Imágenes hiperespectrales como herramienta para estudiar la anisotropía óptica en cristales únicos moleculares basados en lantanoia
Summary
Aquí, presentamos un protocolo para obtener datos de imágenes hiperespectrales luminiscentes y para analizar las características de anisotropía óptica de cristales únicos basados en lantanoide utilizando un sistema de imágenes hiperespectrales.
Abstract
En este trabajo, describimos un protocolo para una novedosa aplicación de imágenes hiperespectrales (HSI) en el análisis de cristales únicos moleculares basados en lantanoide luminiscente (Ln3+). Como ejemplo representativo, elegimos un único cristal del complejo heterodinuclear basado en Ln [TbEu(bpm)(tfaa)6] (bpm-2,2′-bipirimidina, tfaa– 1,1,1-trifluoroacetylacetonate) que exhibe una emisión visible brillante bajo excitación UV. HSI es una técnica emergente que combina imágenes espaciales en 2 dimensiones de una estructura luminiscente con información espectral de cada píxel de la imagen obtenida. Específicamente, HSI en cristales individuales del complejo [Tb-Eu] proporcionó información espectral local revelando la variación de la intensidad de la luminiscencia en diferentes puntos a lo largo de los cristales estudiados. Estos cambios se atribuyeron a la anisotropía óptica presente en el cristal, que resulta del embalaje molecular diferente de los iones Ln3+ en cada una de las direcciones de la estructura cristalina. El HSI aquí descrito es un ejemplo de la idoneidad de dicha técnica para las investigaciones espectro-espaciales de materiales moleculares. Sin embargo, es importante destacar que este protocolo se puede extender fácilmente para otros tipos de materiales luminiscentes (como cristales moleculares del tamaño de micrones, micropartículas inorgánicas, nanopartículas en tejidos biológicos o células etiquetadas, entre otros), lo que abre muchas posibilidades para una investigación más profunda de las relaciones estructura-propiedad. En última instancia, estas investigaciones proporcionarán conocimientos que se aprovecharán en la ingeniería de materiales avanzados para una amplia gama de aplicaciones, desde la bioimagen hasta aplicaciones tecnológicas, como guías de ondas o dispositivos optoelectrónicos.
Introduction
La imagen hiperespectral (HSI) es una técnica que genera un mapa espacial donde cada coordenada x-y contiene una información espectral que podría basarse en cualquier tipo de espectroscopia, a saber, fotoluminiscencia, absorción y dispersión de espectroscopias1,,2,,3. Como resultado, se obtiene un conjunto tridimensional de datos (también llamado “cubo hiperespectral”), donde las coordenadas x-y son los ejes espaciales y la coordenada z es la información espectral de la muestra analizada. Por lo tanto, el cubo hiperespectral contiene información espacial y espectral, proporcionando una investigación espectroscópica más detallada de la muestra que la espectroscopia tradicional. Si bien HSI se conoce desde hace años en el campo de la teledetección (porejemplo, geología, industrias alimentarias4),recientemente surgió como una técnica innovadora para la caracterización de nanomateriales2,,5 o sondas para aplicaciones biomédicas3,6,7,8. En términos generales, no se limita al dominio UV/visible/casi infrarrojo (NIR), sino que también puede extenderse utilizando otras fuentes de radiación, como los rayos X, por ejemplo, con el fin de caracterizar la distribución elemental en diferentes materiales9, o la radiación de Terahertz, donde se utilizó HSI para realizar la sensibilidad térmica en tejidos biológicos8. Además, el mapeo de fotoluminiscencia se ha combinado con el mapeo de Raman para sondear las propiedades ópticas de la monocapa MoS210. Sin embargo, entre las aplicaciones notificadas de HSI óptico, todavía hay sólo unos pocos ejemplos sobre HSI de materiales a base de lantanoide11,12,13,14,15,16,17. Por ejemplo, podemos citar: detección de cáncer en tejidos6,análisis de la profundidad de penetración de la luz en tejidos biológicos7,imágenes biológicas multiplexadas3,análisis de transferencia de energía multicomponente en sistemas híbridos11,e investigación de cambios inducidos por la agregación en propiedades espectroscópicas de la conversión de nanopartículas12. Claramente, el atractivo de HSI surge de su idoneidad para generar conocimiento sobre la luminiscencia específica del entorno, proporcionando información espacial y espectral simultánea sobre la sonda.
Aprovechando esta poderosa técnica aquí describimos un protocolo para investigar la anisotropía óptica del heterodinuclear Tb3+-Eu3+ single crystal [TbEu(bpm)(tfaa)6] (Figura 1a)13. La anisotropía óptica observada fue el resultado del diferente empaque molecular de los iones Ln3+ en las diferentes direcciones cristalográficas(Figura 1b),lo que dio lugar a que algunas caras de cristal mostraran más brillante, otras que muestran fotoluminiscencia más tenue. Se sugirió que el aumento de la intensidad de la luminiscencia en caras específicas del cristal se correlacionaba con una transferencia de energía más eficiente a lo largo de esas direcciones cristalográficas donde el Ln3+ Las distancias de iones Ln3+ fueron las13más cortas.
Motivados por estos resultados, proponemos el establecimiento de una metodología detallada para analizar la anisotropía óptica a través de HSI, abriendo el camino para una mejor comprensión de los procesos de transferencia de energía ión-ion y propiedades luminiscentes ajustables derivadas de la disposición molecular específica18,,19. Estas relaciones estructura-propiedades han sido reconocidas como aspectos importantes para el diseño de materiales ópticos innovadores, incluidos, entre otros, los sistemas de guía de ondas y los dispositivos de almacenamiento optomagnéticos a nano y microescala, atendiendo la demanda de sistemas ópticos más eficientes y miniaturizados20.
Protocol
Representative Results
Discussion
El protocolo de imágenes hiperespectrales aquí descrito proporciona un enfoque sencillo que permite obtener información espectroscópica en ubicaciones precisas de la muestra. Usando la configuración descrita, la resolución espacial (asignaciónx e y) puede alcanzar hasta 0.5 m mientras que la resolución espectral puede ser de 0.2 nm para la asignación en el rango visible y 0.6 nm para el rango NIR.
Con el fin de realizar mapeo hiperespectral en un solo cristal, la pre…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores agradecen al Sr. Dylan Errulat y al Prof. Muralee Murugesu del Departamento de Química y Ciencias Biomoleculares de la Universidad de Ottawa por el suministro de cristales únicos [TbEu(bpm)(tfaa)6]. E.M.R, N.R. y E.H. agradecen el apoyo financiero proporcionado por la Universidad de Ottawa, la Fundación Canadiense para la Innovación (CFI) y el Consejo de Investigación en Ciencias Naturales e Ingeniería de Canadá (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 |
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