L'imaging iperspettrale come strumento per studiare l'anisotropia ottica nei cristalli singoli molecolari basati sul Lanthanide
Summary
Qui presentiamo un protocollo per ottenere dati di imaging iperspettrale luminescente e per analizzare le caratteristiche di anisotropia ottica dei singoli cristalli a base di lanthanide utilizzando un sistema di imaging iperspettrale.
Abstract
In questo lavoro, descriviamo un protocollo per una nuova applicazione dell’imaging iperspettrale (HSI) nell’analisi dei cristalli singoli molecolari basati su lantanodi di lunescente (Ln3). Come esempio rappresentativo, abbiamo scelto un singolo cristallo del complesso eterodinucleare a base di Ln [TbEu(bpm)(tfaa)6] (bpm-2,2′-bipyrimidine, tfaa– 1,1,1-trifluoroacetylacetonate) che esibiono un’emissione visibile brillante sotto l’eccitazione UV. HSI è una tecnica emergente che combina l’imaging spaziale bidimensionale di una struttura luminescente con informazioni spettrali da ogni pixel dell’immagine ottenuta. In particolare, HSI su singoli cristalli del complesso [Tb-Eu] ha fornito informazioni spettrali locali svelando la variazione dell’intensità della luminescenza in diversi punti lungo i cristalli studiati. Questi cambiamenti sono stati attribuiti all’anisotropia ottica presente nel cristallo, che deriva dal diverso imballaggio molecolare degli ioni Ln3 in ciascuna delle direzioni della struttura cristallina. L’HSI qui descritto è un esempio dell’idoneità di tale tecnica per le indagini spettrospaziali di materiali molecolari. Tuttavia, cosa importante, questo protocollo può essere facilmente esteso per altri tipi di materiali luminescenti (come cristalli molecolari di dimensioni micron, microparticelle inorganiche, nanoparticelle nei tessuti biologici o cellule etichettate, tra gli altri), aprendo molte possibilità per un’indagine più approfondita delle relazioni struttura-proprietà. In definitiva, tali indagini forniranno conoscenze da sfruttare nell’ingegneria di materiali avanzati per un’ampia gamma di applicazioni, dalla bioimaging alle applicazioni tecnologiche, come guide d’onda o dispositivi optoelettronici.
Introduction
L’imaging iperspettrale (HSI) è una tecnica che genera una mappa spaziale in cui ogni coordinata x-y contiene informazioni spettrali che potrebbero essere basate su qualsiasi tipo di spettroscopia, vale a dire fotoluminescenza, assorbimento e spettroscopia a dispersione1,2,3. Di conseguenza, viene ottenuto un set di dati tridimensionali (chiamato anche “cubo iperspettrale”), in cui le coordinate x-y sono gli assi spaziali e la coordinata z è l’informazione spettrale del campione analizzato. Pertanto, il cubo iperspettrale contiene informazioni spaziali e spettrali, fornendo un’indagine spettroscopica più dettagliata del campione rispetto alla spettroscopia tradizionale. Mentre HSI è conosciuta da anni nel campo del telerilevamento (adesempio, geologia, industrie alimentari4), è recentemente emerso come una tecnica innovativa per la caratterizzazione dei nanomateriali2,5 o sonde per applicazioni biomediche3,6,7,8. In generale, non è limitato al dominio UV/visible/near-infrared (NIR), ma può anche essere esteso utilizzando altre sorgenti di radiazione, come i raggi X – per esempio al fine di caratterizzare la distribuzione elementare in diversi materiali9 – o radiazioni Terahertz, dove HSI è stato utilizzato per eseguire il rilevamento termico nei tessuti biologici8. Inoltre, la mappatura della fotoluminescenza è stata combinata con la mappatura Raman per sondare le proprietà ottiche del monostrato MoS210. Eppure, tra le applicazioni riportate di HSI ottico, ci sono ancora solo alcuni esempi su HSI di materiali a base di lanthanide11,12,13,14,15,16,17. Ad esempio, possiamo citare: rilevamento del cancro nei tessuti6, analisi della profondità di penetrazione della luce nei tessuti biologici7, imaging biologico moltiplicato3,analisi del trasferimento di energia multicomponente nei sistemi ibridi11e indagine dei cambiamenti indotti dall’aggregazione nelle proprietà spettroscopiche delle nanoparticelle di upconverting12. Chiaramente, l’attrattiva di HSI deriva dalla sua idoneità a generare conoscenze sulla luminescenza specifica dell’ambiente, fornendo informazioni spaziali e spettrali simultanee sulla sonda.
Approfittando di questa potente tecnica, qui viene descritto un protocollo per studiare l’anisotropia ottica dell’eterodinucleare Tb3,-Eu3, cristallo singolo [TbEu(bpm)(tfaa)6] (Figura 1a)13. L’anisotropia ottica osservata derivava dal diverso imballaggio molecolare degli ioni Ln3 nelle diverse direzioni cristallografiche (Figura 1b), con il risultato che alcune facce di cristallo mostravano una luminosità più luminosa, altre mostravano la fotoluminescenza dimmer. È stato suggerito che l’accresciuta intensità della luminescenza in facce specifiche del cristallo fosse correlata con un trasferimento di energia più efficiente lungo quelle direzioni cristallografiche in cui l’Ln3 Ledistanze di Ln 3 o più ioni erano le13più brevi.
Motivati da questi risultati, proponiamo l’istituzione di una metodologia dettagliata per analizzare l’anisotropia ottica attraverso HSI, aprendo il percorso per una migliore comprensione dei processi di trasferimento di energia agli ioni e delle proprietà luminescenti regolabili derivanti da una specifica disposizione molecolare18,19. Queste relazioni struttura-proprietà sono state riconosciute come aspetti importanti per la progettazione di materiali ottici innovativi, tra cui, ma non solo, i sistemi di guida d’onda e i dispositivi di archiviazione opto-magnetici su nano e microscala , affrontando la domanda di sistemi ottici più efficienti e miniaturizzati20.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il protocollo di imaging iperspettrale qui descritto fornisce un approccio semplice che consente di ottenere informazioni spettroscopiche in posizioni precise del campione. Utilizzando l’impostazione descritta, la risoluzione spaziale (mappingx e y) può raggiungere 0,5 m mentre la risoluzione spettrale può essere di 0,2 nm per il mapping nell’intervallo visibile e di 0,6 nm per l’intervallo NIR.
Al fine di condurre la mappatura iperspettrale su un singolo cristallo, la prep…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori ringraziano Dylan Errulat e il professor Muralee Murugesu del Dipartimento di Chimica e Scienze Biomolecolari dell’Università di Ottawa per la fornitura di cristalli singoli [TbEu(bpm)(tfaa)6.] single crystals. E.M.R., N.R., e E.H. riconoscono con gratitudine il sostegno finanziario fornito dall’Università di Ottawa, dalla Canadian Foundation for Innovation (CFI) e dal Natural Sciences and Engineering Research Council Canada (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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