Hyperspektral billeddannelse som et værktøj til at studere optisk anisotropi i Lanthanide-baserede molekylære enkeltkrystaller

Summary

Her præsenterer vi en protokol for at opnå selvlysende hyperspektrale billeddannelsesdata og til at analysere optiske anisotropifunktioner i lanthanidebaserede enkeltkrystaller ved hjælp af et Hyperspektral imagingsystem.

Abstract

I dette arbejde beskriver vi en protokol for en ny anvendelse af hyperspektral billeddannelse (HSI) i analysen af selvlysende lanthanid (Ln^{3 +})-baserede molekylære enkeltkrystaller. Som repræsentativt eksempel valgte vi en enkelt krystal af det heterodinukleare ln-baserede kompleks [TbEu(bpm)(tfaa)₆] (bpm=2,2′-bipyrimidin, tfaa^– =1,1,1-trifluoractylacetonate), der udviser lys synlig emission under UV-excitation. HSI er en ny teknik, der kombinerer 2-dimensionel rumlig billeddannelse af en selvlysende struktur med spektrale oplysninger fra hver pixel i det opnåede billede. Konkret gav HSI på enkelte krystaller af [Tb-Eu]-komplekset lokale spektrale oplysninger, der afslørede variationen i luminescensintensiteten på forskellige steder langs de undersøgte krystaller. Disse ændringer blev tilskrevet den optiske anisotropi til stede i krystallen, som skyldes de forskellige molekylære pakning af Ln^{3 +} ioner i hver af retningerne af krystalstruktur. Den beskrevne HSI-teknik er et eksempel på egnetheden af en sådan teknik til spektro-rumlige undersøgelser af molekylære materialer. Men det er vigtigt, at denne protokol let kan udvides til andre typer selvlysende materialer (såsom mikron-størrelse molekylære krystaller, uorganiske mikropartikler, nanopartikler i biologiskvæv, eller mærkede celler, blandt andre), hvilket åbner mange muligheder for en dybere undersøgelse af struktur-ejendom relationer. I sidste ende vil sådanne undersøgelser give viden, der skal udnyttes til at udarbejde avancerede materialer til en bred vifte af applikationer fra bioimaging til teknologiske applikationer, såsom waveguides eller optoelektroniskudstyr.

Introduction

Hyperspectral Imaging (HSI) er en teknik, der genererer et rumligt kort, hvor hver x-y koordinat indeholder en spektral information, der kunne være baseret på enhver form for spektroskopi, nemlig fotoluminescens, absorption og spredning spektroskopier^1,2,3. Som følge heraf opnås et 3-dimensionelt datasæt (også kaldet “hyperspektralkube”), hvor x-y-koordinaterne er de rumlige akser, og z-koordinatet er de spektrale oplysninger fra den analyserede prøve. z Derfor indeholder den hyperspektrale terning både rumlige og spektrale oplysninger, hvilket giver en mere detaljeret spektroskopisk undersøgelse af prøven end traditionel spektroskopi. Mens HSI har været kendt i årevis inden for telemåling(f.eks. geologi, fødevareindustri^4),viste det sig for nylig som en innovativ teknik til karakterisering af nanomaterialer^2,5 eller sonder til biomedicinske anvendelser^3,6,7,8. Generelt er det ikke begrænset til UV / synlig / nær-infrarød (NIR) domæne, men kan også udvides ved hjælp af andre strålingskilder, såsom røntgenstråler – for eksempel for at karakterisere elementær fordeling i forskellige materialer⁹ – eller Terahertz stråling, hvor HSI blev brugt til at udføre termisk sensing i biologiske væv⁸. Desuden er fotoluminescens kortlægning blevet kombineret med Raman kortlægning at sonde de optiske egenskaber monolayer MoS₂¹⁰. Men blandt de rapporterede anvendelser af optisk HSI er der stadig kun nogle få eksempler på HSI af lanthanidebaserede materialer^{11,12,13,14,15,16,17}. For eksempel kan vi nævne: påvisning af kræft i væv^6,analyse af lysindtrængningsdybden i biologisk væv⁷, multiplexeret biologisk billeddannelse³, analyse af multikomponentenergioverførsel i hybridsystemer¹¹og undersøgelse af aggregeringsinducerede ændringer i spektroskopiske egenskaber af konverterende nanopartikler¹². Det er klart, at HSI’s tiltrækningskraft skyldes dets egnethed til at skabe viden om miljøspecifik luminescens, hvilket giver samtidige rumlige og spektrale oplysninger om sonden.

Drage fordel af denne kraftfulde teknik, vi heri beskrive en protokol til at undersøge den optiske anisotropi af den heterodinukleare Tb^{3 +}-Eu^{3 +} enkelt krystal [TbEu(bpm) (tfaa)₆] (Figur 1a)¹³. Den optiske anisotropi observeret skyldes de forskellige molekylære pakning af Ln^{3 +} ioner i de forskellige krystallografiske retninger (Figur 1b), hvilket resulterer i nogle krystal ansigter viser lysere, andre viser lysdæmper fotoluminescens. Det blev foreslået, at den øgede luminescensintensitet ved specifikke flader af krystallen var korreleret med mere effektiv energioverførsel langs de krystallografiske retninger, hvor Ln³⁺··· Ln^{3 +} ion afstande var den korteste¹³.

Motiveret af disse resultater, foreslår vi etablering af en detaljeret metode til at analysere optisk anisotropi gennem HSI, der åbner vejen for en bedre forståelse af ion-ion energioverførselsprocesser og afstemmelige selvlysende egenskaber stammer fra specifikke molekylære arrangement^18,19. Disse struktur-egenskaber relationer er blevet anerkendt som vigtige aspekter for innovative optiske materialer design, herunder, men ikke begrænset til waveguide systemer og opto-magnetiske lagringsenheder på nano og mikroskala – løse efterspørgslen efter mere effektive og miniaturiserede optiske systemer²⁰.

Protocol

FORSIGTIG: Det anbefales at bruge sikkerhedsbriller, der er specifikke for den excitationsbølgelængde, der anvendes på alle tidspunkter, når du betjener imageren. 1. Konfiguration af hyperspektrale mikroskop BEMÆRK: En oversigt over hyperspektrale billeddannelsessystem findes i figur 2a, hvor hovedkomponenterne i imageren beskrives. Billedsystemet kan bruges til at detektere den synlige eller næsten infrarøde (NIR) emission fra en …

Representative Results

For at illustrere konfigurationen af hyperspektrale mikroskop til dataindsamling på en Ln-baseret, molekylær enkelt krystal (dvs. [TbEu(bpm) (tfaa)6], Figur 1a), Figur 2 viser en oversigt over systemet samt den rigtige placering af de optiske terninger i opsætningen. Figur 3 viser et skærmbillede af PHySpec-softwaren, der indeholder de menuer, der blev brugt under HSI-erhvervelsen. Figur 4</strong…

Discussion

Den hyperspektrale billedbehandlingsprotokol, der er beskrevet her, giver en enkel tilgang, der gør det muligt at indhente spektroskopiske oplysninger på præcise steder af prøven. Ved hjælp af den beskrevne opsætning kan den rumlige opløsning(x og y-tilknytning) nå ned til 0,5 μm, mens spektralopløsningen kan være på 0,2 nm for kortlægningen ved det synlige område og 0,6 nm for NIR-området.

For at udføre hyperspektral kortlægning på en enkelt krystal, prøve…

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