Lantanit Bazlı Moleküler Tek Kristallerde Optik Asiztropi Çalışma Aracı Olarak Hiperspektral Görüntüleme
Summary
Burada, parlak hiperspektral görüntüleme verilerini elde etmek ve hiperspektral görüntüleme sistemi kullanarak lantanit bazlı tek kristallerin optik asiztropi özelliklerini analiz etmek için bir protokol sıyoruz.
Abstract
Bu çalışmada, parlak lantanit (Ln3+) tabanlı moleküler tek kristallerin analizinde hiperspektral görüntülemenin (HSI) yeni bir uygulaması için bir protokol açıklanmıştır. Temsili örnek olarak, uv uyarma altında parlak görünür emisyon sergileyen heterodinuclear Ln tabanlı kompleksin [TbEu(bpm)(tfaa)6] (bpm=2,2′-bipyrimidine, tfaa– =1,1,1-trifloroacetylacetonate) tek bir kristal seçti. HSI, Elde edilen görüntünün her pikselinden elde edilen spektral bilgilerle ışıldayan bir yapının 2 boyutlu uzamsal görüntülemesini birleştiren yeni ortaya çıkan bir tekniktir. Özellikle, [Tb-Eu] kompleksinin tek kristalleri üzerindeki HSI, incelenen kristaller boyunca farklı noktalardaki parlaklık yoğunluğunun değişimini açıklayan yerel spektral bilgiler sağladı. Bu değişiklikler, kristal yapısının her bir yönünde Ln3+ iyonlarının farklı moleküler ambalajından kaynaklanan kristaldeki optik aizotropiye atfedilmiştir. Burada açıklanan HSI, moleküler malzemelerin spektro-mekansal incelemeleri için bu tekniğin uygunluğunun bir örneğidir. Ancak, daha da önemlisi, bu protokol kolayca parlak malzemelerin diğer türleri için uzatılabilir (mikron boyutlu moleküler kristaller gibi, inorganik mikro tanecikleri, biyolojik dokularda nano tanecikleri, ya da etiketli hücreler, diğerleri arasında), yapı-mülkiyet ilişkilerinin daha derin soruşturma için birçok olasılık açılması. Sonuç olarak, bu tür araştırmalar, biyogörüntülemeden dalga kılavuzları veya optoelektronik cihazlar gibi teknolojik uygulamalara kadar çok çeşitli uygulamalar için gelişmiş malzemelerin mühendisliğinde kullanılacak bilgi sağlayacaktır.
Introduction
Hiperspektral Görüntüleme (HSI) her x-y koordinatspektroskopi, yani fotolüminesans, emilim ve saçılma spektroskopi1,2,,3her türlü dayalı olabilir bir spektral bilgi içeren bir mekansal harita üreten bir tekniktir . Sonuç olarak, x-y koordinatlarının uzamsal eksenler, z koordinatı ise analiz edilen örnekteki spektral bilginin olduğu 3 boyutlu bir veri kümesi (“hiperspektral küp” olarak da adlandırılır) elde edilir. Bu nedenle, hiperspektral küp geleneksel spektroskopik daha örnek daha ayrıntılı bir spektroskopik araştırma sağlayan, hem mekansal hem de spektral bilgi içerir. HSI uzaktan algılama alanında yıllardır bilinen iken(örneğin,, jeoloji, gıda sanayi4),son zamanlarda nanomalzemelerin karakterizasyonu için yenilikçi bir teknik olarak ortaya çıktı2,5 veya biyomedikal uygulamalar için problar3,6,7,8. Genel olarak konuşursak, UV /görünür/yakın kızılötesi (NIR) etki alanı ile sınırlı değildir, ancak x-ışınları gibi diğer radyasyon kaynakları kullanılarak da genişletilebilir – örneğin farklı malzemelerdeki elementdağılımını karakterize etmek için9 – veya HSI’nin biyolojik dokularda termal algılama yapmak için kullanıldığı Terahertz radyasyonu8. Ayrıca, fotolüminesans haritalama Raman haritalama monolayer MoS210optik özelliklerini araştırmak için birleştirilmiştir. Ancak, optik HSI bildirilen uygulamalar arasında, lantanit tabanlı malzemelerin HSI üzerinde hala sadece birkaç örnek vardır11,12,,13,14,15,16,17. Örneğin, biz alıntı olabilir: dokularda kanser tespiti6, biyolojik dokularda ışık penetrasyon derinliği analizi7, çok katlı biyolojik görüntüleme3, hibrid sistemlerde çok bileşenli enerji transferinin analizi11, ve nano tanecikleri upconverting spektroskopik özellikleri agregasyon kaynaklı değişikliklerin araştırılması12. Açıkçası, HSI çekiciliği çevreye özgü lüminesans hakkında bilgi üretmek için uygunluğu kaynaklanmaktadır, prob hakkında eşzamanlı mekansal ve spektral bilgi sağlayan.
Bu güçlü teknikten yararlanarak heterodinuclear Tb3+-Eu3+ tek kristal [TbEu(bpm)(tfaa)6](Şekil 1a)13’ünoptik asiztropisini araştırmak için bir protokol açıklıyoruz. Gözlenen optik aizotropi, ln3+ iyonlarının farklı kristalografik yönlerde(Şekil 1b)farklı moleküler ambalajından kaynaklanır ve bu da bazı kristal yüzlerin daha parlak, bazılarının ise dimmer fotolüminesans göstermesiyle sonuçlanmıştır. Kristalin belirli yüzlerindeki artan parlaklık yoğunluğunun, Ln3+··· Ln3+ iyon mesafeleri en kısa13idi.
Bu sonuçlardan motive olarak, hsi üzerinden optik aizotropi analiz etmek için ayrıntılı bir metodoloji kurulmasını öneriyoruz, iyon-iyon enerji transfer süreçlerinin daha iyi anlaşılması için yol açılması ve belirli moleküler düzenleme kaynaklanan tunable luminescent özellikleri18,19. Bu yapı özellikleri ilişkileri dahil olmak üzere yenilikçi optik malzeme tasarımı için önemli yönleri olarak kabul edilmiştir, ancak nano ve mikro ölçekte dalga kılavuzu sistemleri ve opto-manyetik depolama cihazları ile sınırlı değildir – daha verimli ve minyatür optik sistemler için talep ele20.
Protocol
Representative Results
Discussion
Burada açıklanan hiperspektral görüntüleme protokolü, numunenin kesin konumlarında spektroskopik bilgi elde edilmesine olanak tanıyan basit bir yaklaşım sağlar. Açıklanan kurulum kullanılarak, uzamsal çözünürlük(x ve y eşleme) 0,5 μm’ye kadar, spektral çözünürlük görünür aralıktaki eşleme için 0,2 nm ve NIR aralığında 0,6 nm olabilir.
Tek bir kristal üzerinde hiperspektral haritalama yapmak için, örnek hazırlama kolay bir prosedür izler…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar [TbEu(bpm)(tfaa)6] tek kristaller sağlanması için Ottawa Üniversitesi Kimya ve Biyomoleküler Bilimler Bölümü’nden Sayın Dylan Errulat ve Prof Muralee Murugesu teşekkür ederim. E.M.R, N.R. ve E.H. Ottawa Üniversitesi, Kanada Yenilik Vakfı (CFI) ve Kanada Doğa Bilimleri ve Mühendislik Araştırma Konseyi (NSERC) tarafından sağlanan mali desteği minnetle kabul etmektedir.
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 |
References
- 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).
