L’imagerie hyperspectrale comme outil pour étudier l’anisotropie optique dans les cristaux uniques moléculaires à base de Lanthanide
Summary
Ici, nous présentons un protocole pour obtenir des données d’imagerie hyperspectrales luminescentes et pour analyser les caractéristiques optiques d’anisotropie des cristaux simples à base de lanthanide à l’aide d’un système d’imagerie hyperspectrale.
Abstract
Dans ce travail, nous décrivons un protocole pour une nouvelle application de l’imagerie hyperspectrale (HSI) dans l’analyse du lanthanide luminescent (Ln3) –basé cristaux moléculaires simples. À titre d’exemple représentatif, nous avons choisi un seul cristal du complexe à base de l’heterodinuclear Ln [TbEu(bpm)(tfaa)6] (bpm-2,2′-bipyrimidine, tfaa– 1,1,1-trifluoroacetylacetonate) présentant des émissions visibles lumineuses sous l’excitation UV. HSI est une technique émergente qui combine l’imagerie spatiale bidimensionnelle d’une structure luminescente avec des informations spectrales à partir de chaque pixel de l’image obtenue. Plus précisément, HSI sur des cristaux simples du complexe [Tb-Eu] a fourni des informations spectrales locales dévoilant la variation de l’intensité de la luminescence à différents points le long des cristaux étudiés. Ces changements ont été attribués à l’anisotropie optique présente dans le cristal, qui résulte de l’emballage moléculaire différent des ions Ln3 dans chacune des directions de la structure cristalline. Le HSI décrit ici est un exemple de la pertinence d’une telle technique pour les investigations spectro-spatiales des matériaux moléculaires. Pourtant, il est important de noter que ce protocole peut être facilement étendu à d’autres types de matériaux luminescents (tels que des cristaux moléculaires de taille micron, des microparticules inorganiques, des nanoparticules dans les tissus biologiques ou des cellules étiquetées, entre autres), ouvrant de nombreuses possibilités pour une recherche plus approfondie des relations structure-propriété. En fin de compte, ces recherches fourniront des connaissances à tirer parti de l’ingénierie de matériaux de pointe pour un large éventail d’applications allant du bioimagerie aux applications technologiques, comme les guides d’ondes ou les dispositifs optoélectroniques.
Introduction
L’imagerie hyperspectrale (HSI) est une technique qui génère une carte spatiale où chaque coordonnées x-y contient une information spectrale qui pourrait être basée sur n’importe quel type de spectroscopie, à savoir la photoluminescence, l’absorption et la dispersion des spectroscopies1,2,3. En conséquence, un ensemble tridimensionnel de données (également appelé «cube hyperspectral») est obtenu, où les coordonnées x-y sont les axes spatiaux et la coordonnées z est l’information spectrale de l’échantillon analysé. Par conséquent, le cube hyperspectral contient des informations spatiales et spectrales, fournissant une étude spectroscopique plus détaillée de l’échantillon que la spectroscopie traditionnelle. Alors que HSI a été connu pendant des années dans le domaine de la télédétection (parexemple, la géologie, les industries alimentaires4), il a récemment émergé comme une technique innovante pour la caractérisation des nanomatériaux2,5 ou des sondes pour les applications biomédicales3,6,7,8. D’une manière générale, il ne se limite pas au domaine UV/visible/proche infrarouge (NIR), mais peut également être étendu à l’aide d’autres sources de rayonnement, telles que les rayons X – par exemple pour caractériser la distribution élémentaire dans différents matériaux9 – ou le rayonnement Terahertz, où HSI a été utilisé pour effectuer la détection thermique dans les tissus biologiques8. En outre, la cartographie de photoluminescence a été combinée avec la cartographie de Raman pour sonder les propriétés optiques du moS210. Pourtant, parmi les applications rapportées de HSI optique, il n’y a encore que quelques exemples sur HSI de matériaux à base de lanthanide11,12,13,14,15,16,17. Par exemple, nous pouvons citer: détection du cancer dans les tissus6, analyse de la profondeur de pénétration de la lumière dans les tissus biologiques7, imagerie biologique multiplexed3, analyse du transfert d’énergie multicomponent dans les systèmes hybrides11, et l’étude des changements induits par l’agrégation dans les propriétés spectroscopiques des nanoparticules upconverting12. De toute évidence, l’attrait de HSI découle de son aptitude à générer des connaissances sur la luminescence spécifique à l’environnement, fournissant des informations spatiales et spectrales simultanées sur la sonde.
Profitant de cette technique puissante, nous décrivons ici un protocole pour étudier l’anisotropie optique de l’heterodinuclear Tb3 ‘-Eu3 ‘cristal unique [TbEu(bpm)(tfaa)6] (Figure 1a)13. L’anisotropie optique observée a résulté de l’emballage moléculaire différent des ions Ln3MD dans les différentes directions cristallographiques(figure 1b), résultant en certains visages de cristal montrant plus lumineux, d’autres montrant la photoluminescence gradurée. Il a été suggéré que l’intensité accrue de la luminescence à des faces spécifiques du cristal a été corrélée avec un transfert d’énergie plus efficace le long de ces directions cristallographiques où le Ln3 Les distances d’ion Ln3md étaient les13les plus courtes.
Motivés par ces résultats, nous proposons la mise en place d’une méthodologie détaillée pour analyser l’anisotropie optique à travers HSI, ouvrant la voie à une meilleure compréhension des processus de transfert d’énergie ion-ion et des propriétés luminescentes tunables découlant de l’arrangement moléculaire spécifique18,19. Ces relations structure-propriétés ont été reconnues comme des aspects importants pour la conception innovante des matériaux optiques, y compris, mais sans s’y limiter aux systèmes de guidage d’ondes et aux dispositifs de stockage opto-magnétiques à l’échelle nanométrique et micrométrique, répondant à la demande de systèmes optiques plus efficaces et miniaturisés20.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le protocole d’imagerie hyperspectral décrit ici fournit une approche simple qui permet d’obtenir des informations spectroscopiques à des endroits précis de l’échantillon. À l’aide de la configuration décrite, la résolution spatiale(x et y mapping) peut atteindre 0,5 m tandis que la résolution spectrale peut être de 0,2 nm pour la cartographie à la portée visible et de 0,6 nm pour la plage NIR.
Afin d’effectuer une cartographie hyperspectrale sur un seul …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs remercient M. Dylan Errulat et le professeur Muralee Murugesu du Département de chimie et de sciences biomoléculaires de l’Université d’Ottawa pour la fourniture de cristaux simples [TbEu(bpm) (tfaa)6]. E.M.R,N.R., et E.H. reconnaissent avec gratitude le soutien financier fourni par l’Université d’Ottawa, la Fondation canadienne pour l’innovation (FCI) et le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CSNG).
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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