Гиперспектральная визуализация как инструмент для изучения оптической анисотропии в молекулярных однокристаллических кристаллах на основе лантанида
Summary
Здесь мы представляем протокол для получения люминесцентных гиперспектральных данных изображения и анализа оптических анисотропных особенностей одиночных кристаллов на основе лантанида с помощью гиперспектральной системы визуализации.
Abstract
В этой работе мы описываем протокол для нового применения гиперспектральной визуализации (HSI) в анализе люминесцентного лантанида (Ln3)на основе молекулярных одиночных кристаллов. В качестве репрезентативного примера мы выбрали единый кристалл неортоненциального комплекса на основе Ln (TbEu (bpm)(tfaa)6( bpm-2,2′-bipyrimidine, tfaa– 1,1,1-трифтороацетететонат), демонстрирующий яркое видимое излучение под ультрафиолетовым возбуждением. HSI является новой техникой, которая сочетает в себе 2-мерную пространственную визуализацию люминесцентной структуры со спектральной информацией с каждого пикселя полученного изображения. В частности, HSI на одиночных кристаллах комплекса «Tb-Eu» предоставил местную спектральную информацию, раскрывающую вариацию интенсивности люминесценции в различных точках вдоль исследуемых кристаллов. Эти изменения были связаны с оптической анисотропией, присутствующей в кристалле, которая является результатом различной молекулярной упаковки ионов Ln3 в каждом из направлений кристаллической структуры. Описанный в настоящем материале HSI является примером пригодности такой техники для спектропространственных исследований молекулярных материалов. Тем не менее, что важно, этот протокол может быть легко расширен для других типов люминесцентных материалов (таких как микрон размера молекулярных кристаллов, неорганических микрочастиц, наночастиц в биологических тканях, или помеченных клеток, среди других), открывая много возможностей для более глубокого исследования структуры собственности отношений. В конечном счете, такие исследования обеспечат знания, которые будут использоваться для разработки передовых материалов для широкого спектра применений от биовизуализации до технологических приложений, таких как волноводы или оптоэлектронные устройства.
Introduction
Гиперспектральная визуализация (HSI) является метод, который генерирует пространственную карту, где каждая координата x-y содержит спектральную информацию, которая может быть основана на любой спектроскопии, а именно фотолюминесценции, поглощения и рассеяния спектроскопии1,2,3. В результате получается трехмерный набор данных (также называемый «гиперспектральный куб»), где координаты x-y являются пространственными осями, а c-координаты — спектральной информацией из исследуемого образца. z Таким образом, гиперспектральный куб содержит как пространственную, так и спектральную информацию, обеспечивая более детальное спектроскопическое исследование образца, чем традиционная спектроскопия. В то время как HSI был известен в течение многих лет в области дистанционного зондирования (например, геология, пищевая промышленность4),он недавно стал инновационным методом для характеристики наноматериалов2,5 или зондов для биомедицинских приложений3,6,7,., 8. Вообще говоря, он не ограничивается УФ/видимым/ближним инфракрасным (NIR) доменом, но также может быть расширен с помощью других источников излучения, таких как рентгеновские лучи – например, для того, чтобы охарактеризовать элементарное распределение в различных материалах9 – или Terahertz излучения, где HSI был использован для выполнения теплового зондирования в биологических тканях8. Кроме того, фотолюминесценция отображение было объединено с Раман отображение для зондирования оптических свойств монослой MoS210. Тем не менее, среди зарегистрированных приложений оптических HSI, Есть еще только несколько примеров на HSI лантанид основе материалов11,12,13,14,15,16,17. Например, мы можем привести: обнаружение рака в тканях6,анализ глубины проникновения света в биологические ткани7,мультиплексная биологическая визуализация3,анализ многокомпонентной передачи энергии в гибридных системах11,и исследование агрегационных изменений в спектроскопических свойствах переконвертирующих наночастиц12. Очевидно, что привлекательность HSI обусловлена его пригодностью для получения знаний о специфической для окружающей среды люминесценции, обеспечивая одновременную пространственную и спектральную информацию о зонде.
Воспользовавшись этой мощной техникой мы здесь описать протокол для исследования оптической анисотропии неортопедической Tb3 “-Eu3″ одного кристалла “TbEu (bpm) (tfaa)6) (Рисунок 1a)13. Оптическая анисотропная наблюдаемая результатом различных молекулярных упаковок ионов Ln3 в различных кристаллографических направлениях(рисунок 1b),в результате чего некоторые кристаллические грани показывают ярче, другие показывая тусклый фотолюминесценции. Было высказано предположение, что повышенная интенсивность люминесценции на конкретных гранях кристалла коррелирует с более эффективной передачей энергии по тем кристаллографическим направлениям, где Ln3 Ln3 “ионные расстояния были кратчайшими13.
Руководствуясь этими результатами, мы предлагаем создать детальную методологию для анализа оптической анизотропии через HSI, открывая путь для лучшего понимания процессов передачи ионно-ионной энергии и настраиваемых люминесцентных свойств, вытекающих из конкретного молекулярного расположения18,19. Эти структуры-свойства отношения были признаны в качестве важных аспектов для инновационного дизайна оптических материалов, включая, но не ограничивайся волнообразной системи и оптико-магнитных устройств хранения на нано и микромасштабе – удовлетворение спроса на более эффективные и миниатюрные оптические системы20.
Protocol
Representative Results
Discussion
Описанный здесь протокол гиперспектральной визуализации обеспечивает простой подход, позволяющий получать спектроскопическую информацию в точных местах выборки. Используя описанную установку, пространственное разрешение(x и y отображение) может достигать 0,5 мкм, в то время …
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы благодарят г-на Дилана Эррулата и профессора Мурали Муругесу (Muralee Murugesu) из кафедры химии и биомолекулярных наук Университета Оттавы за предоставление «TEu(bpm)(tfaa)6» одиночных кристаллов. E.M.R., N.R. и E.H. с благодарностью признают финансовую поддержку, оказываемую Университетом Оттавы, Канадским фондом инноваций (CFI) и Канадским советом естественных наук и инженерных исследований Канады (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).
