Hyperspektral avbildning som et verktøy for å studere optisk anisotropi i Lanthanide-baserte molekylære enkeltkrystaller
Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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).
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).
