Her presenterer vi en protokoll for å oppnå selvlysende hyperspektrale bildedata og analysere optiske anisotropifunksjoner av lanthanide-baserte enkeltkrystaller ved hjelp av et Hyperspektralt bildesystem.
I dette arbeidet beskriver vi en protokoll for en ny anvendelse av hyperspektral avbildning (HSI) i analysen av selvlysende lanthanide (Ln3+)-baserte molekylære enkeltkrystaller. Som representativt eksempel valgte vi en enkelt krystall av heterodiukleære Ln-baserte komplekset [TbEu(bpm)(tfaa)6] (bpm=2,2′-bipyrimidine, tfaa– =1,1,1-trifluoroacetylacetonate) som viser lyse synlige utslipp under UV-eksitasjon. HSI er en ny teknikk som kombinerer 2-dimensjonal romlig avbildning av en selvlysende struktur med spektral informasjon fra hver piksel av det oppnådde bildet. Spesielt hsi på enkeltkrystaller i [Tb-Eu] komplekset gitt lokal spektral informasjon avslørevariasjon av luminescence intensitet på forskjellige punkter langs de studerte krystaller. Disse endringene ble tilskrevet den optiske anisotropien som finnes i krystallen, noe som skyldes den forskjellige molekylære emballasjen til Ln3 + ioner i hver av retningene til krystallstrukturen. HSI heri beskrevet er et eksempel på egnetheten av en slik teknikk for spektro-romlige undersøkelser av molekylære materialer. Likevel, viktigst, denne protokollen kan lett utvides for andre typer selvlysende materialer (for eksempel mikron-størrelse molekylære krystaller, uorganiske mikropartikler, nanopartikler i biologiskvev, eller merkede celler, blant andre), åpner mange muligheter for dypere undersøkelse av struktur-eiendom relasjoner. Til syvende og sist vil slike undersøkelser gi kunnskap som skal utnyttes til prosjektering av avanserte materialer for et bredt spekter av applikasjoner fra bioimaging til teknologiske applikasjoner, for eksempel waveguides eller optoelektroniske enheter.
Hyperspektral Imaging (HSI) er en teknikk som genererer et romlig kart der hver x-y-koordinate inneholder en spektral informasjon som kan være basert på noen form for spektroskopi, nemlig fotoluminescens, absorpsjon og spredning spektroskopi1,2,3. Som et resultat oppnås et 3-dimensjonalt sett med data (også kalt “hyperspektral kube”) hvor x-y-koordinatene er de romlige aksene og z-koordinaten er spektralinformasjonen fra den analyserte prøven. z Derfor inneholder hyperspektral kube både romlig og spektral informasjon, noe som gir en mer detaljert spektroskopi av prøven enn tradisjonell spektroskopi. Mens HSI har vært kjent i årevis innen fjernmåling (f.eks. geologi, næringsmiddelindustri4),dukket det nylig opp som en innovativ teknikk for karakterisering av nanomaterialer., 2,,5 eller sonder for biomedisinske applikasjoner3,,6,7,8. Generelt sett er det ikke begrenset til UV/synlig/nær-infrarød (NIR)-domenet, men kan også utvides ved hjelp av andre strålingskilder, for eksempel røntgenstråler – for eksempel for å karakterisere elementær fordeling i forskjellige materialer9 – eller Terahertz-stråling, hvor HSI ble brukt til å utføre termisk sensing i biologisk vev8. Videre har fotoluminescenskartlegging blitt kombinert med Raman kartlegging for å undersøke de optiske egenskapene til monolayer MoS210. Likevel, blant de rapporterte anvendelsene av optisk HSI, er det fortsatt bare noen få eksempler på HSI av lanthanide-baserte materialer11,12,13,14,15,16,17. For eksempel kan vi sitere: påvisning av kreft i vev6, analyse av lys penetrasjonsdybden i biologiskvev7, multipleksed biologisk bildebehandling3, analyse av multikomponent energioverføring i hybridsystemer11, og undersøkelse av aggregeringsinduserte endringer i spektroskopiske egenskaper av oppkonverterende nanopartikler12. Det er klart attraktiviteten til HSI kommer fra egnetheten for å generere kunnskap om miljøspesifikk luminescens, noe som gir samtidig romlig og spektral informasjon om sonden.
Ved å dra nytte av denne kraftige teknikken beskriver vi her i en protokoll for å undersøke den optiske anisotropien til heterodiukleære Tb3+-Eu3+ enkeltkrystall [TbEu(bpm)(tfaa)6] (Figur 1a)13. Den optiske anisotropien som ble observert, skyldes den forskjellige molekylære emballasjen til Ln3+ ionene i de forskjellige krystalllografiske retningene (Figur 1b),noe som resulterer i noen krystallansikter som viser lysere, andre som viser dimmer fotluminescens. Det ble antydet at den økte lysstyrkeintensiteten ved bestemte ansikter av krystallen var korrelert med mer effektiv energioverføring langs de krystalllografiske retningene der Ln3 +··· I3 + ion avstander var den korteste13.
Motivert av disse resultatene foreslår vi etablering av en detaljert metodikk for å analysere optisk anisotropi gjennom HSI, åpne banen for bedre forståelse av ion-ion energioverføringsprosesser og tunable selvlysende egenskaper som stammer fra spesifikk molekylær ordning18,19. Disse struktur-egenskaper relasjoner har blitt anerkjent som viktige aspekter for innovative optiske materialer design inkludert, men ikke begrenset til waveguide systemer og opto-magnetiske lagringsenheter på nano og mikroskala – adressering etterspørselen etter mer effektive og miniatyriserte optiske systemer20.
Den hyperspektrale bildeprotokollen her beskrevet gir en enkel tilnærming som gjør det mulig å få spektroskopisk informasjon på nøyaktige steder av prøven. Ved hjelp av det beskrevne oppsettet kan romlig oppløsning (x og y-tilordning) nå ned til 0,5 μm, mens spektraloppløsningen kan være på 0,2 nm for kartleggingen på det synlige området og 0,6 nm for NIR-området. y
For å gjennomføre hyperspektral kartlegging på en enkelt krystall, følger prøveforberedels…
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne takker Mr. Dylan Errulat og prof. Muralee Murugesu fra Institutt for kjemi og biomolekylære vitenskaper ved University of Ottawa for levering av [TbEu(bpm) (tfaa)6] enkeltkrystaller. E.M.R, N.R., og E.H. anerkjenner takknemlig den økonomiske støtten fra University of Ottawa, Canadian Foundation for Innovation (CFI) og Natural Sciences and Engineering Research Council Canada (NSERC).
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 |