Hyperspectrale beeldvorming als een instrument om optische anisotropie te bestuderen in op Lanthanide gebaseerde moleculaire enkele kristallen
Summary
Hier presenteren we een protocol om luminescente hyperspectrale beeldvormingsgegevens te verkrijgen en optische anisotropiekenmerken van op lantithaan gebaseerde enkelvoudige kristallen te analyseren met behulp van een Hyperspectral Imaging System.
Abstract
In dit werk beschrijven we een protocol voor een nieuwe toepassing van hyperspectrale beeldvorming (HSI) in de analyse van lichtgevende lanthanide (Ln3+)-gebaseerde moleculaire enkele kristallen. Als representatief voorbeeld kozen we voor één kristal van het heterodinucleaire Ln-gebaseerde complex [TbEu(bpm)(tfaa)6] (bpm=2,2′-bipyrimidine, tfaa– =1,1,1-trifluoracetylaceaceatte) met een heldere zichtbare emissie onder UV-excitatie. HSI is een opkomende techniek die 2-dimensionale ruimtelijke beeldvorming van een lichtgevende structuur combineert met spectrale informatie van elke pixel van het verkregen beeld. Specifiek, HSI op enkele kristallen van de [Tb-Eu] complex verstrekt lokale spectrale informatie onthullen variatie van de luminescentie intensiteit op verschillende punten langs de bestudeerde kristallen. Deze veranderingen werden toegeschreven aan de optische anisotropie aanwezig in het kristal, die het gevolg is van de verschillende moleculaire verpakking van Ln3 + ionen in elk van de richtingen van de kristalstructuur. De beschreven HSI is een voorbeeld van de geschiktheid van een dergelijke techniek voor spectro-ruimtelijke onderzoeken van moleculaire materialen. Maar, belangrijk, dit protocol kan gemakkelijk worden uitgebreid voor andere soorten lichtgevende materialen (zoals moleculaire kristallen ter grootte van micron-formaat, anorganische microdeeltjes, nanodeeltjes in biologische weefsels, of gelabelde cellen, onder andere), het openen van vele mogelijkheden voor dieper onderzoek van structuur-eigendom relaties. Uiteindelijk zullen dergelijke onderzoeken kennis verschaffen die moet worden ingezet bij de engineering van geavanceerde materialen voor een breed scala aan toepassingen, van bioimaging tot technologische toepassingen, zoals golfgidsen of opto-elektronische apparaten.
Introduction
Hyperspectrale beeldvorming (HSI) is een techniek die een ruimtelijke kaart genereert waarbij elke x-y coördinaat een spectrale informatie bevat die gebaseerd kan zijn op elke vorm van spectroscopie, namelijk fotoluminescentie, absorptie en verstrooiing van spectroscopies1,2,3. Als gevolg hiervan wordt een 3-dimensionale set gegevens (ook wel “hyperspectrale kubus” genoemd) verkregen, waarbij de x-y coördinaten de ruimtelijke assen zijn en de z-coördinaat de spectrale informatie uit het geanalyseerde monster. z Daarom bevat de hyperspectrale kubus zowel ruimtelijke als spectrale informatie, die een gedetailleerder spectroscopisch onderzoek van het monster biedt dan traditionele spectroscopie. Hoewel HSI al jaren bekend staat op het gebied van teledetectie (bijvoorbeeld., geologie, voedingsindustrie4),ontpopte het zich onlangs als een innovatieve techniek voor de karakterisering van nanomaterialen2,5 of sondes voor biomedische toepassingen3,6,7,8. Over het algemeen is het niet beperkt tot het UV/visible/near-infrared (NIR) domein, maar kan het ook worden uitgebreid met behulp van andere stralingsbronnen, zoals röntgenstralen – bijvoorbeeld om elementaire verdeling in verschillende materialen te karakteriseren9 – of Terahertz-straling, waarbij HSI werd gebruikt om thermische detectie uit te voeren in biologische weefsels8. Verder is fotoluminescentie mapping gecombineerd met Raman mapping om de optische eigenschappen van monolayer MoS210te onderzoeken. Onder de gerapporteerde toepassingen van optische HSI zijn er echter nog maar een paar voorbeelden op HSI van op lantide gebaseerde materialen11,12,13,14,15,16,17. Zo kunnen we bijvoorbeeld aanhalen: detectie van kanker in weefsels6,analyse van de lichtpenetratiediepte in biologische weefsels7, multiplexed biologische beeldvorming3,analyse van multicomponent energieoverdracht in hybride systemen11, en onderzoek naar aggregatie-geïnduceerde veranderingen in spectroscopische eigenschappen van upconverting nanodeeltjes12. Het is duidelijk dat de aantrekkelijkheid van HSI voortkomt uit de geschiktheid voor het genereren van kennis over omgevingsspecifieke luminescentie, waardoor gelijktijdige ruimtelijke en spectrale informatie over de sonde wordt verstrekt.
Gebruikmakend van deze krachtige techniek beschrijven we hierin een protocol om de optische anisotropie van de heterodinucleaire Tb3+-Eu3+ single crystal [TbEu(bpm)(tfaa)6] te onderzoeken (Figuur 1a)13. De optische anisotropie waargenomen vloeide uit de verschillende moleculaire verpakking van de Ln3+ ionen in de verschillende kristallografische richtingen voort (Figuur 1b),resulterend in sommige kristalgezichten die helderder tonen, anderen die dimmer photoluminescentie tonen. Er werd gesuggereerd dat de verhoogde luminescentieintensiteit bij specifieke gezichten van het kristal werd gecorreleerd met een efficiëntere energieoverdracht langs die kristallografische richtingen waar de Ln3+··· Ln3 + ion afstanden waren de kortste13.
Gemotiveerd door deze resultaten stellen we voor om een gedetailleerde methodologie op te zetten om optische anisotropie te analyseren via HSI, waardoor het pad wordt geopend voor een beter begrip van ion-ionenenergieoverdrachtsprocessen en tunable luminescente eigenschappen die voortvloeien uit specifieke moleculaire regeling18,19. Deze structuur-eigenschappen relaties zijn erkend als belangrijke aspecten voor innovatieve optische materialen ontwerp met inbegrip van, maar niet beperkt tot waveguide systemen en opto-magnetische opslag apparaten op nano-en microschaal – het aanpakken van de vraag naar efficiëntere en geminiaturiseerde optische systemen20.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het hier beschreven hyperspectrale beeldvormingsprotocol biedt een eenvoudige aanpak die het mogelijk maakt spectroscopische informatie te verkrijgen op precieze locaties van het monster. Met behulp van de beschreven opstelling kan de ruimtelijke resolutie(x- en y-mapping) oplopen tot 0,5 μm, terwijl de spectrale resolutie kan oplopen tot 0,2 nm voor de mapping op het zichtbare bereik en 0,6 nm voor het NIR-bereik.
Om hyperspectrale mapping op een enkel kristal uit te voeren…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs danken de heer Dylan Errulat en prof. Muralee Murugesu van het departement Scheikunde en Biomoleculaire Wetenschappen van de Universiteit van Ottawa voor de levering van [TbEu(bpm)(tfaa)6] enkele kristallen. E.M.R. N.R., en E.H. erkennen dankbaar de financiële steun van de Universiteit van Ottawa, de Canadian Foundation for Innovation (CFI) en de Natural Sciences and Engineering Research Council Canada (NSERC).
Materials
| 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 |
References
- ElMasry, G., Sun, D. W. Principles of Hyperspectral Imaging Technology. Hyperspectral Imaging for Food Quality Analysis and Control. , 3-43 (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Naccache, R., et al. Terahertz Thermometry: Combining Hyperspectral Imaging and Temperature Mapping at Terahertz Frequencies. Laser and Photonics Reviews. 11 (5), 1-9 (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Nadort, A., et al. Quantitative Imaging of Single Upconversion Nanoparticles in Biological Tissue. PLoS ONE. 8 (5), 1-13 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Binnemans, K. Interpretation of europium(III) spectra. Coordination Chemistry Reviews. 295, 1-45 (2015).
- Koyama, H., Fauchet, P. M. Anisotropic polarization memory in thermally oxidized porous silicon. Applied Physics Letters. 77 (15), 2316-2318 (2000).
- 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).
- Onuma, T., et al. Spectroscopic ellipsometry studies on β-Ga2O3 films and single crystal. Japanese Journal of Applied Physics. 55 (12), (2016).
- Favreau, P. F., et al. Excitation-scanning hyperspectral imaging microscope. Journal of Biomedical Optics. 19 (4), 046010 (2014).
