Summary

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

Published: April 14, 2020
doi:

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 (Ln3 +)-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 spektroskopier1,2,3. 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, livsmedelsindustri4),framträdde det nyligen som en innovativ teknik för karakterisering av nanomaterial., 2,,5 eller sonder för biomedicinska tillämpningar3,,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 material11,,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 Tb3 +-Eu3 + enda kristall [TbEu (bpm) (tfaa)6] (Figur 1a)13. Den optiska anisotropi som observerades berodde på de olika molekylära förpackning av Ln3 + 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+··· Ln3 + 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 arrangemang18,19. 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…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Författarna tackar Dylan Errulat och prof. Muralee Murugesu från Institutionen för kemi och biomolekylära vetenskaper vid Universitetet i Ottawa för tillhandahållandet av [TbEu(bpm)(tfaa)6] enda kristaller. E.M.R, N.R., och E.H. erkänner tacksamt det ekonomiska stöd som tillhandahålls av University of Ottawa, Canadian Foundation for Innovation (CFI) och 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

  1. ElMasry, G., Sun, D. W. Principles of Hyperspectral Imaging Technology. Hyperspectral Imaging for Food Quality Analysis and Control. , 3-43 (2010).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Naccache, R., et al. Terahertz Thermometry: Combining Hyperspectral Imaging and Temperature Mapping at Terahertz Frequencies. Laser and Photonics Reviews. 11 (5), 1-9 (2017).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Nadort, A., et al. Quantitative Imaging of Single Upconversion Nanoparticles in Biological Tissue. PLoS ONE. 8 (5), 1-13 (2013).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. Binnemans, K. Interpretation of europium(III) spectra. Coordination Chemistry Reviews. 295, 1-45 (2015).
  22. Koyama, H., Fauchet, P. M. Anisotropic polarization memory in thermally oxidized porous silicon. Applied Physics Letters. 77 (15), 2316-2318 (2000).
  23. 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).
  24. Onuma, T., et al. Spectroscopic ellipsometry studies on β-Ga2O3 films and single crystal. Japanese Journal of Applied Physics. 55 (12), (2016).
  25. Favreau, P. F., et al. Excitation-scanning hyperspectral imaging microscope. Journal of Biomedical Optics. 19 (4), 046010 (2014).

Play Video

Cite This Article
Rodrigues, E. M., Rutajoga, N., Rioux, D., Yvon-Leroux, J., Hemmer, E. Hyperspectral Imaging as a Tool to Study Optical Anisotropy in Lanthanide-Based Molecular Single Crystals. J. Vis. Exp. (158), e60826, doi:10.3791/60826 (2020).

View Video