Hier stellen wir ein Protokoll vor, um lumineszierende hyperspektrale Bildgebungsdaten zu erhalten und optische Anisotropie-Features von Lanthanid-basierten Einzelkristallen mit einem Hyperspektral Imaging System zu analysieren.
In dieser Arbeit beschreiben wir ein Protokoll für eine neuartige Anwendung der hyperspektralen Bildgebung (HSI) bei der Analyse von lumineszierendem Lanthanid (Ln3+)basierenden molekularen Einzelkristallen. Als repräsentatives Beispiel wählten wir einen einzigen Kristall des heterodinuklearen Ln-basierten Komplexes [TbEu(bpm)(tfaa)6] (bpm=2,2′–bipyrimidin, tfaa– =1,1,1-trifluoroacetylacetonate), der eine helle sichtbare Emission unter UV-Erregung aufweist. HSI ist eine aufkommende Technik, die die zweidimensionale räumliche Bildgebung einer lumineszierenden Struktur mit spektralen Informationen aus jedem Pixel des erhaltenen Bildes kombiniert. Insbesondere lieferte HSI auf Einzelkristallen des [Tb-Eu]-Komplexes lokale spektrale Informationen, die Variationen der Lumineszenzintensität an verschiedenen Punkten entlang der untersuchten Kristalle enthüllten. Diese Veränderungen wurden auf die optische Anisotropie im Kristall zurückgeführt, die sich aus der unterschiedlichen molekularen Verpackung von Ln3+ Ionen in jeder der Richtungen der Kristallstruktur ergibt. Das hier beschriebene HSI ist ein Beispiel für die Eignung einer solchen Technik für spektroräumliche Untersuchungen molekularer Materialien. Dennoch ist es wichtig, dass dieses Protokoll leicht auf andere Arten von leuchtminen Materialien erweitert werden kann (z. B. molekulare Kristalle in Mikrogröße, anorganische Mikropartikel, Nanopartikel in biologischen Geweben oder markierte Zellen, die viele Möglichkeiten für eine tiefere Untersuchung von Struktur-Eigenschaft-Beziehungen eröffnen. Letztlich werden solche Untersuchungen Wissen liefern, das in die Entwicklung fortschrittlicher Materialien für eine breite Palette von Anwendungen wie Bioimaging bis hin zu technologischen Anwendungen wie Wellenleitern oder optoelektronischen Geräten genutzt werden kann.
Hyperspektrale Bildgebung (HSI) ist eine Technik, die eine räumliche Karte generiert, bei der jede x-y-Koordinate spektrale Informationen enthält, die auf jeder Art von Spektroskopie basieren könnten, nämlich Photolumineszenz-, Absorptions- und Streuspektroskopien1,2,3. Als Ergebnis wird ein dreidimensionaler Datensatz (auch “Hyperspektralwürfel” genannt) erhalten, wobei die x-y-Koordinaten die räumlichen Achsen und die z-Koordinate die Spektralinformationen aus der analysierten Stichprobe sind. Daher enthält der hyperspektrale Würfel sowohl räumliche als auch spektrale Informationen, die eine detailliertere spektroskopische Untersuchung der Probe als die herkömmliche Spektroskopie bieten. Während HSI seit Jahren im Bereich der Fernerkundung bekannt ist (z.B. Geologie, Lebensmittelindustrie4), hat es sich vor kurzem als innovative Technik zur Charakterisierung von Nanomaterialien2,5 oder Sonden für biomedizinische Anwendungen3,6,7,8entwickelt.., Im Allgemeinen ist sie nicht auf die UV/visible/near-infrared (NIR) Domäne beschränkt, sondern kann auch mit anderen Strahlungsquellen, wie Röntgenstrahlen – zum Beispiel zur Charakterisierung der Elementarverteilung in verschiedenen Materialien9 – oder Terahertz-Strahlung erweitert werden, bei der HSI zur thermischen Erfassung in biologischen Geweben8verwendet wurde. Darüber hinaus wurde photoluminescence mapping mit Raman Mapping kombiniert, um die optischen Eigenschaften von Monolayer MoS210zu untersuchen. Unter den gemeldeten Anwendungen von optischem HSI gibt es jedoch nur wenige Beispiele für HSI von Lanthanid-basierten Materialien11,12,13,14,15,16,17. Zum Beispiel können wir zitieren: Nachweis von Krebs im Gewebe6, Analyse der Lichtdurchdringungstiefe in biologischen Geweben7, Multiplexed biologische Bildgebung3, Analyse der Mehrkomponenten-Energieübertragung in Hybridsystemen11, und Untersuchung von Aggregation-induzierten Veränderungen der spektroskopischen Eigenschaften von upconverting nanoparticles12. Die Attraktivität von HSI ergibt sich eindeutig aus seiner Eignung zur Generierung von Wissen über umgebungsspezifische Lumineszenz, die gleichzeitige räumliche und spektrale Informationen über die Sonde liefert.
Unter Ausnutzung dieser leistungsstarken Technik beschreiben wir hier ein Protokoll zur Untersuchung der optischen Anisotropie des heterodinuklearen Tb3+-Eu3+ Einzelkristalls [TbEu(bpm)(tfaa)6] (Abbildung 1a)13. Die beobachtete optische Anisotropie resultierte aus der unterschiedlichen molekularen Verpackung der Ln3+-Ionen in den verschiedenen kristallographischen Richtungen(Abbildung 1b), was dazu führte, dass einige Kristallflächen heller waren, andere dimmerphotolumineszenz zeigten. Es wurde vermutet, dass die erhöhte Lumineszenzintensität an bestimmten Flächen des Kristalls mit einer effizienteren Energieübertragung entlang dieser kristallographischen Richtungen korrelierte, in denen die Ln3+ Ln3+ Ionendistanzen waren die kürzesten13.
Motiviert durch diese Ergebnisse schlagen wir die Einrichtung einer detaillierten Methodik zur Analyse der optischen Anisotropie durch HSI vor, die den Weg für ein besseres Verständnis von Ionen-Ionen-Energieübertragungsprozessen und abstimmbaren Leuchteigenschaften öffnet, die sich aus der spezifischen molekularen Anordnung18,19ergeben. Diese Struktur-Eigenschaften-Beziehungen wurden als wichtige Aspekte für innovative optische Materialgestaltung anerkannt, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Wellenleitersysteme und optomagnetische Speichergeräte im Nano- und Mikromaßstab – um die Nachfrage nach effizienteren und miniaturisierten optischen Systemen zu decken20.
Das hier beschriebene hyperspektrale Bildgebungsprotokoll bietet einen einfachen Ansatz, der es ermöglicht, spektroskopische Informationen an genauen Stellen der Probe zu erhalten. Mit dem beschriebenen Setup kann die räumliche Auflösung(x- und y-Mapping) bis zu 0,5 m erreichen, während die Spektralauflösung für die Zuordnung im sichtbaren Bereich 0,2 nm und für den NIR-Bereich 0,6 nm betragen kann.
Um eine hyperspektrale Kartierung auf einem einzelnen Kristall durchzu…
The authors have nothing to disclose.
Die Autoren danken Herrn Dylan Errulat und Prof. Muralee Murugesu vom Department of Chemistry and Biomolecular Sciences der University of Ottawa für die Bereitstellung von [TbEu(bpm)(tfaa)6] Einzelkristallen. E.M.R, N.R. und E.H. danken der finanziellen Unterstützung durch die University of Ottawa, die Canadian Foundation for Innovation (CFI) und den 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 |