Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

التصوير الطيفي كأداة لدراسة الأنيزوتروبيا البصرية في البلورات الجزيئية أحادية الأبعاد القائمة على اللانثانيد

Published: April 14, 2020 doi: 10.3791/60826
Automatic Translation
1, 1, 2, 2, 1
1Department of Chemistry and Biomolecular Sciences, University of Ottawa, 2Photon etc

Summary

هنا، نقدم بروتوكولاً للحصول على بيانات التصوير الطيفي الفائق المضيئة وتحليل السمات الأنستروجية البصرية للبلورات المفردة القائمة على اللانثانيد باستخدام نظام التصوير الطيفي الفائق.

Abstract

في هذا العمل، نصف بروتوكول لتطبيق جديد للتصوير الطيفي (HSI) في تحليل lanthanide الإنارة (Ln3 +) القائمة على بلورات واحدة الجزيئية. كمثال تمثيلي، اخترنا بلورة واحدة من مجمع الهتريوديالنووي Ln القائم [tbEu (bpm) (tfaa)6] (bpm = 2،2'-bipyrimidine، tfaa- = 1،1،1-trifluoroacetylacetonatenatenatenate) التي تظهر انبعاثات مرئية مشرقة تحت الإثارة فوق البنفسجية. HSI هو تقنية ناشئة تجمع بين التصوير المكاني ثنائي الأبعاد لبنية الإنارة مع المعلومات الطيفية من كل بكسل من الصورة التي تم الحصول عليها. وعلى وجه التحديد، قدمت الـ HSI على بلورات مفردة من مجمع [السل الأوروبي] معلومات طيفية محلية تكشف عن تباين لكثافة التألومين في نقاط مختلفة على طول البلورات المدروسة. وتعزى هذه التغييرات إلى الأنيزوتروبيا البصرية الموجودة في الكريستال، والتي تنتج عن التعبئة الجزيئية المختلفة من الأيونات Ln3+ في كل واحد من اتجاهات الهيكل البلوري. وHSI المذكورة هنا هو مثال على مدى ملاءمة هذه التقنية للتحقيقات الطيفية المكانية للمواد الجزيئية. ومع ذلك ، الأهم من ذلك ، يمكن تمديد هذا البروتوكول بسهولة لأنواع أخرى من المواد الإنارة (مثل البلورات الجزيئية بحجم ميكرون ، الجسيمات الدقيقة غير العضوية ، الجسيمات النانوية في الأنسجة البيولوجية ، أو الخلايا الموسومة ، من بين أمور أخرى) ، مما يفتح العديد من الاحتمالات لإجراء تحقيق أعمق في العلاقات بين البنية والممتلكات. وفي نهاية المطاف، ستوفر هذه التحقيقات المعرفة التي ينبغي الاستفادة منها في هندسة المواد المتقدمة لمجموعة واسعة من التطبيقات من التصوير البيولوجي إلى التطبيقات التكنولوجية، مثل أدلة الموجات أو الأجهزة الإلكترونية البصرية.

Introduction

التصوير الطيفي الفائق (HSI) هو تقنية تولد خريطة مكانية حيث يحتوي كل إحداثي x-y على معلومات طيفية يمكن أن تستند إلى أي نوع من1التحليل الطيفي، وهي الإضاءة الضوئية والامتصاص والنسخ الطيفية 1،2،3. ونتيجة لذلك، يتم الحصول على مجموعة ثلاثية الأبعاد من البيانات (تسمى أيضاً "المكعب الطيفي") ، حيث تكون إحداثيات x-y هي المحاور المكانية وإحداث z هو المعلومات الطيفية من العينة التي تم تحليلها. ولذلك، فإن المكعب الطيفي يحتوي على معلومات مكانية وطيفية على حد سواء، مما يوفر فحصاً مطيافياً أكثر تفصيلاً للعينة من التحليل الطيفي التقليدي. في حين أن HSI معروف منذ سنوات في مجال الاستشعار عن بعد (على سبيل المثال، الجيولوجيا ، الصناعات الغذائية4)، فقد ظهرت مؤخرًا كتقنية مبتكرة لتوصيف المواد النانوية2أو5 أو المسابير للتطبيقات الطبية الحيوية3،6،7،8. وبصفة عامة، فإنه لا يقتصر على مجال الأشعة فوق البنفسجية/المرئي/القريب من الأشعة تحت الحمراء (NIR) ، ولكن يمكن تمديده أيضًا باستخدام مصادر إشعاعية أخرى ، مثل الأشعة السينية - على سبيل المثال من أجل توصيف التوزيع الأولي في مواد مختلفة9 - أو إشعاع تيراهيرتز ، حيث تم استخدام HSI لإجراء الاستشعار الحراري في الأنسجة البيولوجية8. وعلاوة على ذلك، تم الجمع بين رسم خرائط photoluminescence مع رسم خرائط رامان للتحقيق في الخصائص البصرية لوزارة الزراعة أحادية الطبقات210. ومع ذلك ، من بين التطبيقات المبلغ عنها من HSI البصرية ، لا يزال هناك سوى أمثلة قليلة على HSI من المواد القائمة على اللانثانيد11،12،13،14،15،16،17.13 على سبيل المثال ، يمكننا أن نذكر: الكشف عن السرطان في الأنسجة6، وتحليل عمق اختراق الضوء في الأنسجة البيولوجية7، والتصوير البيولوجي متعدد الأكسات3، وتحليل نقل الطاقة متعددة المكونات في الأنظمة الهجينة11، والتحقيق في التغيرات الناجمة عن التجميع في الخصائص الطيفية للجسيمات النانوية المحولة12. ومن الواضح أن جاذبية الهيئة تنشأ من ملاءمتها لتوليد المعرفة بشأن الإضاءة الخاصة بالبيئة، وتوفير معلومات مكانية وطيفية متزامنة عن المسبار.

الاستفادة من هذه التقنية القوية ونحن هنا وصف بروتوكول للتحقيق في anisotropy البصرية من السل النووي heterodi3+- Eu3 + الكريستال واحد [TbEu (bpm) (tfaa)6](الشكل 1a)13. لوحظ أنيستروبي البصرية الناتجة عن التعبئة الجزيئية المختلفة من الأيونات Ln3 + في الاتجاهات البلورية المختلفة(الشكل 1b)،مما أدى إلى بعض الوجوه البلورية تظهر أكثر إشراقا، والبعض الآخر يظهر photoluminescence باهتة. وأشير إلى أن زيادة كثافة التألواء في وجوه محددة من الكريستال كانت مرتبطة بنقل الطاقة أكثر كفاءة على طول تلك الاتجاهات البلورية حيث Ln3 +··· كانت مسافات3+ أيون أقصر13.

بدافع من هذه النتائج، نقترح إنشاء منهجية مفصلة لتحليل الأنيزوتروبيا البصرية من خلال HSI، وفتح الطريق لفهم أفضل لعمليات نقل الطاقة أيون أيون والخصائص الإنارة tunable النابعة من ترتيب جزيئي محدد18،19. وقد تم الاعتراف بهذه العلاقات بين الهيكل والخصائص كجوانب مهمة لتصميم المواد البصرية المبتكرة بما في ذلك، على سبيل المثال لا الحصر، أنظمة الموجات وأجهزة التخزين المغناطيسية البصرية على النانو والميكروscale - معالجة الطلب على أنظمة بصرية أكثر كفاءة وتصغيرًا20.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

تنبيه: من المستحسن استخدام نظارات السلامة المحددة لطول موجة الإثارة المستخدمة في جميع الأوقات عند تشغيل الصور.

1. تكوين المجهر الطيفي

ملاحظة: يتم إعطاء نظرة عامة على نظام التصوير الطيفي الفائق في الشكل 2أ، مع وصف المكونات الرئيسية للصور. يمكن استخدام نظام التصوير للكشف عن انبعاث الأشعة تحت الحمراء المرئي أو القريب (NIR) من العينة. اعتمادا على الكشف المطلوب (مرئية أو NIR)، والضوء يمر عبر مسارين ضوء مختلفة(الشكل 2e). يجب وضع مزيج من مكعبات تحول شعاع مختلفة ومكعبات تصفية dichroic (مكعبات بصرية) في مواقف محددة في الصك لتحديد المسار المعني.

  1. الطاقة على الكمبيوتر المتصل بنظام التصوير. قم بتشغيل جهاز عرض الكمبيوتر.
  2. تعيين تكوين المكعب البصري المناسب(الشكل 2ب، ج).
    ملاحظة: هنا، يتم وصف تكوين الصور(تكوين المكعب البصري)لرسم خرائط HSI باستخدام الإثارة بالأشعة فوق البنفسجية والكشف المرئي عن الانبعاثات. ومع ذلك، من الممكن أيضًا تغييره لإثارة NIR والكشف المرئي أو الانبعاثات NIR، اعتمادًا على العينة التي تم تحليلها. راجع القسم نتائج تمثيلية للحصول على مثال.
    1. بدءا من مرحلة المجهر (1 في الشكل 2أ)وبعد مسار شعاع الانبعاثات نحو أجهزة الكشف (3 في الشكل 2أ)،وترك الموقف الأول لمكعب بصري (4 في الشكل 2ب)شاغرة ووضع مكعب المجهر البصري (DFM1-P01) في الموضع المشار إلى 5 في الشكل 2ب،بحيث يتم توجيه الانبعاثات من العينة من خلال مسار الضوء المرئي.
    2. بالنظر إلى المسار البصري نحو الكاشف ، ضع المكعب البصري المرئي (CM1-P01) ، والذي يحتوي على المرآة الدامقطعة والفلاتر لتوجيه الانبعاثات المرئية إلى مسارات الكشف ، في الموضع المشار إليه باسم 6 في الشكل 2ب.
    3. مواصلة المسار نحو كاشف، ضع المكعب البصري ثقب بؤرة (DFM1-P01) في الموضع المشار إليه باسم 7 في الشكل 2b لتوجيه الضوء من خلال مسار الكشف عن الضوء المرئي. ثم، بعد المسار، ضع المكعب البصري مطياف المطياف البؤري (DFM1-P01) في الموضع 8 في الشكل 2c بحيث يصل الضوء المنبعث إلى الكاشف.
    4. لرسم الخرائط HSI، والتحكم يدويا فتحة كاشف فتحة (9 في الشكل 2c)من أجل المباراة مع حجم الثقوب التي يتم استخدامها (حوالي 50 ملم هو الأمثل).
    5. في برنامج PHySpec ، اختر فتحة الثقب (5 في الشكل 3).
      ملاحظة: كلما كانت فتحة الثقب أصغر، كلما كان ذلك أفضل هو دقة HSI، على حساب كثافة الإشارة.
  3. قم بتشغيل مصباح النطاق العريض(الشكل 2D، inset) عن طريق وضع المفتاح (10 في الشكل 2D)في موضع ON. للتحكم في شدة ضوء الإثارة، قم بتشغيل المقبض المشار إليه من قبل 11(الشكل 2D)إلى أعلى (32 - أقل كثافة) أو قيم أقل (1 - أعلى كثافة). الحفاظ على مصراع مصباح النطاق العريض (12 في الشكل 2D)مغلقة أثناء الإعداد.
    ملاحظة: تتوافق القيم الأعلى مع التوهين الأعلى لكثافة الطاقة المنبعثة من المصباح، بينما تتوافق القيم المنخفضة مع التوهين المنخفض.
  4. قم بتشغيل الأجهزة التالية بالترتيب الوارد أدناه عن طريق تعيين مفاتيح التبديل الخاصة بها في موضع ON:
    1. قم بتشغيل وحدة تحكم حركة ThorLabs.
    2. بدوره على مصدر الطاقة نيكون.
    3. قم بتشغيل وحدة تحكم ASI.
    4. قم بتشغيل وحدة تحكم Galvo.
    5. قم بتشغيل كاشف ProEm.
    6. قم بتشغيل كاشف Bayspec.
  5. في الكمبيوتر، افتح برنامج PHySpec بالنقر المزدوج على رمزه.
    1. اضغط على مفتاح F8 على لوحة المفاتيح من أجل تهيئة نظام IMA Upconversion وانقر على زر موافق على نافذة الاتصال بالنظام.
      ملاحظة: الخطوة 1.5.1. يمكن أيضًا تنفيذذلك بالنقر على علامة التبويب النظام ثم النقر على الاتصال للوصول إلى نافذة الاتصال بالنظام. بعد ذلك، يمكن النقر على زر موافق لتوصيل نظام التصوير إلى البرنامج.
    2. تأكد من أن جميع القوائم تظهر على واجهة(كاميرا ملونة، ProEm و Bayspec)، وكذلك لوحة التحكم في الأجهزة ، على الجانب الأيسر من الشاشة ، كما هو موضح في الشكل 3.

2. التصوير الطيفي الفائق ل [tbEu (bpm) (tfaa)6] الكريستال واحد

  1. من أجل إعداد العينة، ضع الكريستال على شريحة زجاجية مجهرية. في حال كانت هناك حاجة إلى استخدام التكبير العالي ، قم بتغطية البلورة بزجاج غطاء رقيق وتأمينه بالشريط ، بحيث يمكن وضع العينة مع زجاج الغطاء الرقيق الذي يواجه العدسة الموضوعية.
  2. ضع الشريحة الزجاجية التي تم إعداد العينة عليها على خشبة المجهر وقم بتأمينها باستخدام الأسلحة المعدنية(الشكل 4أ، ب).
  3. نقل العينة باستخدام عصا التحكم(الشكل 4c)من وحدة تحكم ASI من أجل وضع العينة على الأهداف في الاستخدام.
  4. وضع يدويا مكعب مرشح الحق في عجلة تحت الأهداف (3 في الشكل 5)لتحديد الإثارة الأشعة فوق البنفسجية من المصباح والسماح لتمرير الانبعاثات المرئية نحو كاشف.
    ملاحظة: تتوفر مكعبات فلتر إضافية لاستخدام الإثارة الخفيفة الخضراء أو الزرقاء، وبالتالي، وجود مكعب مرشح الحق في مكان مهم لالطول الموجي الإثارة المناسبة.
  5. ضع هدف 20X يدويًا (المشار إليه بـ 5 في الشكل 5)تحت العينة واضغط على الزر الأبيض (6 في الشكل 5)على الجانب الأيسر من المجهر لتشغيل الضوء الأبيض.
    1. ضبط السطوع عن طريق تحويل مقبض الباب تحت زر طاقة الضوء الأبيض (7 في الشكل 5).
  6. في برنامج PHySpec، اضغط على زر التشغيل (الفيديو) على نافذة الكاميرا الملونة، مما سيؤدي إلى الحصول على فحص مباشر.
    1. إذا كانت نافذة الكاميرا الملونة تعرض صورة سوداء، فقم بزيادة وقت التعرض (2 في الشكل 3)و/أو قيمة الكسب (3 في الشكل 3)الموجودة في لوحة التحكم في الأجهزة، تحت علامة التبويب كاميرا اللون. إذا كانت الصورة التي تم عرضها ساطعة جدًا، فتقليل وقت التعرض و/أو اكتساب القيمة.
    2. تأكد من أن مقبض الباب الأمامي على الجانب الأيمن من المجهر (2 في الشكل 5)يتم تعيينه إلى R من أجل إرسال 20٪ من الإشارة إلى الكاميرا / المناظير و 80٪ من الإشارة إلى جهاز الكشف.
  7. التركيز على العينة عن طريق ضبط المسافة بين الهدف والمرحلة(الشكل 4ب). ويتم ذلك عن طريق تحويل المقابض الموضحة في الشكل 4D على الجانب الأيمن من المجهر.
    ملاحظة: يتم استخدام مقبض أكبر للتعديلات الخشنة، في حين أن مقبض أصغر هو لتغييرات التركيز أكثر حساسية وصغيرة.
  8. تأكد من تحديد الهدف الذي تم اختياره يدويًا أيضًا في البرنامج. أولاً، انقر على زر العرض في شريط القائمة العلوي ثم انقر فوق شريط مقياس عرض/إخفاء لعرض شريط المقياس على الصورة (1 في الشكل 3). ثم انتقل إلى علامة التبويب Galvanometer في لوحة التحكم التعليمات وحدد الهدف المستخدم (4 في الشكل 3). تأكد من صحة شريط المقياس المعروض عن طريق تحديد الهدف الصحيح في البرنامج.
  9. في البرنامج، حدد كاشف المناسبة عن طريق الذهاب إلى علامة التبويب Diverter (ProEM – 6 في الشكل 3)وصر عن طريق الذهاب إلى تصفية علامة التبويب (1200 غرام / مم في حالة ProEM – 7 في الشكل 3)تحت علامة التبويب SpectraPro SP-2300 .
  10. فتح مصراع مصباح واسع النطاق (12 في الشكل 2)للسماح للإثارة الأشعة فوق البنفسجية من العينة أن تحدث. بدوره مقبض كثافة (11 في الشكل 2D)إلى الموقف المطلوب (على سبيل المثال، 8 - كثافة وسيطة) للسيطرة على كثافة مصباح النطاق العريض (الأشعة فوق البنفسجية) الإثارة.
    1. للاختيار بين إضاءة المجال واسعة (فتحة مفتوحة) أو أصغر بقعة الإضاءة (فتحة أكثر مغلقة)، والسيطرة على حجم فتحة حقل مصباح الأشعة فوق البنفسجية باستخدام العصا والمقابض هو مبين في 4 في الشكل 5.
  11. تحت علامة التبويب SpectraPro SP-2300، حدد الطول الموجي لمراقبة انبعاث العينة.
  12. إذا كانت أطوال الموجات الانبعاثات للعينة غير معروفة، فاكتسب طيف انبعاثات.
    1. في المنظم، انقر على علامة + لإضافة تسلسل جديد ("عقدة") للحصول على طيف الانبعاثات.
      1. انقر على مطياف ثم اكتساب الطيف (مع المسح الطيفي).
      2. إدخال الحد الأدنى الطول الموجي (أي 400 نانومتر) والطول الموجي الأقصى (أي 700 نانومتر) وانقر فوق موافق لتحديد النطاق الطيفي الذي سيتم تسجيل الطيف فيه.
      3. اختر وقت التعرض الكافي في القائمة الجانبية اليسرى للبرنامج. اختر أوقاتًا أقصر (على سبيل المثال، 0.1 ث) للعينات الساطعة جدًا والأوقات الأطول (على سبيل المثال، 2 s) للانبعاثات الخافتة.
      4. ضبط قوة الإثارة في حالة إثارة مصباح النطاق العريض (UV) (انظر الخطوة 1.3 أعلاه).
        ملاحظة: في حالة الإثارة الثنائية NIR، يمكن تعديلها من القائمة المنسدلة الكثافة المحايدة في الجانب الأيسر من برنامج PHySpec.
    2. على المنظم، انقر على زر التشغيل المزدوج لتشغيل التسلسل بأكمله. وبمجرد عرض الطيف، لاحظ المناطق ذات الاهتمام بالكشف عن انبعاثات العينة(على سبيل المثال 580 إلى 640 نانومتر في حالة السل3+- والعينات المستندة إلى3+من الاتحاد الأوروبي).
    3. حسب الحاجة، قم بتحسين اكتشاف الإشارة إما عن طريق تغيير تركيز العينة أو عن طريق ضبط وقت التعرض في برنامج PHySpec. تحقيق المزيد من التحسين للكشف عن الإشارة من خلال زيادة كثافة انبعاثات العينة عن طريق تغيير قوة مصدر الإثارة (مصباح النطاق العريض)، على النحو المبين أعلاه.
  13. ضبط وقت التعرض (على سبيل المثال، 0.5 s - 2 في الشكل 3) وكسب (3 في الشكل 3)من كاميرا اللون وفقا لذلك، للحصول على صورة ذات نوعية جيدة. إذا لزم الأمر، قم بإضافة شريط المقياس إلى الصورة بالنقر على زر إظهار/إخفاء شريط المقياس في الصف الثاني من القائمة في أعلى نافذة برنامج PHySpec.
  14. توصية: قبل الحصول على المكعب hyperspectral، تسجيل صورة المجهر البصري حقل مشرق من الكريستال تحت الضوء الأبيض(الشكل 6a)و / أو الأشعة فوق البنفسجية كاملة(الشكل 6ب)أو محصورة(الشكل 6c)الإضاءة (الإضاءة فوق البنفسجية التي تسيطر عليها فتحة مصراع الكاميرا، كما هو مبين كما 4 في الشكل 5). للقيام بذلك، مع العينة في التركيز، انقر على زر التشغيل من الكاميرا الملونة.
  15. انقر على ملف ثم تصدير عرض نافذة،واختيار الشكل المطلوب لتصدير الصورة التي تم الحصول عليها، وحفظ الملف مع التمديد المطلوب (.h5، . JPEG).
  16. قبل الحصول على الصورة الفائقة الطيفية، قم بإيقاف إضاءة الضوء الأبيض بالإضافة إلى ضوء الغرفة.
  17. للحصول على المكعب الطيفي الفائق، اكتب تسلسلًا جديدًا. لذلك، في المنظم، انقر على علامة + لإضافة عقدة جديدة.
    1. انقر على الصور Confocal.
      1. انقر على اكتساب متعدد الطيف. هنا، يتم تعريف مجال الرؤية المطلوب من خلال عدد النقاط التي يجب الحصول عليها في الاتجاهات x و y وحجم الخطوة. على سبيل المثال، استخدم 100 نقطة في x و 100 نقطة في y بحجم خطوة 5 ميكرون للحصول على صورة 500 في 500 ميكرومتر.
        ملاحظة: سيؤثر العدد الإجمالي لنقاط الاستحواذ ووقت التكامل في كل نقطة بشكل مباشر على إجمالي وقت احتياز المكعب فائق الطيف.
        1. إدخال الموضع X المطلوب (على سبيل المثال، 100) و موضع Y (على سبيل المثال، 100) يحسب بالإضافة إلى حجم الخطوة المطلوب (على سبيل المثال، 5 ميكرومتر). حدد خيار الأجهزة لمزامنة الكاميرا، لتعيين الانبعاثات المرئية (وخيار البرنامج في حالة اكتشاف NIR). انقر فوق موافق.
  18. في المنظم، انقر على خط اكتساب متعدد الطيف المضافة حديثًا لتسليط الضوء على العقدة.
  19. انقر فوق زر التشغيل لتشغيل العقدة المحددة.
    ملاحظة: سيظهر الوقت المتبقي الذي سيستغرقه الاستحواذ بجوار العقدة (بالدقائق، على سبيل المثال، 28 دقيقة).
  20. بمجرد اكتمال عملية الاستحواذ، احفظ المكعب الطيفي في تنسيق الملف المناسب (.h5).

3- تحليل البيانات الطيفية الفائقة

  1. مباشرة بعد الاستحواذ، إذا لم يتم فتح المكعب فائق الطيف المحفوظة تلقائيًا في البرنامج، فاستعد المكعب فائق الطيف، الذي تم حفظه كملف .h5، من خلال النقر على الملف في شريط القائمة العلوي ثم تمرير المؤشر والنقر على فتح الملف.... عندما تكون النافذة بعنوان تحديد البيانات (البيانات) لفتح الملوثات العضوية الثابتة، اختر المجلد الذي يتم فيه حفظ ملف .h5 وانقر نقرًا مزدوجًا على الملف لفتحه.
  2. بمجرد استيراد ملف المكعب الطيفي الفائق، قم بتعديل صورة المكعب الطيفي المعروضلإظهار شدة الطول الموجي الطيفي المحدد عن طريق تحريك الشريط في أعلى صورة المكعب إلى اليسار (الطول الموجي السفلي، على سبيل المثال، 580 نانومتر) أو اليمين (الطول الموجي العالي، على سبيل المثال، 638 نانومتر).
    ملاحظة: يتم عرض الطول الموجي المحدد في الجانب الأيسر من هذا الشريط العلوي (1 في الشكل 7).
  3. بعد اختيار الطول الموجي للاهتمام للتحليل(على سبيل المثال، الحد الأقصى للكثافة ، الذي في حالة [tbEu (bpm) (tfaa)6] هو 613.26 نانومتر) ، وجعل واحد (أو كل) من الأنواع الثلاثة الممكنة من التحليل الطيفي: (أ) التوزيع الطيفي في شكل صورة (2 في الشكل 7) ؛ (أ) التوزيع الطيفي في شكل صورة (2 في الشكل 7) ؛ (أ) التوزيع الطيفي في شكل صورة (2 في الشكل 7)؛ (أ) التوزيع الطيفي في شكل صورة (2 في الشكل 7)؛ (أ) التوزيع الطيفي في شكل صورة (2 في الشكل 7)؛ (أ) التوزيع الطيفي في شكل صورة (2 في الشكل 7)؛ (أ) التوزيع الطيفي في شكل صورة (2 في الشكل 7)؛ (ج) التوزيع الطيفي في شكل صورة (2 في الشكل 7)؛ (ج) التوزيع الطيفي في شكل صورة (2 في الشكل 7)؛ (أ) التوزيع الطيفي في شكل صورة (2 في الشكل 7)؛ (أ) التوزيع الطيفي في شكل صورة (2 في الشكل 7)؛ (ج) التوزيع الطيفي في شكل صورة (2 في الشكل 7)؛(ج (ب) صورة لكثافة الانبعاثات في منطقة ذات أهمية (3 في الشكل 7)؛ (ج) استخراج طيف في نقطة أو منطقة محددة ذات أهمية (4 في الشكل 7).
    1. في حالة التوزيع الطيفي من الصورة، استخدم وظيفة Crop و Bin لزيادة نسبة الإشارة إلى الضوضاء في الصورة. من أجل القيام بذلك، انقر في معالجة القائمة العليا ثم اختر البيانات ومن ثم الخيار المحاصيل وبن.
    2. للحصول على ملف تعريف كثافة الانبعاثات ، على صورة المكعب ، انقر فوق الحق وحدد إنشاء الهدف أو إنشاء ملف تعريف X أو إنشاء ملف تعريف Y اعتمادًا على أنه يجب تحليل نقطة واحدة فقط (الهدف - 5 و 6 في الشكل 7)أو خط (الملف الشخصي - 7 و 8 في الشكل 7). حدد منطقة التحليل عن طريق سحب الهدف أو أفقي أو ملف تعريف الخط الرأسي مع المؤشر وتحريكه عبر المكعب.
      1. بمجرد تحديد الملف الشخصي بشكل صحيح، انقر على المنطقة وحدد إضافة هدف إلى الرسم البياني. اختار خيار إنشاء رسم بياني جديد لعرض كثافة الانبعاثات (محورص) كدالة للموقف الفعلي للهدف (محورx). سيظهر الطيف على الرسم البياني الجديد الذي تم إدراجه (6 و 7 في الشكل 7).
        ملاحظة: يمكن إنشاء أهداف متعددة، وستظهر هذه الملفات الشخصية للانبعاثات الملونة المختلفة (5 و6 في الشكل 7).
    3. وبدلاً من ذلك، احصل على طيف انبعاثات من منطقة معينة من العينة (9 في الشكل 7). بادئ ذي بدء ، تحوم المؤشر فوق صورة المكعب وانقر على حق. انقر على خيارات تحديد المستطيل أو تحديد القطع الناقص في علامة التبويب التي تنبثق.
      1. رسم شكل التحديد (على سبيل المثال، مستطيل) على المنطقة المطلوبة عن طريق النقر فوق المؤشر وسحبه عبر المكعب. بمجرد اختيار المنطقة بشكل صحيح، انقر على المنطقة وحدد إضافة التحديد إلى الرسم البياني.
      2. في النافذة التي تظهر إضافة إلى الرسم البياني، حدد إنشاء رسم بياني جديد لعرض أطياف الانبعاثات من الهدف وانقر فوق موافق.
        ملاحظة: سيظهر خط ملون جديد (8 في الشكل 7)على الرسم البياني الذي تظهر فيه الانبعاثات المستهدفة، مع كثافة الانبعاثات كمحور ص والطول الموجي عند محور س. ويتوافق هذا الطيف مع متوسط كثافة المنطقة المختارة لكل طول موجي.
  4. بمجرد الحصول على الطيف، احفظه قبل اختيار منطقة جديدة لأنه يمكن اختيار منطقة واحدة فقط في كل مرة. للقيام بذلك، حدد الإطار الذي يحتوي على الرسم البياني. في قائمة الملفات، حدد حفظ كـ واختيار حفظ الرسم البياني في المجلد المفضل، باستخدام اسم الاختيار، إما بتنسيق .h5، والذي يمكن فتحه في برنامج PHySpec، أو بتنسيق .csv، والذي يمكن استيراده في Excel.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

لتوضيح تكوين المجهر الطيفي الفائق للحصول على البيانات على كريستال واحد واحد على أساس Ln (أي TbEu (bpm) (tfaa)6], الشكل 1أ), الشكل 2 يظهر نظرة عامة على النظام وكذلك الموضع الصحيح للمكعبات البصرية في الإعداد. يوضح الشكل 3 لقطة شاشة لبرنامج PHySpec يحتوي على القوائم المستخدمة أثناء الاستحواذ على HSI. ويبين الشكل 4 والشكل 5 مرحلة المجهر بمزيد من التفصيل، بما في ذلك وضع الشريحة الزجاجية التي تحتوي على العينة التي يتعين تحليلها. تم تشغيل الإضاءة فوق البنفسجية المختارة لإظهار الإضاءة الحمراء المرئية للبلورة(الشكل 4a و 1 في الشكل 5). الشكل 6a يظهر صورة حقل مشرق من الكريستال سجلت بعد ضبط العينة في التركيز السليم. يمكن رؤية مورفولوجيا البلور الشبيهة بالإبربوضوح. الشكل 6ب، ج تظهر صورة نفس الكريستال تحت الإثارة الأشعة فوق البنفسجية مع إما عرض كامل(الشكل 6b)أو محصورة محليا(الشكل 6c)الإضاءة. تحت إضاءة الأشعة فوق البنفسجية واسعة، واختلافات سطوع الانبعاثات من وجوه مختلفة من الكريستال مرئية على الفور. يمكن استخدام الإضاءة المحصورة كخيار ، بشكل رئيسي للتحقيق في أي آثار للطاقة أو نقل الضوء في البلورة ، مما قد يؤدي إلى سلوك يشبه الموجي. وفي هذه الحالة، يتم الكشف عن انبعاث قوي في نقطة لا تخضع مباشرة للإثارة. وهذا يشير إلى أن هجرة الطاقة الفعالة تتم من خلال الكريستال13 (5 و 6 في الشكل 7).

من المكعب فائق الطيف المكتسبة، من الممكن كذلك الحصول على التوزيع الطيفي في شكل صورة تمثل الطول الموجي محددة، وملف كثافة الطول الموجي انبعاثات محددة، فضلا عن أطياف الانبعاثات في أي بكسل أو منطقة من المكعب hyperspectral المكتسبة. على سبيل المثال ، تظهر أطياف الانبعاثات الواردة في الشكل 7 (اللوحة 4) نطاقات الانبعاثات الأكثر تميزًا في الاتحاد الأوروبي3 + أيون: يتم تعيين النطاق الملاحظ في 590 نانومتر إلى ثنائي القطب المغناطيسي (MD) 5D0→7F1 انتقال Eu3 +، في حين أن قمم الانبعاثات في المنطقة من 610 إلى 630 نانومتر تنبع من ثنائي البول الكهربائي القسري المفرط الحساسية (ED) 5D0→7F2 Eu3+ ومن المعروف جيدا أن النسبة بين كثافة متكاملة من هذه التحولات اثنين ليكون مسبار ممتاز للبيئة الكيميائية حول Ln3 + أيون في هيكل الكريستال واحد21: انخفاض التماثل حول Ln3 + أيون، وأكبر هو نسبة ED / MD. وهذا يسمح لاستخلاص استنتاجات حول طابع التماثل للبيئة الكيميائية للأيون Ln3+ . وعلاوة على ذلك، فإن تقسيم ستارك من 5D0→7F2 الانتقال يمكن أن ترتبط أيضا مع التماثل حول Ln3 + في بيئتها البلورية – كلما انخفض التماثل، وارتفاع هو عدد من المستويات الفرعية ستارك. في حالة تبلور متعدد الأشكال مثل الإبرة في نظام الكريستال ثلاثي العيادة المتماثلة المنخفضة ، ينقسم انتقال 5D0→7F2 إلى أربع قمم فرعية (الأطياف الموضحة في الشكل 7، اللوحة 4). هذا التحليل جذاب بشكل خاص عند مقارنة الخصائص البصرية للعديد من الأشكال المتعددة للبلورة المضيئة. لقد أثبتنا سابقاً أن المعلومات حول البيئة الكيميائية المستستنتجة من التحليل البصري ترتبط بشكل جيد بالتركيب البلوري الجزيئي الذي تم الحصول عليه بواسطة تحليل الأشعة السينية الكريستالي الواحد13. وعلاوة على ذلك، فإن الملف الطيفي على طول الوجوه البلورية المختلفة الموضحة في الشكل 7 (اللوحة 3)، مما يشير إلى انبعاث أكثر إشراقاً عند الوجهين الجانبيوين، يمكن أن يرتبط أيضاً بـ Ln3+··· 3+ مسافات أيون في الاتجاهات المكانية الثلاثة(الشكل 1ب):التعبئة B 3+ الأكثر كثافة على طول المحاور عمودي على الوجهين الجانبي والطرف، على التوالي، تفضل نقل الطاقة أيون أيون. ومن ثم، لوحظ تعزيز الانبعاثات في الوجوه المعنية، وبالتالي، anisotropy البصرية.

وعموماً، تشكل الخيارات المختلفة لتحليل البيانات، المبينة في الشكل 7 والشكل 8،أهم سمات المعلومات الطيفية والمكانية المجمعة، والتي يمكن استكشافها من خلال تحليل HSI للعينات المضيئة.

Figure 1
الشكل 1: التركيب الجزيئي والترتيب البلوري. (أ)بنية المجمع القائم على الهيروديالنووي Ln [tbEu (bpm) (tfaa)6]،حيث Ln1 و Ln2 هما السل3+ والاتحاد الأوروبي3+ أيون. يتم حذف المجموعات المضطربة وذرات الهيدروجين للوضوح. رمز اللون: Eu: سماوي داكن. جيم: رمادي؛ رمادي؛ رمادي اللون؛ رمادي اللون؛ رمادي اللون O: أحمر; N: الأزرق; F: الجير الأخضر. (ب)تمثيل التعبئة الجزيئية في الكريستال: (1) أعلى عرض و (2) عرض تلميح من بنية الكريستال واحد مثل إبرة مع مختارة بين الجزيئية وداخل الجزيئية Ln··· المسافات Ln (يتم حذف الوحدات الفرعية tfaa وذرات الهيدروجين للوضوح). '3' ترتيب التعبئة بلورية [tbEu (bmp)(tfaa)6]dimers (يتم حذف ذرات الهيدروجين للوضوح). '4' رسم بياني لوجوه نمو الكريستال من dimer الكشف عن أقصر Ln··· Ln المسافات في (0 1 0) و (2-1 1) الاتجاهات البلورية. وقد عُدِّل هذا الرقم من المرجع 13. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2: نظرة عامة على نظام التصوير الطيفي. يظهر هو التكوين المطلوب لرسم خرائط الإنارة في المنطقة الطيفية المرئية باستخدام الإثارة الأشعة فوق البنفسجية. (أ)منظر عام للنظام، حيث 1 هو مرحلة المجهر، 2 هو القسم الذي يحتوي على التكوين البصري، و 3 هو الطيف مع كاشفات مرئية وNIR. (ب)عرض مفتوح للإعداد البصري بالقرب من مرحلة المجهر (الجانب الأيمن من أ) يظهر التكوين البصري للتجربة: يظل موضع المكعب البصري 4 فارغاً ويتم وضع مكعب المجهر البؤري في الموضع 5 من أجل توجيه الضوء عبر المسار المرئي، ويتم وضع المكعب المرئي في الموضع 6 من أجل توجيه الضوء المرئي إلى مسار الكشف، ويتم وضع مكعب الثقب البؤري في الموضع 7 من أجل توجيه الضوء إلى المسار المرئي. (ج)عرض مفتوح للإعداد البصري أقرب إلى أجهزة الكشف (الجانب الأيسر من أ)، مما يدل على الموضع 8،حيث يتم وضع مكعب مطياف المطياف البؤري ليعكس الضوء على الطيف والكاميرا المرئية. يظهر inset 9 المسمار لضبط عرض فتح فتحة الطيف. (د)عرض مرحلة المجهر، الكمبيوتر ومصباح النطاق العريض (تستخدم لإثارة الأشعة فوق البنفسجية) وحدة تحكم. في inset ، يتم عرض وحدة تحكم مصباح النطاق العريض بمزيد من التفصيل: 10 هو زر التشغيل / إيقاف التشغيل ، 11 هو مقبض الباب للتحكم في شدة المصباح ، و 12 هو زر الغالق. (ه)مخطط يبين المسار البصري المرئي/NIR من مرحلة المجهر إلى أجهزة الكشف، بما في ذلك مواضع المكعب البصري من 4 إلى 8. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 3
الشكل 3: لقطة شاشة لبرنامج PHySpec تظهر القائمة مع المعلمات التي سيتم تعديلها لHSI. 1 يسمح بإدراج شريط المقياس في صورة الكاميرا الملونة؛ 2 و 3 السماح للسيطرة على وقت التعرض واكتساب قيمة الكاميرا الملونة، على التوالي؛ يجب اختيار العدسة الهدف الصحيح في 4؛ 5 يسمح اختيار فتحة الثقب ؛ 6 (Diverter) و 7 (تصفية) تسمح لاختيار كاشف وصر، على التوالي؛ يتم تعيين وقت التعرض للكاشف المرئي في 8. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 4
الشكل 4: منظر عام لمرحلة المجهر. (أ)وضع الشريحة الزجاجية التي تحتوي على العينة في المرحلة ، مع إضاءة الأشعة فوق البنفسجية على إظهار الإضاءة الحمراء للعينة (نقطة حمراء صغيرة في وسط الشريحة الزجاجية). (ب)عرض مرحلة المجهر مع مكثف إضاءة الضوء الأبيض على القمة. (ج)وحدة تحكم المرحلة التي تظهر عصا التحكم التي تتحكم في حركة المرحلة في الاتجاهات المشار لها بالأسهم البرتقالية والصفراء (كما هو موضح في (أ). (د)عرض مفصل لزر التركيز، الذي يحرك المرحلة في الاتجاهات المشار إليها بالسهم الأحمر (كما هو موضح في(ب)). يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 5
الشكل 5: مكونات مرحلة المجهر. 1 مرحلة المجهر مع العينة على الشريحة الزجاجية وضعت على مرحلة العينة على رأس العدسات الهدف؛ 2 عجلات لضبط التركيز (عجلة كبيرة) وتوجيه الانبعاثات التي تم التقاطها (عجلة صغيرة) إما فقط إلى كاشف (L)، جزئيا إلى كاشف وجزئيا إلى الكاميرا (R)، أو فقط إلى العدسات المناظير (العين)؛ 3 الإثارة / الانبعاثات مرشحات عجلة تستخدم لاختيار نطاق الطول الموجي الإثارة. التفاصيل على اليمين يظهر مكعب مرشح عقد مرشح الأشعة فوق البنفسجية ومرشح تمرير طويل المستخدمة في هذه التجربة; 4 في أعلى / أسفل تظهر المقابض لتحريك شعاع الإثارة من خلال العينة، في حين في ما بين، والتحكم في فتحة المجال الدائري؛ 5 عدسات موضوعية؛ 6 تشغيل / إيقاف زر الإضاءة الضوء الأبيض؛ 7 مقبض مقبض لضبط سطوع مصباح الضوء الأبيض. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 6
الشكل 6: صور المجهر البصري للبلورة المفردة التي تم تحليلها. تم الحصول على هذه الصور تحت(أ)إضاءة الضوء الأبيض ،(ب)إضاءة الأشعة فوق البنفسجية كاملة العرض ، باستخدام الفتحة الدائرية الإثارة مفتوحة تمامًا ، و(ج)إضاءة الأشعة فوق البنفسجية المحصورة محليًا (التي تميزها الدائرة البيضاء) ، باستخدام فتحة دائرية أقرب الإثارة. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 7
الشكل 7: لقطة شاشة لبرنامج PHySpec الذي يعرض عملية تحليل بيانات المكعب الطيفي. ويمكن تطبيق أساليب تحليل طيفية متنوعة على المكعب الطيفي المكتسب: 1 يبين الطول الموجي الذي تم اختياره لتوزيع الصور الطيفية المبين في 2؛ 1 يبين الطول الموجي الذي تم اختياره لتوزيع الصور الطيفية المبين في 2؛ 1 يبين الطول الموجي الذي تم اختياره لتوزيع الصور الطيفية المبين في 2؛ 1 يبين الطول الموجي الذي تم اختياره لتوزيع الصور الطيفية المبين في 2؛ 1 يظهر الطول الموجي الذي تم اختياره لتوزيع الصور الطيفية المبين في 2؛ 1 يظهر الطول الموجي الذي تم اختياره لتوزيع الصور 3 يظهر 613.26 نانومتر أفقي (7) وعمودي (8) ملامح كثافة؛ 4 يظهر أطياف الانبعاثات المستخرجة من الهدفين 5 و6 وكذلك من المنطقة التي تم تسليط الضوء عليها في 9. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 8
الشكل 8: التطبيق البديل لـ HSI الذي يحقق في التآزر بين تحويل الجسيمات النانوية ومجمعات اللانثانيد. يُظهر هذا المثال التحليل الطيفي للنظام الهجين المكون من بلورات جزيئية ([tb2(bpm) (tfaa)6])إلى جانب الجسيمات النانوية المحولة (NaGdF4:Tm3+و Yb3+). (أ)الصور الضوئية تحت إضاءة الضوء الأبيض والأشعة فوق البنفسجية جنبا إلى جنب مع المنطقة ذات الاهتمام (ROI) المستخدمة للتصوير الطيفي تحت 980 نانومتر تشعيع الضوء. (ب)Tm3+ والسل غير المباشر3+ الانبعاثات رصدها على مساحة 20 × 20 ميكرومتر2. (ج)تقلب تباين الكثافة المطلقة لنطاقات الانبعاثات في جميع أنحاء النظام الهجين مما يشير إلى بعض التباين في الكمية الإجمالية للمواد الموزعة على السطح. (د)ثبات النسبة بين الانبعاثات المتكاملة للمجمع مقابل Tm3+: 1G4→3H6 (مربعات) و Tm3 +: 1G4→3F4 (دوائر) أكدت الوجود المتزامن للمويات في جميع أنحاء النظام الهجين والتفاعل المتجانس بينهما. أشرطة المقياس هي 20 ميكرومتر في الصور الضوئية و 5 ميكرومتر في ROIs والخرائط الطيفية. يتم تقديم الصور الضوئية في الألوان الحقيقية. وقد عُدِّل الشكل من المرجع 11. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

ويوفر بروتوكول التصوير الطيفي الفائق هنا الذي تم وصفه نهجاً مباشراً يسمح بالحصول على معلومات الطيفية في مواقع دقيقة من العينة. وباستخدام الإعداد الموصوف، يمكن أن يصل الاستبانة المكانية(x وy mapping) إلى 0.5 ميكرومتر بينما يمكن أن يكون الاستبانة الطيفية 0.2 نانومتر لرسم الخرائط في النطاق المرئي و0.6 نانومتر لنطاق NIR.

من أجل إجراء رسم خرائط الطيفية على بلورة واحدة ، يتبع إعداد العينة إجراءً سهلًا: يمكن ببساطة وضع البلورة على شريحة مجهرية زجاجية ، مغطاة بزجاج غطاء حسب الحاجة. تركيز العينة باستخدام العدسات الهدف السليم وصورة حقل مشرق في مجموعة الكاميرا الملونة في البرنامج هو خطوة هامة جدا خلال مرحلة ما قبل التحليل للحصول على أفضل حل الصور hyperspectral. وعادة ما يتم الحصول على كثافة انبعاثات أعلى عندما تكون العينة مركزة بشكل جيد. وبمجرد الانتهاء من ذلك، فإن اختيار بارامترات التحليل مثل عدد x و y وحجم الخطوة سوف يملي مجال الرؤية وأخذ العينات المكانية، على التوالي من المكعب فائق الطيف الذي تم الحصول عليه. ومع ذلك، فإن الفتحة العددية للهدف والأطوال الموجية للإثارة/الانبعاثات تملي الحجم الحقيقي للعينة التي يتم فحصها في كل نقطة اقتناء. على سبيل المثال، بالنسبة للهدف المستخدم في هذه الدراسة، مع الفتحة العددية (NA) من 0.4، واستخدام الإثارة في النطاق الطيفي للأشعة فوق البنفسجية (390 نانومتر)، فإن بقعة الليزر المركزة لها حجم حوالي 0.6 × 0.6 ميكرومتر في اتجاه x و y. تم حساب حجم بقعة الليزر باستخدام الموقع (https://www.microscopyu.com/tutorials/imageformation-airyna، تم الوصول إليها في 26 سبتمبر 2019). إذا كان حجم الخطوة المختارة أكبر من أخذ العينات المكانية، فقد يكون المرء في الواقع أخذ عينات من منطقة أصغر من تلك التي يطلقها حجم الخطوة. إذا كانت العينة متجانسة، قد لا يكون الاختزال مشكلة. ومع ذلك، إذا كانت الاختلافات المكانية في العينة مهمة للكشف، يتم الحصول على أخذ العينات الأمثل مع حجم خطوة محددة في نصف حجم شعاع الليزر على العينة. سوف وقت التعرض المختار وكثافة الإضاءة المحددة للأشعة فوق البنفسجية السيطرة على كثافة الأطياف التي تم الحصول عليها. وتختلف هذه البارامترات من عينة إلى أخرى، تبعاً لشدة الانبعاثات والحساسية تجاه إثارة الأشعة فوق البنفسجية.

عند هذه النقطة ، يمكن سرد الخطوات الحرجة داخل البروتوكول على النحو التالي: محاذاة النظام البصري ، والموضع الصحيح للمكعبات البصرية ، وتنظيم الفتحة الدائرية للفتحات الإثارة وكاشف الشق ، واختيار الثقب ، وتركيز العينة في كاميرا اللون باستخدام العدسات الموضوعية المناسبة ، وشدة مصباح النطاق العريض والاختيار الصحيح لمكعب مرشح التمرير الطويل (مما يسمح بالإثارة بالأشعة فوق البنفسجية) ، فضلا عن اختيار حجم الخطوة المناسبة ووقت التعرض كما ذكر أعلاه. وأخيرا، يجب أن تكون أضواء الغرفة قبالة خلال كل وقت من اقتناء المكعب hyperspectral.

في حالة ضعف اكتشاف الإشارة إما مع الكاميرا الملونة أو الطيف ، يجب أن يتضمن استكشاف الأخطاء وإصلاحها فحصًا دقيقًا لكل خطوة من الخطوات الحرجة المذكورة أعلاه ، قبل البدء في اكتساب المكعب الفائق الطيف. تكوين إشارة الإخراج في مرحلة المجهر مهم أيضا. التكوينات الثلاثة المحتملة هي: العين (يتم إرسال 100٪ من إشارة الإخراج إلى جبل منظار المجهر) ، L (يتم إرسال 100 ٪ من إشارة الإخراج إلى أجهزة الكشف) و R (يتم إرسال 80 ٪ من إشارة الإخراج إلى أجهزة الكشف و 20 ٪ إلى جبل منظار المجهر). أثناء اكتساب المكعب الطيفي، يجب استخدام تكوين R أو L. إذا تم اختيار جميع المعلمات المذكورة أعلاه بشكل صحيح، يمكن الحصول على معلومات مكانية وطيفية عالية الاستبانة للعينة.

يمكن تجسيد بعض التعديلات الممكنة للتقنية الموصوفة هنا من خلال التصوير الطيفي الفائق لأنظمة أخرى ، مثل الجسيمات الدقيقة المضيئة14 أو الأنظمة الهجينة البصرية المكونة من بلورات جزيئية مقترنة بالجسيمات النانوية المحولة(الشكل 8)11. وفي هذه الأمثلة، استُخدم الصمام الثنائي الليزري NIR (980 نانومتر) كمصدر للإثارة، ليحل محل الإثارة بالأشعة فوق البنفسجية، مع الكشف عن الانبعاثات المرئية المتولدة. في المثال الأخير للنظام الهجين، كشفت HSI عن تجانس الأفلام الهجينة التي تجمع بين تحويل الجسيمات النانوية (NaGdF4:Tm3+، Yb 3+)و [Tb2(bpm) (tfaa)6] بلورات في نظام متساوي المدى متعدد الأطوال الموجية، مما يعرض نقل الطاقة بين المواد والجزيئات(الشكل 8)11. وعلاوة على ذلك، يصبح من الممكن الكشف عن الانبعاثات في المنطقة الطيفية للنير الوطني (1000 إلى 1700 نانومتر) باستخدام كاشف النظام التابع للهيئة الوطنية للبحوث النووية. هذا هو ذات أهمية خاصة عند السعي للتحقيق في التحقيق في التحقيق في التحقيقات البصرية القائمة على NIR للتطبيقات الطبية الحيوية3. في هذه الحالة، يجب تعيين تكوين المكعبات البصرية للنظام(الشكل 2e)لمسار NIR. وفي حالة انبعاث الإثارة -NIR، يتضح أحد أوجه القصور في التقنية الفائقة الطيفية الموصوفة هنا: فالاستبانة الطيفية في منطقة NIR، على أنها تعتمد على الطول الموجي، تكون أقل من الاستبانة الطيفية في منطقة NIR للكشف المرئي، أي حوالي 0.6 نانومتر(مقابل 0.2 نانومتر). وعلاوة على ذلك، بالنسبة لخصائص المتر الفرعي ة 1 ميكرومتر، في البلورات الجزيئية الصغيرة، أو الجسيمات النانوية أو النظم الهجينة، يصبح الاستبانة المكانية، التي يمليها تكوين النظام (الأهداف المستخدمة والأطوال الموجية/الانبعاثات)، قيداً محتملاً آخر.

وأخيراً ، (بغض النظر عن تكوين HSI المختار ونظام الطول الموجي) يمكن معالجة البيانات إما مع برنامج الأداة أو ، كما هو موضح في حالة الملامح الطيفية ، يمكن تصديرها لتحليلها في حزم برامج أخرى مثل Origin ® أو Microsoft Excel. في مثالنا ، تم الكشف عن الأنيزوتروبيا البصرية للبلورة على الفور في صورة الكاميرا الملونة ، أي من خلال الاختلاف القوي في الكثافة على طول الوجوه البلورية المختلفة. وعلاوة على ذلك، تحت الإثارة الأشعة فوق البنفسجية واسعة، يتم الحصول على كثافات الانبعاثات المختلفة اعتمادا على الوجه الذي يتم تحليلها(الشكل 7). وتتيح إمكانية الحصول على موجز كثافة الانبعاثات في نقاط اهتمام مختلفة عند البلورة (الأهداف الواردة في الشكل 7)دراسة التباين في كثافة الانبعاثات، وإذا كان موجوداً، في شكل طيفي أيضاً. يشكل متعدد الأشكال اليشبه بالكتل في [tbEu (bpm) (tfaa)6]مثالًا حيث أظهر وجهان بلوريان كثافة انبعاثات عالية بنفس القدر وكثافة انبعاثات أقل للثالث13. إنفاق على هذا ، في حالة وجود نظام دون أي anisotropy ، فإن كثافة الانبعاثات تكون هي نفسها لجميع الوجوه الكريستال.

وتتصل الأساليب التكميلية للتحقيق في الأنستروبي البصري، على سبيل المثال، بوجود انبعاثات مستقطبة من عينة. وتشمل هذه الذاكرة الاستقطاب أو مبضع المنظار. الأول يتكون في العلاقة بين حالة الاستقطاب من الضوء المنبعث من المادة مع حالة الاستقطاب من ضوء إثارة الحادث,22,23 في حين أن هذا الأخير يقيس التغيير في حالة الاستقطاب من الضوء بعد أن تنعكس بشكل غير مباشر من قبل فيلم عينة رقيقة24. ومع ذلك ، فإن ميزة استخدام التصوير الطيفي كأداة للسبر الأنستروجي البصري ، كما هو مبين هنا ، تأتي مع حقيقة أن وجود الاستقطاب ليس شرطًا لتحليل العينة. وعلاوة على ذلك، فإن إعداد العينة لا يتطلب تصنيع الأفلام الرقيقة، ولا التوجه الدقيق جدا للبلورة فيما يتعلق بالحادث ة والضوء الذي تم جمعه. هذه الجوانب تجعل تقنية HSI قابلة للتطبيق على نطاق أوسع. وعلاوة على ذلك، يتم تصور الميزات المنسوتروبية على الفور عند الحصول على الصورة، وتحليل البيانات واضحة (كما هو موضح أعلاه).

وبالنظر إلى نطاق أوسع، يمكن أن تعزى أهمية تقنية تكنولوجيا الصحة الاستراتيجية إلى خاصية فريدة من نوعها لمراعاة الإشارة البصرية ذات السمات المعتمدة على البيئة. على سبيل المثال ، مثل هذا الاتصال ضروري لتحسين فهم التفاعلات نانو الحيوي3،15،16 في مجال زراعة الطب النانوي أو حتى لفهم العلاقة بين الهيكل والخصائص في علوم المواد10،11،12،13. على هذا النحو ، يمكن تسمية التطبيقات المحتملة المستقبلية للتقنية الموصوفة هنا على أنها ، ولكن لا تقتصر على: تحليل العينات البيولوجية في المختبر، على سبيل المثال vivo وفي حالة فحي إجراء رسم خرائط الجزيئات ذات الفائدة البيولوجية4،6، والتكيف مع مرحلة المجهر لدراسة خصائص opto الإلكترونية الخاصة بالبيئة(على سبيل المثال العينات المضمنة في الدوائر الكهربائية) ، درجة الحرارة البصرية الاستشعار8،15 (عن طريق إضافة وحدة تحكم درجة الحرارة إلى مرحلة المجهر) أو استشعار الغاز (عن طريق تكييف غرفة الغاز لمرحلة المجهر). وقد ثبت كذلك HSI بأنها مناسبة لتقنيات إثارة الفلورسين بدلا من الانبعاثات الفلورية25. مثال جيد على استخدام هذا التكيف تقنية الطيف الفائق خاصة هو الكشف عن الخلايا السرطانية في الأنسجة البيولوجية6. وبالتالي، فإن البروتوكول الموصوف هنا يمكن أن يمتد إلى حد كبير ليشمل دراسة السمات الطيفية للعديد من الأنواع المختلفة من الهياكل المضيئة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

وليس لدى أصحاب البلاغ ما يكشفون عنه. وليس لدى أصحاب البلاغ مصالح مالية متنافسة.

Acknowledgments

يشكر المؤلفون السيد ديلان إررولات والبروفيسور مورالي موروغيسو من قسم الكيمياء والعلوم الجزيئية الحيوية في جامعة أوتاوا على توفير [TBEu (bpm) (tfaa)6] بلورات واحدة. E.M.R، N.R. و E.H. نقدر بامتنان الدعم المالي المقدم من جامعة أوتاوا، والمؤسسة الكندية للابتكار (CFI)، ومجلس العلوم الطبيعية والبحوث الهندسية كندا (NSERC).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Microscope glass slides FisherBrand 12-550-15 Glass slides used for sample preparation
Visible and Near Infrared Hyperspectral Confocal Imager PhotonETC Microscope used for the analysis, builted according to the user needs, therefore it is no catalog number

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. ElMasry, G., Sun, D. W. Principles of Hyperspectral Imaging Technology. Hyperspectral Imaging for Food Quality Analysis and Control. , 3-43 (2010).
  2. Dong, X., Jakobi, M., Wang, S., Köhler, M. H., Zhang, X., Koch, A. W. A review of hyperspectral imaging for nanoscale materials research. Applied Spectroscopy Reviews. 54 (4), 285-305 (2019).
  3. Yakovliev, A., et al. Hyperspectral Multiplexed Biological Imaging of Nanoprobes Emitting in the Short-Wave Infrared Region. Nanoscale Research Letters. 14 (243), 1-11 (2019).
  4. Cheng, W., Sun, D. W., Pu, H., Wei, Q. Heterospectral two-dimensional correlation analysis with near-infrared hyperspectral imaging for monitoring oxidative damage of pork myofibrils during frozen storage. Food Chemistry. 248, 119-127 (2018).
  5. Liu, Y., Liu, L., He, Y., Zhu, L., Ma, H. Decoding of quantum dots encoded microbeads using a hyperspectral fluorescence imaging method. Analytical Chemistry. 87 (10), 5286-5293 (2015).
  6. Leavesley, S. J., et al. Colorectal cancer detection by hyperspectral imaging using fluorescence excitation scanning. Optical Biopsy XVI: Toward Real-Time Spectroscopic Imaging and Diagnosis. 10489, (2018).
  7. Zhang, H., Salo, D., Kim, D. M., Komarov, S., Tai, Y. -C., Berezin, M. Y. Penetration depth of photons in biological tissues from hyperspectral imaging in shortwave infrared in transmission and reflection geometries. Journal of Biomedical Optics. 21 (12), 126006 (2016).
  8. Naccache, R., et al. Terahertz Thermometry: Combining Hyperspectral Imaging and Temperature Mapping at Terahertz Frequencies. Laser and Photonics Reviews. 11 (5), 1-9 (2017).
  9. Jacques, S. D. M., Egan, C. K., Wilson, M. D., Veale, M. C., Seller, P., Cernik, R. J. A laboratory system for element specific hyperspectral X-ray imaging. Analyst. 138 (3), 755-759 (2013).
  10. Birmingham, B., et al. Probing the Effect of Chemical Dopant Phase on Photoluminescence of Monolayer MoS2 Using in Situ Raman Microspectroscopy. Journal of Physical Chemistry C. 123 (25), 15738-15743 (2019).
  11. Marin, R., et al. Harnessing the Synergy between Upconverting Nanoparticles and Lanthanide Complexes in a Multiwavelength-Responsive Hybrid System. ACS Photonics. 6 (2), 436-445 (2019).
  12. Gonell, F., et al. Aggregation-induced heterogeneities in the emission of upconverting nanoparticles at the submicron scale unfolded by hyperspectral microscopy. Nanoscale Advances. 1, 2537-2545 (2019).
  13. Errulat, D., Gabidullin, B., Murugesu, M., Hemmer, E. Probing Optical Anisotropy and Polymorph-Dependent Photoluminescence in [Ln2] Complexes by Hyperspectral Imaging on Single Crystals. Chemistry - A European Journal. 24 (40), 10146-10155 (2018).
  14. Panov, N., Marin, R., Hemmer, E. Microwave-Assisted Solvothermal Synthesis of Upconverting and Downshifting Rare-Earth-Doped LiYF4 Microparticles. Inorganic Chemistry. 57 (23), 14920-14929 (2018).
  15. Debasu, M. L., Brites, C. D. S., Balabhadra, S., Oliveira, H., Rocha, J., Carlos, L. D. Nanoplatforms for Plasmon-Induced Heating and Thermometry. ChemNanoMat. 2 (6), 520-527 (2016).
  16. Nadort, A., et al. Quantitative Imaging of Single Upconversion Nanoparticles in Biological Tissue. PLoS ONE. 8 (5), 1-13 (2013).
  17. Sava Gallis, D. F., et al. Tunable Metal-Organic Framework Materials Platform for Bioimaging Applications. ACS Applied Materials and Interfaces. 9 (27), 22268-22277 (2017).
  18. Varghese, S., Das, S. Role of molecular packing in determining solid-state optical properties of π-conjugated materials. Journal of Physical Chemistry Letters. 2 (8), 863-873 (2011).
  19. Yan, D., Evans, D. G. Molecular crystalline materials with tunable luminescent properties: From polymorphs to multi-component solids. Materials Horizons. 1 (1), 46-57 (2014).
  20. Mu, S., Oniwa, K., Jin, T., Asao, N., Yamashita, M., Takaishi, S. A highly emissive distyrylthieno[3,2-b]thiophene based red luminescent organic single crystal: Aggregation induced emission, optical waveguide edge emission, and balanced ambipolar carrier transport. Organic Electronics: Physics, Materials, Applications. 34, 23-27 (2016).
  21. Binnemans, K. Interpretation of europium(III) spectra. Coordination Chemistry Reviews. 295, 1-45 (2015).
  22. Koyama, H., Fauchet, P. M. Anisotropic polarization memory in thermally oxidized porous silicon. Applied Physics Letters. 77 (15), 2316-2318 (2000).
  23. Kushida, T., Takushi, E., Oka, Y. Memories of photon energy, polarization and phase in luminescence of rare earth ions under resonant light excitation. Journal of Luminescence. 12-13, 723-727 (1976).
  24. Onuma, T., et al. Spectroscopic ellipsometry studies on β-Ga2O3 films and single crystal. Japanese Journal of Applied Physics. 55 (12), (2016).
  25. Favreau, P. F., et al. Excitation-scanning hyperspectral imaging microscope. Journal of Biomedical Optics. 19 (4), 046010 (2014).

Tags

الكيمياء، العدد 158، التصوير الطيفي، الإضاءة الضوئية، اللانثانيدس، الكريستال الواحد، الأنستروب البصري، رسم الخرائط الإنارة
التصوير الطيفي كأداة لدراسة الأنيزوتروبيا البصرية في البلورات الجزيئية أحادية الأبعاد القائمة على اللانثانيد
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Rodrigues, E. M., Rutajoga, N.,… More

Rodrigues, E. M., Rutajoga, N., Rioux, D., Yvon-Leroux, J., Hemmer, E. Hyperspectral Imaging as a Tool to Study Optical Anisotropy in Lanthanide-Based Molecular Single Crystals. J. Vis. Exp. (158), e60826, doi:10.3791/60826 (2020).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter