Name: hyperspectral imaging as a tool to study optical anisotropy in lanthanide-based molecular single crystals
Uploaded: 2020-04-14T14:00:00
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Die Autoren danken Herrn Dylan Errulat und Prof. Muralee Murugesu vom Department of Chemistry and Biomolecular Sciences der University of Ottawa für die Bereitstellung von [TbEu(bpm)(tfaa)6] Einzelkristallen. E.M.R, N.R. und E.H. danken der finanziellen Unterstützung durch die University of Ottawa, die Canadian Foundation for Innovation (CFI) und den Natural Sciences and Engineering Research Council Canada (NSERC).

VORSICHT: Es wird empfohlen, Sicherheitsbrillen zu verwenden, die speziell für die Anregungswellenlänge verwendet werden, die bei der Bedienung des Imagers jederzeit verwendet wird.
1. Konfiguration des Hyperspektralmikroskops
HINWEIS: Eine Übersicht über das hyperspektrale Bildgebungssystem ist in Abbildung 2aenthalten, wobei die Hauptkomponenten des Imagers beschrieben werden. Das Bildgebungssystem kann zur Detektion der sichtbaren ...

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F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Excitation-scanning+hyperspectral+imaging+microscope.">Excitation-scanning hyperspectral imaging microscope.</a> Journal of Biomedical Optics. 19 (4), 046010 (2014).</li></ol>

Das hier beschriebene hyperspektrale Bildgebungsprotokoll bietet einen einfachen Ansatz, der es ermöglicht, spektroskopische Informationen an genauen Stellen der Probe zu erhalten. Mit dem beschriebenen Setup kann die räumliche Auflösung(x- und y-Mapping) bis zu 0,5 m erreichen, während die Spektralauflösung für die Zuordnung im sichtbaren Bereich 0,2 nm und für den NIR-Bereich 0,6 nm betragen kann.
Um eine hyperspektrale Kartierung auf einem einzelnen Kristall durchzu...

Hyperspektrale Bildgebung (HSI) ist eine Technik, die eine räumliche Karte generiert, bei der jede x-y-Koordinate spektrale Informationen enthält, die auf jeder Art von Spektroskopie basieren könnten, nämlich Photolumineszenz-, Absorptions- und Streuspektroskopien1,2,3. Als Ergebnis wird ein dreidimensionaler Datensatz (auch "Hyperspektralwürfel" genannt) erhalten, wobei die x-y-Koordinaten die räumlichen Achsen und die z-Koordinate die Spektralinformationen aus der analysierten Stichprobe sind. Daher enthält der hyperspektrale Würfel sowohl räumliche als auch spektrale Informationen, die eine detailliertere spektroskopische Untersuchung der Probe als die herkömmliche Spektroskopie bieten. Während HSI seit Jahren im Bereich der Fernerkundung bekannt ist (z.B. Geologie, Lebensmittelindustrie4), hat es sich vor kurzem als innovative Technik zur Charakterisierung von Nanomaterialien2,5 oder Sonden für biomedizinische Anwendungen3,6,7,8entwickelt.., Im Allgemeinen ist sie nicht auf die UV/visible/near-infrared (NIR) Domäne beschränkt, sondern kann auch mit anderen Strahlungsquellen, wie Röntgenstrahlen – zum Beispiel zur Charakterisierung der Elementarverteilung in verschiedenen Materialien9 – oder Terahertz-Strahlung erweitert werden, bei der HSI zur thermischen Erfassung in biologischen Geweben8verwendet wurde. Darüber hinaus wurde photoluminescence mapping mit Raman Mapping kombiniert, um die optischen Eigenschaften von Monolayer MoS210zu untersuchen. Unter den gemeldeten Anwendungen von optischem HSI gibt es jedoch nur wenige Beispiele für HSI von Lanthanid-basierten Materialien11,12,13,14,15,16,17. Zum Beispiel können wir zitieren: Nachweis von Krebs im Gewebe6, Analyse der Lichtdurchdringungstiefe in biologischen Geweben7, Multiplexed biologische Bildgebung3, Analyse der Mehrkomponenten-Energieübertragung in Hybridsystemen11, und Untersuchung von Aggregation-induzierten Veränderungen der spektroskopischen Eigenschaften von upconverting nanoparticles12. Die Attraktivität von HSI ergibt sich eindeutig aus seiner Eignung zur Generierung von Wissen über umgebungsspezifische Lumineszenz, die gleichzeitige räumliche und spektrale Informationen über die Sonde liefert.
Unter Ausnutzung dieser leistungsstarken Technik beschreiben wir hier ein Protokoll zur Untersuchung der optischen Anisotropie des heterodinuklearen Tb3+-Eu3+ Einzelkristalls [TbEu(bpm)(tfaa)6] (Abbildung 1a)13. Die beobachtete optische Anisotropie resultierte aus der unterschiedlichen molekularen Verpackung der Ln3+-Ionen in den verschiedenen kristallographischen Richtungen(Abbildung 1b), was dazu führte, dass einige Kristallflächen heller waren, andere dimmerphotolumineszenz zeigten. Es wurde vermutet, dass die erhöhte Lumineszenzintensität an bestimmten Flächen des Kristalls mit einer effizienteren Energieübertragung entlang dieser kristallographischen Richtungen korrelierte, in denen die Ln3+ Ln3+ Ionendistanzen waren die kürzesten13.
Motiviert durch diese Ergebnisse schlagen wir die Einrichtung einer detaillierten Methodik zur Analyse der optischen Anisotropie durch HSI vor, die den Weg für ein besseres Verständnis von Ionen-Ionen-Energieübertragungsprozessen und abstimmbaren Leuchteigenschaften öffnet, die sich aus der spezifischen molekularen Anordnung18,19ergeben. Diese Struktur-Eigenschaften-Beziehungen wurden als wichtige Aspekte für innovative optische Materialgestaltung anerkannt, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Wellenleitersysteme und optomagnetische Speichergeräte im Nano- und Mikromaßstab – um die Nachfrage nach effizienteren und miniaturisierten optischen Systemen zu decken20.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:667px;" width="666">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Microscope glass slides</td>
			<td style="width:123px;">FisherBrand</td>
			<td style="width:161px;">12-550-15</td>
			<td style="width:167px;">Glass slides used for sample preparation</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Visible and Near Infrared Hyperspectral Confocal Imager</td>
			<td style="width:123px;">PhotonETC</td>
			<td style="width:161px;"></td>
			<td>Microscope used for the analysis, builted according to the user needs, therefore it is no catalog number</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

hyperspectral imaging as a tool to study optical anisotropy in lanthanide-based molecular single crystals

In dieser Arbeit beschreiben wir ein Protokoll für eine neuartige Anwendung der hyperspektralen Bildgebung (HSI) bei der Analyse von lumineszierendem Lanthanid (Ln3+)basierenden molekularen Einzelkristallen. Als repräsentatives Beispiel wählten wir einen einzigen Kristall des heterodinuklearen Ln-basierten Komplexes [TbEu(bpm)(tfaa)6] (bpm=2,2'--bipyrimidin, tfaa– =1,1,1-trifluoroacetylacetonate), der eine helle sichtbare Emission unter UV-Erregung aufweist. HSI ist eine aufkommende Technik, die die zweidimensionale räumliche Bildgebung einer lumineszierenden Struktur mit spektralen Informationen aus jedem Pixel des erhaltenen Bildes kombiniert. Insbesondere lieferte HSI auf Einzelkristallen des [Tb-Eu]-Komplexes lokale spektrale Informationen, die Variationen der Lumineszenzintensität an verschiedenen Punkten entlang der untersuchten Kristalle enthüllten. Diese Veränderungen wurden auf die optische Anisotropie im Kristall zurückgeführt, die sich aus der unterschiedlichen molekularen Verpackung von Ln3+ Ionen in jeder der Richtungen der Kristallstruktur ergibt. Das hier beschriebene HSI ist ein Beispiel für die Eignung einer solchen Technik für spektroräumliche Untersuchungen molekularer Materialien. Dennoch ist es wichtig, dass dieses Protokoll leicht auf andere Arten von leuchtminen Materialien erweitert werden kann (z. B. molekulare Kristalle in Mikrogröße, anorganische Mikropartikel, Nanopartikel in biologischen Geweben oder markierte Zellen, die viele Möglichkeiten für eine tiefere Untersuchung von Struktur-Eigenschaft-Beziehungen eröffnen. Letztlich werden solche Untersuchungen Wissen liefern, das in die Entwicklung fortschrittlicher Materialien für eine breite Palette von Anwendungen wie Bioimaging bis hin zu technologischen Anwendungen wie Wellenleitern oder optoelektronischen Geräten genutzt werden kann.

Zur Veranschaulichung der Konfiguration des Hyperspektralmikroskops für die Datenerfassung auf einem Ln-basierten, molekularen Einzelkristall (d.h. [TbEu(bpm)(tfaa)6], Abbildung 1azeigt Abbildung 2 einen Überblick über das System sowie die richtige Platzierung der optischen Würfel im Setup. Abbildung 3 zeigt einen Screenshot der PHySpec-Software mit den Menüs, die während der HSI-Erfassung verwendet wurden. <strong ...

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Hyperspectral Imaging as a Tool to Study Optical Anisotropy in Lanthanide-Based Molecular Single Crystals

Hier stellen wir ein Protokoll vor, um lumineszierende hyperspektrale Bildgebungsdaten zu erhalten und optische Anisotropie-Features von Lanthanid-basierten Einzelkristallen mit einem Hyperspektral Imaging System zu analysieren.

Hyperspektrale Bildgebung als Werkzeug zur Untersuchung der optischen Anisotropie in Lanthanid-basierten molekularen Einzelkristallen

In this work, we describe a protocol for a novel application of hyperspectral imaging (HSI) in the analysis of luminescent lanthanide (Ln3+)-based ...

Hyperspektrale Bildgebung ermöglicht die Erfassung spektroskopischer Informationen an präzisen Stellen innerhalb einer Probe. Zum Beispiel für die Enthüllung der optischen Anisotropie auf einer einzigen Kristallebene. Die Generierung sowohl spektraler als auch räumlicher Daten einer Probe ermöglicht eine detailliertere Untersuchung der Probe, als dies allein durch Spektroskopie oder Fluoreszenzmikroskopie möglich ist.Eine große Anzahl von einstellbaren Parametern, die die Auflösung beeinflussen, kann auf den ersten Blick überwältigend erscheinen. Das Erstellen einer Checkliste kann jedoch bei der Vertrautheit mit dem System helfen. Diese Technik erfordert eine manuelle Abstimmung der Imaging-Hardware sowie Softwaremanipulationen.Es ist wichtig, beide Aspekte visuell zu veranschaulichen, um zu zeigen, wie sich beide Methoden ergänzen. Das Verfahren mit Nelson Rutajoga demonstriert Emily Rodrigues, Postdoktorandin in meinem Labor. Um die Imager-Konfiguration für die hyperspektrale Bildgebungskartierung einzurichten, beginnend mit der Mikroskopstufe und dem Emissionsstrahlweg in Richtung der Detektoren, lassen Sie die Position für einen optischen Würfel direkt neben dem optischen Mikroskop frei und platzieren Sie den konfokalen optischen Würfel des Mikroskops in dieser Position, die die Emission von der Probe durch den sichtbaren Lichtpfad leitet.Wenn Sie den optischen Pfad zum Detektor betrachten, platzieren Sie den sichtbaren optischen Würfel mit dem dichroitischen Spiegel und Filtern, um die sichtbare Emission auf den Detektionspfad in seiner Position zu lenken. Wenn Sie den Pfad zum Detektor fortsetzen, platzieren Sie den konfokalen optischen Pinlochwürfel in die richtige Position, um das Licht durch den sichtbaren Lichterfassungspfad zu lenken, und stellen Sie nach diesem Pfad den optischen Kubokometerwürfel in die entsprechende Position, damit das emittierte Licht den Detektor erreicht. Wenn alle Würfel vorhanden sind, passen Sie die Schlitzöffnung des Detektors manuell an die Größe des ausgewählten Lochs an.Wählen Sie dann in der PHySpec-Software die Blende des Lochs aus. Positionieren Sie für die hyperspektrale Abbildungskartierung von Terbium Europium bipyrimidin trifluorcetylacetonate Einzelkristall manuell das 20-fache objektiv des optischen Mikroskops unter der Probe und drücken Sie den weißen Knopf auf der linken Seite des Mikroskops, um das weiße Licht einzuschalten. Drehen Sie den Knopf unter der Taste, um die Helligkeit einzustellen.Stellen Sie den Vorwärtsknopf auf der rechten Seite des Mikroskops auf R, um 20 % des Signals an die Kamera und 80 % des Signals an den Detektor zu senden. Drücken Sie die Wiedergabe im Farbkamerafenster der PHySpec-Software, um einen Live-Scan zu starten. Wenn das Farbkamerafenster ein zu dunkles oder schwarzes Bild anzeigt, erhöhen Sie die Belichtungszeit und/oder den Verstärkungswert unter der Registerkarte Farbkamera.Wenn das Bild zu hell ist, verringern Sie die Belichtungszeit und/oder den Gain-Wert. Um sich auf die Probe zu konzentrieren, drehen Sie die Regler des Mikroskops, um den Abstand zwischen dem Objektiv in der Bühne einzustellen, und öffnen Sie den Breitband-Lampenverschluss, um eine UV-Erregung der Probe zu ermöglichen. Drehen Sie dann den Intensitätsknopf in die gewünschte Position, um die Intensität der Breitband-Lampenerregung zu steuern.Klicken Sie auf Maßstabsleiste anzeigen/ausblenden, um dem optischen Mikroskopiebild des Kristalls mit hellem Feld eine Maßstabsleiste hinzuzufügen und ein Bild des Kristalls unter UV-Voll- oder eingeschränkter Beleuchtung zu beobachten. Um zwischen der eingeschränkten Beleuchtung oder einer Breitenfeldbeleuchtung zu wählen, verwenden Sie den Stick und die Knöpfe, um die Größe der UV-Lampenfeldöffnung anzupassen. Wählen Sie unter der Registerkarte SpectraPro SP 2300 eine Wellenlänge aus, um die Probenemission zu beobachten und die Belichtungszeit des Detektors anzupassen.Um den hyperspektralen Cube im Sequenzer abzuerhalten, klicken Sie auf Plus, um einen neuen Knoten hinzuzufügen, und klicken Sie auf Konfokales Imager. Klicken Sie auf Multi-Spectrum Acquisition und geben Sie die gewünschte X- und Y-Positionsanzahl sowie die gewünschte Schrittgröße ein. Wählen Sie die Hardwareoption für die Kamerasynchronisierung und für die sichtbare Emissionszuordnung aus, und klicken Sie auf "Okay".Klicken Sie im Sequenzer auf die neu hinzugefügte Multispektrum-Erfassungslinie, um den Knoten hervorzuheben, und klicken Sie auf Wiedergabe, um den ausgewählten Knoten auszuführen. Wählen Sie für die Analyse der erfassten hyperspektralen Bildgebungsdaten, z. B. für eine spektrale Verteilung eines Bildes, im Menü Verarbeitung Daten und Zuschneiden und Biegen aus, um das Signal-Rausch-Verhältnis des Bildes zu erhöhen. Für ein Emissionsintensitätsprofil klicken Sie mit der rechten Maustaste auf das Cubebild und wählen X-Profil erstellen für die Analyse einer Linie.Ziehen Sie das Ziehen, um den Bereich auszuwählen, und klicken Sie mit der rechten Maustaste auf den Interessenbereich. So wählen Sie Hinzufügen zu Diagramm aus. Um die Emissionsintensität in Abhängigkeit von der physikalischen Position des Ziels anzuzeigen.Das Intensitätsprofil wird im neuen Diagramm angezeigt. Um ein Emissionsspektrum eines bestimmten Bereichs der Stichprobe zu erhalten, bewegen Sie den Mauszeiger über das Cubebild, klicken Sie mit der rechten Maustaste, und klicken Sie auf Rechteckauswahl. Ziehen und klicken Sie, um das Auswahl-Shape über den gewünschten Bereich zu zeichnen.Klicken Sie dann mit der rechten Maustaste auf den Interessenbereich und wählen Sie Auswahl zu Diagramm hinzufügen aus. Wählen Sie im Fenster Zum Diagramm hinzufügen die Option Neues Diagramm erstellen aus, um die Emissionsspektren des Ziels anzuzeigen, und klicken Sie auf "Okay". Speichern Sie dann das erworbene Spektrum, bevor Sie eine neue Region auswählen.Hier wird ein helles Feldbild eines Kristalls gezeigt, das nach dem Einstellen der Probe im richtigen Fokus aufgenommen wurde. Die nadelartige Morphologie des Kristalls kann deutlich beobachtet werden. Hier können Bilder desselben Kristalls unter UV-Erregung mit voller Oder lokal begrenzter Beleuchtung beobachtet werden.Die eingeschränkte Beleuchtung kann verwendet werden, um die Auswirkungen von Energie oder Lichtübertragung innerhalb des Kristalls zu untersuchen, die wellenführungsartiges Verhalten auslösen können. In diesem Bild wird beispielsweise eine starke Emission an einem Punkt festgestellt, der nicht direkt unter Anregung steht, was darauf hindeutet, dass eine effiziente Energiemigration durch den Kristall stattfindet. Aus dem erworbenen hyperspektralen Würfel ist es auch möglich, die Spektralverteilung in Form eines Bildes zu erhalten, das eine bestimmte Wellenlänge darstellt.Das Intensitätsprofil einer bestimmten Emissionswellenlänge und die Emissionsspektren an jedem Pixel oder Bereich des erworbenen hyperspektralen Würfels. Beispielsweise zeigen die Emissionsspektren für diese Analyse die charakteristischsten Emissionsbänder des Europiums. Darüber hinaus weist das räumliche Profil entlang der verschiedenen Kristallflächen auf eine hellere Emission an der Spitze und an den Seitenflächen hin und kann mit den Lanthanid/Lanthanid-Ionenabständen in den drei räumlichen Richtungen korreliert werden.Um ein gutes Signal in einer angemessenen Aufnahmezeit des hyperspektralen Würfels zu erhalten, ist es wichtig, die Mikroskopkonfigurationen, den Fokus und die Belichtungszeit des Detektors anzupassen. Emissionen UV-Erregung und sichtbare Emission, kann diese Technik mit Nah-Infrarot-Erregung und Nahinfrarot-Emissionserkennung durchgeführt werden. Dies ermöglicht es, für eine große Auswahl an leuchtmfenden Materialien anwendbar zu sein.Die Korrelation optischer Signale mit einer Reihe abhängiger Merkmale macht diese Technik für die Untersuchung von Struktur-/Eigenschaftsbeziehungen, einschließlich der In-vitro-Bewertung von Nano-Bio-Wechselwirkungen, sehr interessant.

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Synthetic cathinones are a large class of new psychoactive substances (NPS) that are increasingly prevalent in drug seizures made by law enforcement and ...

Light-driven Molecular Motors on Surfaces for Single Molecular Imaging

Lichtgetriebenen molekularen Motoren auf Oberflächen für einzelne molekulare Bildgebung

The design and synthesis of a synthetic system that aims for the direct visualization of a synthetic rotary motor at the single molecule level on surfaces ...

In situ FTIR Spectroscopy as a Tool for Investigation of Gas/Solid Interaction: Water-Enhanced CO2 Adsorption in UiO-66 Metal-Organic Framework

In situ FTIR Spectroscopy as a Tool for Investigation of Gas/Solid Interaction: Water-Enhanced CO2 Adsorption in UiO-66 Metal-Organic Framework

In situ FTIR Spektroskopie als Werkzeug zur Untersuchung von Gas/Feststoff-Wechselwirkungen: Wasserverstärkte CO2-Adsorption in UiO-66 Metal-Organic Framework

In situ infrared spectroscopy is an inexpensive, highly sensitive, and selective valuable tool to investigate the interaction of polycrystalline solids ...

Excitonic Hamiltonians for Calculating Optical Absorption Spectra and Optoelectronic Properties of Molecular Aggregates and Solids

Rational design of disordered molecular aggregates and solids for optoelectronic applications relies on our ability to predict the properties of such ...

Mass Spectrometry-Guided Genome Mining as a Tool to Uncover Novel Natural Products

Mass Spectrometrie-Guided Genome Mining als Werkzeug zur Aufdeckung neuartiger Naturprodukte

The chemical space covered by natural products is immense and widely unrecognized. Therefore, convenient methodologies to perform wide-ranging evaluation ...

Atomic Force Microscopy Combined with Infrared Spectroscopy as a Tool to Probe Single Bacterium Chemistry

Rasterkraftmikroskopie kombiniert mit Infrarotspektroskopie als Werkzeug zur Untersuchung der Chemie einzelner Bakterien

Atomic Force Microscopy-Infrared Spectroscopy (AFM-IR) is a novel combinatory technique, enabling simultaneous characterization of physical properties and ...