：高光谱成像系统的概述如下所示 图2a，成像系统的主要组件如图所示。该成像系统可用于检测样品的可见光或近红外（NIR）发射。根据所需的检测类型（可见光或NIR），光线将通过两条不同的光路图 2e)。必须在仪器内的特定位置放置不同的分光镜转角立方体和二向色滤光片立方体（光学立方体），以选择相应的光路。

1. 打开连接成像系统的计算机。打开计算机的显示器。
2. 设置适当的光学立方体配置（图2b,c）。
   注意：此处描述的是使用紫外激发和可见光发射检测进行高光谱成像（HSI）映射的成像仪配置（光学立方体配置）。然而，根据所分析的样品，也可将其更改为近红外（NIR）激发以及可见光或近红外发射检测。参见“代表性结果”部分中的示例。
   1. 从显微镜载物台开始（图2a中的1），沿发射光路向探测器方向（图2a中的3）推进，将第一个光学立方体位置（图2b中的4）留空，并将共聚焦显微镜光学立方体（DFM1-P01）放置在图2b中标记为5的位置，使样品发射光进入可见光光路。
   2. 沿光路继续向探测器方向观察，将包含二向色镜和滤光片的可见光光学立方体（CM1-P01）放置在图2b中标记为6的位置，以将可见光发射引导至检测光路。
   3. 继续沿光路向探测器推进，将共聚焦针孔光学立方体（DFM1-P01）放置在图2b中标记为7的位置，使光线通过可见光检测路径；然后沿光路继续，将共聚焦光谱仪光学立方体（DFM1-P01）放置在图2c中标记为8的位置，使发射光最终到达探测器。
   4. 对于高光谱成像（HSI）映射，手动调节探测器狭缝开度（图2c中的9），使其与所用针孔尺寸相匹配（约50 mm为最佳）。
   5. 在PHySpec软件中选择针孔的孔径（图3中的5）。
      注意：针孔孔径越小，HSI分辨率越高，但信号强度会相应降低。
3. 将开关（图2d中的10）拨至“ON”位置，以开启宽带光源（图2d插图）。通过旋转标记为11的旋钮（图2d）调节激发光强度：数值越大（32为最低强度），光强越弱；数值越小（1为最高强度），光强越强。在系统设置过程中，保持宽带光源快门（图2d中的12）处于关闭状态。
   注意：较高的数值对应光源发射功率密度的更高衰减，较低的数值对应更低的衰减。
4. 按以下顺序将下列硬件的开关拨至“ON”位置，依次开启设备：
   1. 开启ThorLabs运动控制器。
   2. 开启Nikon电源。
   3. 开启ASI控制器。
   4. 开启Galvo控制器。
   5. 开启ProEm探测器。
   6. 开启Bayspec探测器。
5. 在计算机上，通过双击图标打开PHySpec软件。
   1. 按下键盘上的F8键，以初始化IMA Upconversion系统，然后点击Connect to System窗口中的OK按钮。
      注意：步骤1.5.1也可通过点击System选项卡，然后点击Connect进入Connect to System窗口完成。随后点击OK按钮，即可将成像系统与软件连接。
   2. 确保所有菜单（Color camera、ProEm和Bayspec）以及屏幕左侧的仪器控制面板均如图3所示正常显示。

2. [TbEu(bpm)(tfaa)₆] 单晶的高光谱成像

1. 为制备样品，将晶体置于显微镜载玻片上。若需使用更高倍数的物镜，用一片薄的盖玻片覆盖晶体，并用胶带固定，使样品可放置为薄盖玻片朝向物镜方向。
2. 将已制备好样品的玻片放置在显微镜载物台上，并用金属夹固定图4a,b).
3. 使用操纵杆移动样本（图4c的 ASI控制器 以便将样本置于所用物镜上方。
4. 手动调整右侧位置 滤光片组 在物镜下方的转盘中（3个 图5）以选择灯的紫外激发光，并允许可见发射光通过至检测器。
   注意：附加 滤光片组 可使用绿色或蓝色光激发，因此拥有合适的 滤光片组 就位对于合适的激发波长至关重要。
5. 手动将20倍物镜（由5指示）移至指定位置 图5) 放置于样品下方，并按下白色按钮（6号） 图5) 打开显微镜左侧的白光开关。
   1. 通过旋转白光电源按钮下方的旋钮（7号）来调节亮度 图5).
6. 在 PHySpec 软件，按下 播放 （视频）按钮，位于彩色相机窗口上，点击后将开始实时扫描的采集。
   1. 如果彩色相机窗口显示黑色图像，请增加 曝光时间 (2 在 图3）和/或 增益值 (3 在 图3）位于仪器控制面板中，位于 彩色相机 如果所查看的图像过亮，请降低曝光时间和/或增益值。
   2. 确保显微镜右侧的前进旋钮（2 在 图5) 设置为 R，以将 20% 的信号发送至相机/双目镜，80% 的信号发送至检测器。
7. 通过调节物镜与载物台之间的距离来对样本进行聚焦（图4b）。通过调节所示旋钮来完成此操作 图 4d 显微镜的右侧
   注意：较大的旋钮用于粗调，较小的旋钮用于更精细的微调。
8. 确保手动选择的物镜也在软件中被选中。首先，单击 查看 顶部菜单栏中的按钮，然后单击一个 显示/隐藏比例尺 在图像上显示比例尺（1 in 图3）。然后，转到 检流计 在操作控制面板中点击“指令”选项卡并选择 目标 使用（4 在 图3确保通过在软件中选择正确的物镜来校准显示的比例尺。
9. 在软件中，通过进入选项卡选择合适的检测器 分流器 (ProEM – 6 英寸 图3）以及通过切换到选项卡来查看光栅 过滤 （若为1200 gr/mm） ProEM – 7 英寸 图3）在 SpectraPro SP-2300 标签.
10. 打开 宽带灯 快门（12 英寸 图2)以使样品受到紫外激发。调节强度旋钮（11号 图2d将开关调至所需位置（例如，8 – 中等强度），以控制宽带光源（紫外光）激发的强度。
    1. 通过使用图4所示的杆和旋钮调节紫外灯视野光圈的大小，以选择宽视野照明（光圈打开）或小光斑照明（光圈更关闭） 图5.
11. 在……之下 SpectraPro SP-2300 标签页中，选择一个波长以观察样品发射。
12. 如果样品的发射波长未知，请获取发射光谱。
    1. 在测序仪上，单击 + 添加一个新序列（“节点”）以采集发射光谱。
       1. 点击 光谱仪 然后 光谱采集 （含光谱扫描）.
       2. 输入 A 最小波长 （即 400 nm）和一个 最大波长 （即 700 nm）并单击 好的 设定光谱记录的光谱范围。
       3. 选择合适的 曝光时间 在软件左侧菜单中进行选择。对于非常明亮的样品，选择较短的时间（例如 0.1 s）；对于发光较弱的样品，选择较长的时间（例如 2 s）。
       4. 如使用宽带光源（紫外光）激发，需调整激发光功率（参见上述步骤1.3）。
          注意：若使用近红外二极管激发，可从左侧中性密度下拉菜单中进行调整 PHySpec 软件
    2. 在测序仪上，点击双箭头播放按钮以运行整个序列。谱图显示后，记录用于检测样品发射信号的关注区域（例如 580 至 640 nm（适用于 Tb）³⁺- 和 Eu³⁺基于样本的）。
    3. 根据需要，通过调整样品焦距或调节 曝光时间 在 PHySpec 软件。通过调节激发光源（宽带灯）的功率以增强样品发射强度，从而进一步优化信号检测，具体方法如上所述。
13. 调节 曝光时间 (例如， 0.5 秒 – 2 英寸 图3）和 增益 (3 在 图3的 彩色相机 因此，为了获得高质量的图像，如有需要，可点击按钮在图像上添加比例尺 显示/隐藏比例尺 位于顶部菜单的第二行 PHySpec 软件窗口
14. 建议：在获取高光谱立方数据之前，先在白光下记录晶体的明场光学显微镜图像图6a）和/或紫外全波段（UV full图6b）或受限（图6c）照明（由快门孔径控制的紫外照明，如图中4所示） 图5）。为此，当样本处于对焦状态时，点击彩色相机的播放按钮。
15. 点击 文件 然后 导出窗口视图选择所需的格式导出获得的图像，并以所需的扩展名（.h5、.JPEG）保存文件。
16. 在获取高光谱图像之前，关闭白光照明以及室内灯光。
17. 为了获得高光谱立方数据，需编写一个新的序列。因此，在序列编辑器中，单击“+”号以添加一个新节点。
    1. 点击 共聚焦成像仪.
       1. 点击 多光谱采集此处，所需的视场由采集点的数量来定义 x 和 y 方向和步长。例如，使用 100 个点 x 100 个点 y 以5 µm为步长，获取500 × 500 µm的图像。
          注意：采集点的总数以及每个点的积分时间将直接影响高光谱立方数据的总采集时间。
          1. 输入所需 X 位置 （例如，100）和 Y 轴位置 （例如，100）计数以及所需的 步长 （例如，5 µm）。选择 硬件 用于相机同步的选项，适用于可见光发射成像（如进行近红外检测，则需选择软件选项）。点击 好的.
18. 在测序仪中，单击新添加的 多光谱采集 线条用于突出显示节点。
19. 点击 播放 单击按钮以运行所选节点。
    注意：采集剩余所需时间将显示在节点旁边（以分钟为单位， 例如， 28 分钟。
20. 采集完成后，将高光谱数据立方体保存为适当的文件格式（.h5）。

3. 高光谱数据分析

1. 采集完成后，如果保存的高光谱数据立方体未在软件中自动打开，请通过点击顶部菜单栏中的 File，然后将光标悬停并点击 Open File… 来恢复已保存为 .h5 文件格式的高光谱数据立方体。当标题为 Select data(s) to open 的窗口弹出时，选择保存 .h5 文件的文件夹，然后双击该文件以打开。
2. 导入高光谱数据立方体文件后，通过向左（较低波长，例如 580 nm）或向右（较高波长，例如 638 nm）移动数据立方体图像顶部的滑块，调整显示的高光谱图像以呈现特定光谱波长的强度。
   注：所选波长将显示在该顶部滑块的左侧（图7 中的 1）。
3. 在选定分析所需的波长后（例如，[TbEu(bpm)(tfaa)₆] 的最大强度波长为 613.26 nm），可进行以下三种光谱分析类型中的一种或全部：(A) 以图像形式显示的光谱分布（图7 中的 2）；(B) 感兴趣区域的发射强度剖面（图7 中的 3）；(C) 在特定点或感兴趣区域提取光谱（图7 中的 4）。
   1. 若需获取图像的光谱分布，可使用 Crop and Bin 功能提高图像的信噪比。操作方法为：点击顶部菜单中的 Processing，然后选择 Data，再选择 Crop and Bin 选项。
   2. 若需获取发射强度剖面，在数据立方体图像上右键点击，并根据需要分析的是单个点（Target — 图7 中的 5 和 6）还是一条线（Profile — 图7 中的 7 和 8），选择 Create Target or Create X profile 或 Create Y profile。通过拖动目标、水平线或垂直线剖面，使用光标将其移动至数据立方体上的分析区域。
      1. 正确选定剖面后，在该区域右键点击并选择 Add Target to Graph。选择创建新图表的选项，以显示发射强度（y 轴）随目标物理位置（x 轴）的变化关系。所得光谱将显示在新插入的图表中（图7 中的 6 和 7）。
         注：可创建多个目标，它们将以不同颜色的发射剖面显示（图7 中的 5 和 6）。
   3. 或者，获取样品特定区域的发射光谱（图7 中的 9）。首先，将光标悬停在数据立方体图像上并右键点击。在弹出的选项卡中点击 Rectangle Selection or Ellipse Selection。
      1. 通过在数据立方体上点击并拖动光标，在目标区域绘制选定形状（例如矩形）。正确选定区域后，在该区域右键点击并选择 Add Selection to Graph。
      2. 在弹出的 Add to Graph 窗口中，选择 Create a New Graph 以显示目标的发射光谱，然后点击 OK。
         注：一条新的彩色曲线（图7 中的 8）将出现在图表中，显示目标的发射光谱，其中 y 轴为发射强度，x 轴为波长。该光谱对应于所选区域在每个波长下的平均强度。
4. 获得光谱后，在选择新区域前应先保存当前光谱，因为每次只能选择一个区域。操作方法为：选中包含图表的窗口，在 File 菜单中选择 Save as，然后选择保存路径和文件名，可保存为 .h5 格式（可在 PHySpec 软件中打开）或 .csv 格式（可导入 Excel）。

结果

为说明高光谱显微镜在镧系分子单晶（即[TbEu(bpm)(tfaa)）上进行数据采集的配置₆], 图1a), 图2 展示了系统的整体概览以及光学立方体在装置中的正确放置位置。 图3 显示PHySpec软件的截图，其中包含高光谱成像采集过程中使用的菜单。 图4 和 图5 更详细地展示显微镜载物台，包括放置待分析样品的载玻片位置。开启选定的紫外照明，以显示晶体可见的红色发光现象。图 4a 和 1 在 图5). 图6a 显示了调整样品至合适焦距后记录的晶体明场图像。晶体的针状形态清晰可见。 图6

讨论

本文所述的高光谱成像方案提供了一种简便的方法，可获取样品特定位置的光谱信息。利用所述装置，空间分辨率（x 和 y 方向的映射）可达到 0.5 µm，而光谱分辨率在可见光范围内可达 0.2 nm，在近红外（NIR）范围内可达 0.6 nm。

为了对单晶进行高光谱成像，样品制备过程十分简便：只需将晶体置于玻璃载玻片上，必要时加盖盖玻片即可。在分析前阶段，使用合适的物镜并通过软件中彩色相机的明场图像对样品进行聚焦，是获得最佳分辨率高光谱图像的关键步骤。通常情况下，当样品聚焦良好时，可获得更高的发射强度。完成聚焦后，分析参数的选择，如 x 和 y 方向的像素计数及步长，将分别决定所获得高光谱数据立方体的视场范围和空间采样密度。然而，在每个采集点所探测的样品实际体积，则由物镜的数值孔径以及激发/发射波长共同决定。例如，在本研究中使用的物镜数值孔径（NA）为 0.4，采用紫外光谱范围（390 nm）激发时，聚焦激光光斑在 x 和 y 方向的尺寸约为 0.6 × 0.6 µm。该激光光斑尺...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
显微镜载玻片	FisherBrand	12-550-15	用于样品制备的玻璃载玻片
可见光与近红外高光谱共聚焦成像仪	PhotonETC		用于分析的显微镜，根据用户需求定制构建，因此无目录编号