التصوير الطيفي كأداة لدراسة الأنيزوتروبيا البصرية في البلورات الجزيئية أحادية الأبعاد القائمة على اللانثانيد
Summary
هنا، نقدم بروتوكولاً للحصول على بيانات التصوير الطيفي الفائق المضيئة وتحليل السمات الأنستروجية البصرية للبلورات المفردة القائمة على اللانثانيد باستخدام نظام التصوير الطيفي الفائق.
Abstract
في هذا العمل، نصف بروتوكول لتطبيق جديد للتصوير الطيفي (HSI) في تحليل lanthanide الإنارة (Ln3 +) القائمة على بلورات واحدة الجزيئية. كمثال تمثيلي، اخترنا بلورة واحدة من مجمع الهتريوديالنووي Ln القائم [tbEu (bpm) (tfaa)6] (bpm = 2،2′-bipyrimidine، tfaa– = 1،1،1-trifluoroacetylacetonatenatenatenate) التي تظهر انبعاثات مرئية مشرقة تحت الإثارة فوق البنفسجية. HSI هو تقنية ناشئة تجمع بين التصوير المكاني ثنائي الأبعاد لبنية الإنارة مع المعلومات الطيفية من كل بكسل من الصورة التي تم الحصول عليها. وعلى وجه التحديد، قدمت الـ HSI على بلورات مفردة من مجمع [السل الأوروبي] معلومات طيفية محلية تكشف عن تباين لكثافة التألومين في نقاط مختلفة على طول البلورات المدروسة. وتعزى هذه التغييرات إلى الأنيزوتروبيا البصرية الموجودة في الكريستال، والتي تنتج عن التعبئة الجزيئية المختلفة من الأيونات Ln3+ في كل واحد من اتجاهات الهيكل البلوري. وHSI المذكورة هنا هو مثال على مدى ملاءمة هذه التقنية للتحقيقات الطيفية المكانية للمواد الجزيئية. ومع ذلك ، الأهم من ذلك ، يمكن تمديد هذا البروتوكول بسهولة لأنواع أخرى من المواد الإنارة (مثل البلورات الجزيئية بحجم ميكرون ، الجسيمات الدقيقة غير العضوية ، الجسيمات النانوية في الأنسجة البيولوجية ، أو الخلايا الموسومة ، من بين أمور أخرى) ، مما يفتح العديد من الاحتمالات لإجراء تحقيق أعمق في العلاقات بين البنية والممتلكات. وفي نهاية المطاف، ستوفر هذه التحقيقات المعرفة التي ينبغي الاستفادة منها في هندسة المواد المتقدمة لمجموعة واسعة من التطبيقات من التصوير البيولوجي إلى التطبيقات التكنولوجية، مثل أدلة الموجات أو الأجهزة الإلكترونية البصرية.
Introduction
التصوير الطيفي الفائق (HSI) هو تقنية تولد خريطة مكانية حيث يحتوي كل إحداثي x-y على معلومات طيفية يمكن أن تستند إلى أي نوع من1التحليل الطيفي، وهي الإضاءة الضوئية والامتصاص والنسخ الطيفية 1،2،3. ونتيجة لذلك، يتم الحصول على مجموعة ثلاثية الأبعاد من البيانات (تسمى أيضاً “المكعب الطيفي”) ، حيث تكون إحداثيات x-y هي المحاور المكانية وإحداث z هو المعلومات الطيفية من العينة التي تم تحليلها. ولذلك، فإن المكعب الطيفي يحتوي على معلومات مكانية وطيفية على حد سواء، مما يوفر فحصاً مطيافياً أكثر تفصيلاً للعينة من التحليل الطيفي التقليدي. في حين أن HSI معروف منذ سنوات في مجال الاستشعار عن بعد (على سبيل المثال، الجيولوجيا ، الصناعات الغذائية4)، فقد ظهرت مؤخرًا كتقنية مبتكرة لتوصيف المواد النانوية2أو5 أو المسابير للتطبيقات الطبية الحيوية3،6،7،8. وبصفة عامة، فإنه لا يقتصر على مجال الأشعة فوق البنفسجية/المرئي/القريب من الأشعة تحت الحمراء (NIR) ، ولكن يمكن تمديده أيضًا باستخدام مصادر إشعاعية أخرى ، مثل الأشعة السينية – على سبيل المثال من أجل توصيف التوزيع الأولي في مواد مختلفة9 – أو إشعاع تيراهيرتز ، حيث تم استخدام HSI لإجراء الاستشعار الحراري في الأنسجة البيولوجية8. وعلاوة على ذلك، تم الجمع بين رسم خرائط photoluminescence مع رسم خرائط رامان للتحقيق في الخصائص البصرية لوزارة الزراعة أحادية الطبقات210. ومع ذلك ، من بين التطبيقات المبلغ عنها من HSI البصرية ، لا يزال هناك سوى أمثلة قليلة على HSI من المواد القائمة على اللانثانيد11،12،13،14،15،16،17.13 على سبيل المثال ، يمكننا أن نذكر: الكشف عن السرطان في الأنسجة6، وتحليل عمق اختراق الضوء في الأنسجة البيولوجية7، والتصوير البيولوجي متعدد الأكسات3، وتحليل نقل الطاقة متعددة المكونات في الأنظمة الهجينة11، والتحقيق في التغيرات الناجمة عن التجميع في الخصائص الطيفية للجسيمات النانوية المحولة12. ومن الواضح أن جاذبية الهيئة تنشأ من ملاءمتها لتوليد المعرفة بشأن الإضاءة الخاصة بالبيئة، وتوفير معلومات مكانية وطيفية متزامنة عن المسبار.
الاستفادة من هذه التقنية القوية ونحن هنا وصف بروتوكول للتحقيق في anisotropy البصرية من السل النووي heterodi3+– Eu3 + الكريستال واحد [TbEu (bpm) (tfaa)6](الشكل 1a)13. لوحظ أنيستروبي البصرية الناتجة عن التعبئة الجزيئية المختلفة من الأيونات Ln3 + في الاتجاهات البلورية المختلفة(الشكل 1b)،مما أدى إلى بعض الوجوه البلورية تظهر أكثر إشراقا، والبعض الآخر يظهر photoluminescence باهتة. وأشير إلى أن زيادة كثافة التألواء في وجوه محددة من الكريستال كانت مرتبطة بنقل الطاقة أكثر كفاءة على طول تلك الاتجاهات البلورية حيث Ln3 +··· كانت مسافات3+ أيون أقصر13.
بدافع من هذه النتائج، نقترح إنشاء منهجية مفصلة لتحليل الأنيزوتروبيا البصرية من خلال HSI، وفتح الطريق لفهم أفضل لعمليات نقل الطاقة أيون أيون والخصائص الإنارة tunable النابعة من ترتيب جزيئي محدد18،19. وقد تم الاعتراف بهذه العلاقات بين الهيكل والخصائص كجوانب مهمة لتصميم المواد البصرية المبتكرة بما في ذلك، على سبيل المثال لا الحصر، أنظمة الموجات وأجهزة التخزين المغناطيسية البصرية على النانو والميكروscale – معالجة الطلب على أنظمة بصرية أكثر كفاءة وتصغيرًا20.
Protocol
Representative Results
Discussion
ويوفر بروتوكول التصوير الطيفي الفائق هنا الذي تم وصفه نهجاً مباشراً يسمح بالحصول على معلومات الطيفية في مواقع دقيقة من العينة. وباستخدام الإعداد الموصوف، يمكن أن يصل الاستبانة المكانية(x وy mapping) إلى 0.5 ميكرومتر بينما يمكن أن يكون الاستبانة الطيفية 0.2 نانومتر لرسم الخرائط في النط?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
يشكر المؤلفون السيد ديلان إررولات والبروفيسور مورالي موروغيسو من قسم الكيمياء والعلوم الجزيئية الحيوية في جامعة أوتاوا على توفير [TBEu (bpm) (tfaa)6] بلورات واحدة. E.M.R، N.R. و E.H. نقدر بامتنان الدعم المالي المقدم من جامعة أوتاوا، والمؤسسة الكندية للابتكار (CFI)، ومجلس العلوم الطبيعية والبحوث الهندسية كندا (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 |
Referenzen
- 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).
