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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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).

AVVISO: Si consiglia di utilizzare occhiali di sicurezza specifici per la lunghezza d'onda di eccitazione utilizzata in ogni momento durante il funzionamento dell'imager.
1. Configurazione del microscopio iperspettrale
NOTA: una panoramica del sistema di imaging iperspettrale è fornita nella Figura 2a, con i componenti principali dell'imager descritto. Il sistema di imaging può essere utilizzato per il rilevamento dell'emissione visibil...

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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>

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...

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.

<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 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.

Per illustrare la configurazione del microscopio iperspettrale per l'acquisizione dei dati su un singolo cristallo molecolare basato su Ln (ad esempio, [TbEu(bpm)(tfaa)6], Figura 1a), Figura 2 mostra una panoramica del sistema e il corretto posizionamento dei cubi ottici nella configurazione. Figura 3 Mostra una schermata del software PHySpec contenente i menu utilizzati durante l'acquisizione HSI. Fi...

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

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.

L'imaging iperspettrale come strumento per studiare l'anisotropia ottica nei cristalli singoli molecolari basati sul Lanthanide

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

L'imaging iperspettrale consente l'acquisizione di informazioni spettroscopiche in luoghi precisi all'interno di un campione. Ad esempio, per la presentazione dell'anisotropia ottica ad un singolo livello cristallino. La generazione di dati spettrali e spaziali di un campione consente uno studio più dettagliato del campione di quanto sia possibile dalla sola spettroscopia o microscopia a fluorescenza.Un gran numero di parametri regolabili che influenzano la risoluzione possono sembrare travolgenti all'inizio. Tuttavia, fare un elenco di controllo può aiutare a familiarizzare con il sistema. Questa tecnica richiede l'ottimizzazione manuale dell'hardware di imaging e la manipolazione del software.È essenziale illustrare visivamente entrambi gli aspetti per mostrare come entrambi i metodi si completano a vicenda. A dimostrare la procedura con Nelson Rutajoga sarà Emily Rodrigues, post-dottorato del mio laboratorio. Per impostare la configurazione dell'imager per la mappatura dell'imaging iperspettrale, partendo dallo stadio del microscopio e seguendo il percorso del fascio di emissione verso i rivelatori, lasciare vacante la posizione per un cubo ottico proprio accanto al microscopio ottico e posizionare il cubo ottico al microscopio confocale in quella posizione che dirige l'emissione dal campione attraverso il percorso della luce visibile.Guardando lungo il percorso ottico verso il rivelatore, posizionare il cubo ottico visibile contenente lo specchio dicroico e i filtri per dirigere l'emissione visibile verso il percorso di rilevamento nella sua posizione. Proseguendo il percorso verso il rivelatore, posizionare il cubo ottico a foro stenopeica confocale nella posizione giusta per dirigere la luce attraverso il percorso di rilevamento della luce visibile e seguendo questo percorso, posizionare il cubo ottico dello spettrometro confocale nella posizione appropriata in modo che la luce emessa raggiunga il rivelatore. Quando tutti i cubi sono in posizione, regolare manualmente l'apertura della fessura del rilevatore in modo che corrisponda alle dimensioni del foro di spillo selezionato.Quindi, nel software PHySpec, selezionare l'apertura del foro stenopeica. Per la mappatura dell'imaging iperspettrale del terbio europio bi-pirimidina trifluoroacetilacetonato singolo cristallo, posizionare manualmente l'obiettivo 20 volte del microscopio ottico sotto il campione e premere il pulsante bianco sul lato sinistro del microscopio per accendere la luce bianca. Ruotare la manopola sotto il pulsante per regolare la luminosità.Impostare la manopola in avanti sul lato destro del microscopio su R per inviare il 20% del segnale alla fotocamera e l'80% del segnale al rilevatore. Premere Play nella finestra della fotocamera a colori presso il software PHySpec per avviare una scansione dal vivo. Se la finestra della fotocamera a colori mostra un'immagine troppo scura o nera, aumentare il tempo di esposizione e/o il valore di guadagno nella scheda della fotocamera a colori.Se l'immagine è troppo luminosa, ridurre il tempo di esposizione e/o il valore di guadagno. Per concentrarsi sul campione, ruotare le manopole del microscopio per regolare la distanza tra l'obiettivo nel palco e aprire l'otturatore della lampada a banda larga per consentire l'eccitazione UV del campione. Quindi ruotare la manopola di intensità nella posizione desiderata per controllare l'intensità dell'eccitazione della lampada a banda larga.Fate clic su Mostra/Nascondi barra scala (Show/Hide scale bar) per aggiungere una barra di scala all'immagine della microscopia ottica a campo luminoso del cristallo e osservare un'immagine del cristallo sotto illuminazione UV piena o confinata. Per selezionare tra l'illuminazione confinata o un'illuminazione a campo largo, utilizzare il bastone e le manopole per regolare le dimensioni dell'apertura del campo della lampada UV. Nella scheda SpectraPro SP 2300, selezionare una lunghezza d'onda per osservare l'emissione del campione e regolare il tempo di esposizione del rilevatore.Per ottenere il cubo iperspettrale nel sequencer, fare clic su più per aggiungere un nuovo nodo e fare clic su Imager confocale. Fate clic su Acquisizione multiso spettro (Multi-Spectrum Acquisition) e immettete i conteggi desiderati della posizione X e Y, nonché la dimensione del passo desiderata. Selezionare l'opzione hardware per la sincronizzazione della fotocamera e per la mappatura delle emissioni visibili e fare clic su OK.Nel sequencer fare clic sulla linea di acquisizione multiso spettro appena aggiunta per evidenziare il nodo e fare clic su Riproduci per eseguire il nodo selezionato. Per l'analisi dei dati di imaging iperspettrali acquisiti, ad esempio, per una distribuzione spettrale di un'immagine, nel menu Elaborazione selezionare Dati e Ritaglia e Piega per aumentare il rapporto segnale/rumore dell'immagine. Per un profilo di intensità di emissione, fare clic con il pulsante destro del mouse sull'immagine del cubo e scegliere Crea profilo X per l'analisi di una riga.Trascinare per selezionare l'area e fare clic con il pulsante destro del mouse sull'area di interesse. Per selezionare Aggiungi a grafico. Visualizzare l'intensità di emissione in funzione della posizione fisica del bersaglio.Il profilo di intensità apparirà nel nuovo grafico. Per ottenere uno spettro di emissione di un'area specifica dell'esempio, posizionare il puntatore del mouse sul cursore sull'immagine del cubo, fare clic con il pulsante destro del mouse e scegliere Selezione rettangolo. Trascinare e fare clic per disegnare la forma di selezione sull'area desiderata.Quindi fare clic con il pulsante destro del mouse sull'area di interesse e scegliere Aggiungi selezione al grafico. Nella finestra Aggiungi a grafico selezionare Crea nuovo grafico per visualizzare gli spettri di emissione della destinazione e fare clic su OK. Quindi salva lo spettro acquisito prima di selezionare una nuova regione.Qui viene visualizzata un'immagine a campo luminoso di un cristallo registrata dopo aver regolato il campione nella messa a fuoco corretta. La morfologia a forma di ago del cristallo può essere chiaramente osservata. Qui, è possibile osservare immagini dello stesso cristallo sotto eccitazione UV con illuminazione completa o illuminazione localmente confinata.L'illuminazione confinata può essere utilizzata per indagare gli effetti del trasferimento di energia o luce all'interno del cristallo che possono innescare un comportamento simile a una guida d'onda. Ad esempio, in questa immagine, viene rilevata una forte emissione in un punto non direttamente eccitato, suggerendo che una migrazione energetica efficiente avviene attraverso il cristallo. Dal cubo iperspettrale acquisito, è anche possibile ottenere la distribuzione spettrale sotto forma di immagine, che rappresenta una specifica lunghezza d'onda.Il profilo di intensità di una specifica lunghezza d'onda di emissione e gli spettri di emissione a qualsiasi pixel o area del cubo iperspettrale acquisito. Ad esempio, gli spettri di emissione per questa analisi mostrano le bande di emissione più caratteristiche dello ione europio. Inoltre, il profilo spaziale lungo le diverse facce cristalline indica un'emissione più luminosa sulla punta e sulle facce laterali e può essere correlato con le distanze di ioni lantanidi/lantanidi nelle tre direzioni spaziali.Per ottenere un buon segnale in un tempo di registrazione ragionevole del cubo iperspettrale, è importante regolare le configurazioni del microscopio, la messa a fuoco e il tempo di esposizione del rivelatore. Emissioni eccitazione UV ed emissione visibile, questa tecnica può essere eseguita utilizzando eccitazione vicino all'infrarosso e rilevamento delle emissioni vicino all'infrarosso. Ciò consente di essere applicabile per una vasta gamma di materiali luminescenti.La correlazione dei segnali ottici con una serie di caratteristiche dipendenti rende questa tecnica molto interessante per lo studio delle relazioni struttura/proprietà, inclusa la valutazione in vitro delle interazioni nano-bio.

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Electrochemical Impedance Spectroscopy as a Tool for Electrochemical Rate Constant Estimation

Spettroscopia di impedenza elettrochimica come uno strumento per la stima della costante tasso elettrochimica

Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) was used for advanced characterization of organic electroactive compounds along with cyclic voltammetry (CV). ...

Color Spot Test As a Presumptive Tool for the Rapid Detection of Synthetic Cathinones

Colore Spot Test come strumento presuntivo per la rilevazione rapida di Cathinones sintetico

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

Motori molecolari basati su luce sulle superfici per l'Imaging molecolare singola

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 Spettroscopia FTIR come strumento per lo studio dell'interazione gas/solido: adsordimento di CO2 potenziato con acqua 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

Hamiltoniani eccitonici per il calcolo degli spettri di assorbimento ottico e delle proprietà optoelettroniche di aggregati e solidi molecolari

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 Spectrometry-Guided Genome Mining come strumento per scoprire nuovi prodotti naturali

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

Microscopia a forza atomica combinata con la spettroscopia infrarossa come strumento per sondare la chimica del singolo batterio

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