הדמיה היפרספקטראלית ככלי לחקר Anisotropy אופטי ב לנתניד מבוססי גבישים בודדים מולקולריים
Summary
כאן, אנו מציגים פרוטוקול כדי לקבל הדמיה היפרספקטראלית נתונים ולנתח את תכונות anisotropy אופטי של קריסטלים בודדים מבוססי לנתניד באמצעות מערכת הדמיה Hyperקטרלית.
Abstract
בעבודה זו, אנו מתארים פרוטוקול עבור יישום הרומן של הדמיה היפראספקטקטרלית (HSI) בניתוח של לנתניד זורח (בתוך3 +) מבוססי גבישים בודדים מולקולריים. כדוגמה מייצגת, בחרנו גביש בודד של הטרודינאורור בקומפלקס מבוסס Ln [TbEu (bpm) (t,)6] (bpm = 2, 2 ‘-bipyrimidine, tmetro– = 1, 1, 1-trifluoroacetylacetonate) מציג פליטה גלויים לעין תחת עירור UV. HSI היא טכניקה המתעוררים המשלבת הדמיה מרחבית דו-ממדית של מבנה זורח עם מידע ספקטרלי מכל פיקסל של התמונה שהושג. במיוחד, HSI על גבישים בודדים של הקומפלקס [Tb-Eu] סיפק מידע ספקטרלי מקומי הגילוי וריאציה של עוצמת האור בנקודות שונות לאורך הקריסטלים למדו. שינויים אלה יוחסו אנאיזוטרופיה אופטית בגביש, אשר נובעת מאריזת מולקולרית שונה של בתוך3 + יונים בכל אחד הכיוונים של מבנה הגביש. ה-HSI המתואר במסמך זה הוא דוגמה להתאמת הטכניקה לחקירות מרחביות של חומרים מולקולריים. עם זאת, הדבר החשוב ביותר, ניתן להאריך בקלות את הפרוטוקול לסוגים אחרים של חומרים מורחבים (כגון קריסטלים מולקולריים בגודל מיקרון, מיקרוחלקיקים אורגניים, חלקיקי חלקיקים ברקמות ביולוגיות, או תאים מתויג, בין היתר), פתיחת אפשרויות רבות לחקירה עמוקה יותר של קשרי מבנה-רכוש. בסופו של דבר, חקירות כאלה יספקו ידע להיות ממונפת להנדסה של חומרים מתקדמים למגוון רחב של יישומים מביודמיה ליישומים טכנולוגיים, כגון מדריכי גל או מכשירי אלקטרואופטיקה.
Introduction
הדמיה היפרספקטראלית (HSI) היא טכניקה היוצרת מפה מרחבית שבה כל קואורדינטת x-y מכילה מידע ספקטרלי שיכול להתבסס על כל סוג של ספקטרוסקופיה, כלומר photoluminescence הקליטה ופיזור הספקטרוסקוסים1,2,3. כתוצאה מכך, ערכה 3-מימדי של נתונים (המכונה גם “קוביית hyperקטרמית”) מושגת, שם קואורדינטות x-y הם הצירים המרחבית ואת קואורדינטת z הוא מידע ספקטרלי מתוך המדגם ניתח. לכן, הקוביה היפרספקטלית מכילה מידע מרחבי וספקטרלי, המספקת חקירה ספקטרוסקופית מפורטת יותר של המדגם מאשר ספקטרוסקופיה מסורתית. בעוד hsi כבר ידוע במשך שנים בתחום חישה מרחוק (למשל, גיאולוגיה, תעשיות מזון4), זה לאחרונה יצא כטכניקה חדשנית לאפיון ננו2,5 או רגשים עבור יישומים ביו3,6,7,8. באופן כללי, הוא אינו מוגבל לתחום UV/גלוי/ליד אינפרא אדום (ניר), אך ניתן גם להאריך באמצעות מקורות קרינה אחרים, כגון קרני רנטגן – למשל כדי לאפיין התפלגות היסודות בחומרים שונים9 – או Terahertz קרינה, שבו hsi שימש לבצע חישה תרמית ברקמות ביולוגיות8. יתר על כן, מיפוי פוטולומיניסנציה כבר בשילוב עם מיפוי ראמאן לחקור את המאפיינים האופטיים של מונאולייר MoS210. עם זאת, בין היישומים המדווחים של hsi אופטי, יש עדיין רק כמה דוגמאות על hsi של חומרים מבוססי לנתניד11,12,13,14,15,16,17. למשל, אנחנו יכולים לצטט: זיהוי של סרטן ברקמות6, ניתוח עומק החדירה אור ברקמות ביולוגיות7, הדמיה ביולוגית ריבוב3, ניתוח של העברת אנרגיה רחבי במערכות היברידית11, וחקירת שינויים המושרה מצבור במאפייני ספקטרוסקופיים של upconverting חלקיקים12. ברור, האטרקטיביות של HSI נובע מההתאמה שלה ליצירת ידע על הסביבה ספציפית, המספקת מידע מרחבי וספקטרלי בו זמנית על הגשוש.
ניצול של טכניקה זו רבת עוצמה אנו מתארים בזאת פרוטוקול לחקור anisotropy אופטי של הטרודינאונקה Tb3 +-Eu3 + גביש יחיד [tbeu (bpm) (t,)6] (איור 1a)13. Anisotropy אופטי נצפתה התוצאה של אריזה מולקולרית שונים של ב3 + יונים בכיוונים פגמים בגבישים שונים (איור 1b), וכתוצאה מכך כמה פרצופים גביש מראה בהיר יותר, אחרים מראים עמעם פוטולומינטסנס. הוצע כי עוצמת האור המוגבר מוגברת בפרצופים ספציפיים של הגביש היה מתואם עם העברת אנרגיה יעילה יותר לאורך הכיוונים הפגמים בגבישים האלה שם בתוך3 +· · · ב3 + מרחקים יון היו הקצרה ביותר13.
מונעים על ידי תוצאות אלה, אנו מציעים את הקמתה של מתודולוגיה מפורטת כדי לנתח anisotropy אופטי דרך hsi, פתיחת הנתיב להבנה טובה יותר של העברת האנרגיה של יון-יון תהליכים מטונטים הנובע הסדר המולקולרי הספציפי18,19. מבנה זה קשרים מאפיינים זוהו כהיבטים חשובים עבור עיצוב חדשני חומרים אופטיים כולל, אך לא מוגבל גל מערכות מכשירים והתקני האחסון opto-מגנטיים בננו ומיקרוסקאלה – מטפל בביקוש למערכות אופטיות יותר יעיל ומיניאטורי20.
Protocol
Representative Results
Discussion
פרוטוקול הדימות היפראספקטקטרלי כאן מתאר גישה ישירה המאפשרת להשיג מידע ספקטרוסקופי במיקומים מדויקים של המדגם. באמצעות ההתקנה המתוארת, הרזולוציה המרחבית (x ו- y מיפוי) יכול להגיע עד 0.5 יקרומטר בעוד הרזולוציה ספקטרלי יכול להיות של 0.2 nm עבור המיפוי בטווח הגלוי ו 0.6 nm עבור הטווח ניר.
<p…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מודים למר דילן Errulat ו פרופ ‘ מורמאלי Murugesu מהמחלקה לכימיה ומדעים ביוקולקולריות של אוניברסיטת אוטווה לאספקת [TbEu (bpm) (t,)6] גבישים בודדים. ה. מ. ר, N.R., ו א סמולר בהכרת תודה את התמיכה הפיננסית שסיפקה אוניברסיטת אוטווה, הקרן הקנדית לחדשנות (CFI), ואת מדעי הטבע ומועצת המחקר ההנדסה קנדה (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).
