Hyperspektrala imaging som ett verktyg för att studera optisk anisotropi i Lanthanide-baserade molekylära enstaka kristaller

Summary

Här presenterar vi ett protokoll för att erhålla självlysande hyperspektrala bilddata och för att analysera optiska anisotropi funktioner i lanthanide-baserade enstaka kristaller med hjälp av en Hyperspectral Imaging System.

Abstract

I detta arbete beskriver vi ett protokoll för en ny tillämpning av hyperspektrala imaging (HSI) i analysen av självlysande lanthanide (Ln^{3 +})-baserade molekylära enstaka kristaller. Som representativt exempel valde vi en enda kristall av heterodinuklear Ln-baserade komplex [TbEu(bpm) (tfaa)₆] (bpm =2,2′-bipyrimidin, tfaa^– =1,1,1-trifluoroacetylacetonate) uppvisar ljusa utsläpp under UV-excitation. HSI är en framväxande teknik som kombinerar 2-dimensionell rumslig avbildning av en självlysande struktur med spektralinformation från varje pixel i den erhållna bilden. Närmare bestämt gav HSI på enstaka kristaller av [Tb-Eu] komplexa lokal spektralinformation avtäckningen variation av luminescensintensiteten vid olika tidpunkter längs de studerade kristallerna. Dessa ändringar tillskrivades till den optiska anisotropin som var närvarande i kristallen, som resulterar från den olika molekylära emballagen av Ln³⁺ joner i varje av riktningarna av kristallen strukturerar. HSI häri beskrivs är ett exempel på lämpligheten av sådan teknik för spektro-rumsliga undersökningar av molekylära material. Men, viktigt, detta protokoll kan lätt förlängas för andra typer av självlysande material (såsom mikron-stora molekylära kristaller, oorganiska mikropartiklar, nanopartiklar i biologiska vävnader, eller märkta celler, bland annat), vilket öppnar många möjligheter för djupare undersökning av struktur-egendom relationer. I slutändan kommer sådana undersökningar att ge kunskap som ska utnyttjas i konstruktionen av avancerade material för ett brett spektrum av tillämpningar, från bioimaging till tekniska tillämpningar, såsom vågledare eller optoelektroniska enheter.

Introduction

Hyperspectral Imaging (HSI) är en teknik som genererar en rumslig karta där varje x-y-koordinat innehåller en spektralinformation som kan baseras på alla typer av spektroskopi, nämligen fotoluminescens, absorption och spridning av spektroskopier^1,2,3. Som ett resultat erhålls en 3-dimensionell uppsättning data (även kallad “hyperspektrala kub”) där x-y-koordinaterna är de rumsliga axlarna och z-koordinaten är den spektrala informationen från det analyserade provet. z Därför innehåller hyperspektrala kuben både rumslig och spektral information, vilket ger en mer detaljerad spektroskopi undersökning av provet än traditionell spektroskopi. Medan HSI har varit känt i flera år inom fjärranalys (t.ex. geologi, livsmedelsindustri^4),framträdde det nyligen som en innovativ teknik för karakterisering av nanomaterial., ^2,,5 eller sonder för biomedicinska tillämpningar^3,,6,7,8. Generellt sett är det inte begränsat till UV / synlig / nära infraröd (NIR) domän, men kan också utökas med hjälp av andra strålkällor, såsom röntgenstrålar – till exempel för att karakterisera elementär distribution i olika material⁹ – eller Terahertz strålning, där HSI användes för att utföra termisk avkänning i biologiska vävnader⁸. Vidare har fotoluminiscenskartläggning kombinerats med Raman-kartläggning för att undersöka de optiska egenskaperna hos monolayer MoS₂¹⁰. Bland de rapporterade tillämpningarna av optisk hsi finns det dock fortfarande bara ett fåtal exempel på HSI för lanthanidbaserade material^{11,,12,13,,14,,15,16,17}. Till exempel kan vi citera: upptäckt av cancer i vävnader⁶, analys av ljuspenetrationsdjupet i biologiska vävnader⁷, multiplex biologisk avbildning³, analys av multikomponentenergiöverföring i hybridsystem¹¹, och undersökning av aggregering-inducerad förändringar i spektroskopiska egenskaper upconverting nanopartiklar¹². Det är tydligt att HSI:s attraktionskraft beror på dess lämplighet att generera kunskap om miljöspecifik luminescens, vilket ger samtidig rumslig och spektral information om sonden.

Dra nytta av denna kraftfulla teknik vi häri beskriva ett protokoll för att undersöka den optiska anisotropin av heterodinuklear Tb^{3 +}-Eu^{3 +} enda kristall [TbEu (bpm) (tfaa)₆] (Figur 1a)¹³. Den optiska anisotropi som observerades berodde på de olika molekylära förpackning av Ln^{3 +} joner i de olika kristallografiska riktningar (figur 1b), vilket resulterar i vissa kristall ansikten visar ljusare, andra visar dimmer photolumineescence. Det föreslogs att den ökade luminescensintensiteten vid kristallens specifika ansikten korrelerades med effektivare energiöverföring längs de kristallografiska riktningar där Ln³⁺··· Ln^{3 +} jon avstånd var den kortaste¹³.

Motiveras av dessa resultat, föreslår vi inrättandet av en detaljerad metod för att analysera optisk anisotropi genom HSI, vilket öppnar vägen för bättre förståelse av jon-jon energiöverföring processer och avstämbara självlysande egenskaper som härrör från specifika molekylära arrangemang^18,19. Dessa struktur-egenskaper relationer har erkänts som viktiga aspekter för innovativa optiska material design inklusive, men inte begränsat till waveguide system och opto-magnetiska lagringsenheter på nano och mikroskala – ta itu med efterfrågan på effektivare och miniatyriserade optiska system²⁰.

Protocol

VARNING: Det rekommenderas att använda skyddsglasögon som är specifika för den excitationsvåglängd som används hela tiden när bildapparaten används. 1. Konfiguration av hyperspektralt mikroskop OBS: En översikt över det hyperspektrala bildsystemet ges i figur 2a, med de viktigaste komponenterna i bildapparaten som beskrivs. Bildsystemet kan användas för att detektera det synliga eller nära infraröda (NIR) utsläppet från e…

Representative Results

För att illustrera konfigurationen av hyperspektralt mikroskop för datainsamlingen på en Ln-baserad, molekylär enda kristall (dvs. [TbEu(bpm)(tfaa)6], figur 1a), visar figur 2 en översikt över systemet samt rätt placering av de optiska kuberna i installationen. Bild 3 visar en skärmdump av PHySpec-programvaran som innehåller de menyer som användes vid HSI-förvärvet. Figur 4 och <s…

Discussion

Den hyperspektrala imaging protokoll här beskrivs ger en enkel metod som gör det möjligt att få spektroskopisk information på exakta platser i provet. Med den beskrivna installationen kan den rumsliga upplösningen(x- och y-mappning) nå ner till 0,5 μm medan spektralupplösningen kan vara 0,2 nm för mappningen inom det synliga området och 0,6 nm för NIR-området.

För att genomföra hyperspektrala kartläggning på en enda kristall följer provberedningen ett enkelt…

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