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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Os autores agradecem ao Sr. Dylan Errulat e ao Prof. Muralee Murugesu do Departamento de Química e Ciências Biomoleculares da Universidade de Ottawa pelo fornecimento de cristais únicos [TbEu(bpm)(tfaa)6] E.M.R, N.R., e E.H. reconhecem com gratidão o apoio financeiro fornecido pela Universidade de Ottawa, pela Fundação Canadense para a Inovação (CFI) e pelo Conselho de Pesquisa em Ciências Naturais e Engenharia do Canadá (NSERC).

ATENÇÃO: Recomenda-se usar óculos de segurança específicos para o comprimento de onda de excitação que seja usado em todos os momentos durante a operação do imager.
1. Configuração do microscópio hiperespectral
NOTA: Uma visão geral do sistema de imagem hiperespectral é dada na Figura 2a,com os principais componentes do imager sendo descritos. O sistema de imagem pode ser usado para a detecção da emissão visível ou infra...

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O protocolo de imagem hiperespectral descrito fornece uma abordagem simples que permite obter informações espectroscópicas em locais precisos da amostra. Utilizando a configuração descrita, a resolução espacial(mapeamento x e y) pode chegar até 0,5 μm, enquanto a resolução espectral pode ser de 0,2 nm para o mapeamento na faixa visível e 0,6 nm para a faixa NIR.
Para realizar o mapeamento hiperespectral em um único cristal, a preparação da amostra segue um proc...

Imagem Hiperespectral (HSI) é uma técnica que gera um mapa espacial onde cada coordenada x-y contém uma informação espectral que poderia ser baseada em qualquer tipo de espectroscopia, ou seja, fotoluminescência, absorção e espectroscopia de dispersão1,2,3. Como resultado, um conjunto tridimensional de dados (também chamado de "cubo hiperespectral") é obtido, onde as coordenadas x-y são os eixos espaciais e a coordenada z é a informação espectral da amostra analisada. Portanto, o cubo hiperespectral contém informações espaciais e espectrais, proporcionando uma investigação espectroscópica mais detalhada da amostra do que a espectroscopia tradicional. Embora o HSI seja conhecido há anos no campo do sensoriamento remoto (porexemplo, geologia, indústrias alimentícias4),recentemente emergiu como uma técnica inovadora para a caracterização de nanomateriais2,,5 ou sondas para aplicações biomédicas3,,6,7,8. De um modo geral, não se limita ao domínio UV/visível/infravermelho próximo (NIR), mas também pode ser estendido usando outras fontes de radiação, como raios-X – por exemplo, a fim de caracterizar a distribuição elementar em diferentes materiais9 – ou a radiação Terahertz, onde o HSI foi usado para realizar sensoriamento térmico em tecidos biológicos8. Além disso, o mapeamento da fotoluminescência foi combinado com o mapeamento de Raman para sondar as propriedades ópticas da monocamada MoS210. No entanto, entre as aplicações relatadas de HSI óptico, ainda existem apenas alguns exemplos de HSI de materiais à base de lantthanidas11,,12,,13,,14,,15,,16,17. Por exemplo, podemos citar: detecção de câncer nos tecidos6, análise da profundidade de penetração da luz em tecidos biológicos7, imagem biológica multiplexada3,análise de transferência de energia multicomponente em sistemas híbridos11, e investigação de alterações induzidas por agregação nas propriedades espectroscópicas de nanopartículas de upconverter12. Claramente, a atratividade do HSI decorre de sua adequação à geração de conhecimento sobre luminescência específica do ambiente, fornecendo informações espaciais e espectrais simultâneas sobre a sonda.
Aproveitando essa poderosa técnica, descrevemos um protocolo para investigar a anisotropia óptica da tb heterodinuclear Tb3+-Eu3+ cristal único [TbEu(bpm)(tfaa)6](Figura 1a)13. A anisotropia óptica observada resultou da embalagem molecular diferente dos íonsLn 3+ nas diferentes direções cristalográficas(Figura 1b),resultando em alguns rostos de cristal mostrando mais brilhante, outros mostrando fotoluminescência dimmer. Foi sugerido que o aumento da intensidade de luminescência em faces específicas do cristal estava correlacionado com uma transferência de energia mais eficiente ao longo dessas direções cristalográficas onde o Ln3+··· Em3+ distâncias de íons foram as mais curtas13.
Motivados por esses resultados, propomos o estabelecimento de uma metodologia detalhada para analisar a anisotropia óptica por meio do HSI, abrindo caminho para melhor compreensão dos processos de transferência de energia íon-íon e propriedades luminescentes ajustáveis decorrentes de arranjo molecular específico18,19. Essas relações estrutura-propriedades têm sido reconhecidas como aspectos importantes para o design inovador de materiais ópticos, incluindo, mas não se limitando a sistemas de guias de ondas e dispositivos de armazenamento optomagnético em nano e microescala – atendendo à demanda por sistemas ópticos mais eficientes e miniaturizados20.

<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

Neste trabalho, descrevemos um protocolo para uma nova aplicação de imagens hiperespectrais (HSI) na análise de cristais únicos moleculares luminescentes(Ln 3+). Como exemplo representativo, escolhemos um único cristal do complexo heterodinuclear baseado em Ln [TbEu(bpm)(tfaa)6] (bpm=2,2'-bipirimidina, tfaa– =1,1,1-trifluoroaaceylacetonato) exibindo emissão visível brilhante sob excitação UV. O HSI é uma técnica emergente que combina imagens espaciais bidimensionais de uma estrutura luminescente com informações espectrais de cada pixel da imagem obtida. Especificamente, o HSI sobre cristais únicos do complexo [Tb-Eu] forneceu informações espectrais locais revelando a variação da intensidade da luminescência em diferentes pontos ao longo dos cristais estudados. Essas mudanças foram atribuídas à anisotropia óptica presente no cristal, que resulta da embalagem molecular diferente deÍons Ln 3+ em cada uma das direções da estrutura cristalina. O HSI aqui descrito é um exemplo da adequação dessa técnica para investigações espectro-espaciais de materiais moleculares. No entanto, é importante que este protocolo possa ser facilmente estendido para outros tipos de materiais luminescentes (como cristais moleculares de tamanho micron, micropartículas inorgânicas, nanopartículas em tecidos biológicos, ou células rotuladas, entre outros), abrindo muitas possibilidades para uma investigação mais profunda das relações estruturais-propriedade. Em última análise, tais investigações fornecerão conhecimento a ser aproveitado na engenharia de materiais avançados para uma ampla gama de aplicações, desde bioimagem até aplicações tecnológicas, como guias de onda ou dispositivos optoeletrônicos.

Para ilustrar a configuração do microscópio hiperespectral para a aquisição de dados em um cristal único molecular baseado em Ln (ou seja, [TbEu(bpm)(tfaa)6], Figura 1a), a Figura 2 mostra uma visão geral do sistema, bem como a colocação correta dos cubos ópticos na configuração. A Figura 3 mostra uma captura de tela do software PHySpec contendo os menus usados durante a aquisição do HSI. <strong class="xfig...

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

Aqui, apresentamos um protocolo para obter dados de imagem hiperespectrais luminescentes e analisar características de anisotropia óptica de cristais únicos baseados em lantanoide usando um Sistema de Imagem Hiperespectral.

Imagem hiperespectral como ferramenta para estudar anisotropia óptica em cristais únicos moleculares baseados em lantthanidas

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

A imagem hiperespectral permite a aquisição de informações espectroscópicas em locais precisos dentro de uma amostra. Por exemplo, para a revelação de anisotropia óptica em um único nível de cristal. A geração de dados espectrais e espaciais de uma amostra permite uma investigação mais detalhada da amostra do que é possível apenas por espectroscopia ou microscopia de fluorescência.Um grande número de parâmetros ajustáveis que afetam a resolução pode parecer esmagador no início. No entanto, fazer uma lista de verificação pode ajudar a se familiarizar com o sistema. Esta técnica requer ajuste manual do hardware de imagem, bem como manipulação de software.É essencial ilustrar ambos os aspectos visualmente para mostrar como ambos os métodos se complementam. Demonstrando o procedimento com Nelson Rutajoga estará Emily Rodrigues, bolsista de pós-doutorado do meu laboratório. Para configurar a configuração do imager para mapeamento de imagens hiperespectrais, partindo do estágio do microscópio e seguindo a via do feixe de emissão em direção aos detectores, deixe a posição para um cubo óptico ao lado do microscópio óptico vago e coloque o cubo óptico do microscópio confocal nessa posição que direciona a emissão da amostra através do caminho da luz visível.Olhando ao longo do caminho óptico em direção ao detector, coloque o cubo óptico visível contendo o espelho dicroico e filtros para direcionar a emissão visível para o caminho de detecção em sua posição. Continuando o caminho em direção ao detector, coloque o cubo óptico confocal pinhole na posição certa para direcionar a luz através do caminho de detecção de luz visível e seguindo esse caminho, coloque o cubo óptico do espectrômetro confocal na posição apropriada para que a luz emitida chegue ao detector. Quando todos os cubos estiverem no lugar, ajuste manualmente a abertura da fenda do detector para combinar com o tamanho do orifício selecionado.Em seguida, no software PHySpec, selecione a abertura do pinhole. Para mapeamento de imagens hiperespectrais do trifluoroacetilado trifluoroacetiladotonato de trifluoroacetilação de terbium, posicione manualmente o objetivo de 20 vezes do microscópio óptico sob a amostra e pressione o botão branco no lado esquerdo do microscópio para acender a luz branca. Gire o botão sob o botão para ajustar o brilho.Defina o botão dianteiro no lado direito do microscópio para R para enviar 20% do sinal para a câmera e 80% do sinal para o detector. Pressione play na janela da câmera colorida no software PHySpec para iniciar uma varredura ao vivo. Se a janela da câmera colorida mostrar uma imagem muito escura ou preta, aumente o tempo de exposição e/ou o valor de ganho sob a aba da câmera colorida.Se a imagem estiver muito brilhante, diminua o tempo de exposição e/ou ganhe valor. Para focar na amostra, gire os botões do microscópio para ajustar a distância entre o objetivo no estágio e abrir o obturador de lâmpada de banda larga para permitir a excitação UV da amostra. Em seguida, gire o botão de intensidade para a posição desejada para controlar a intensidade da excitação da lâmpada de banda larga.Clique na barra de escala Show/Hide para adicionar uma barra de escala à imagem de microscopia óptica de campo brilhante do cristal e observar uma imagem do cristal sob iluminação completa ou confinada. Para selecionar entre a iluminação confinada ou uma iluminação de campo amplo, use a vara e os botões para ajustar o tamanho da abertura do campo da lâmpada UV. Sob a guia SpectraPro SP 2300, selecione um comprimento de onda para observar a emissão da amostra e ajuste o tempo de exposição do detector.Para obter o cubo hiperespectral no sequenciador, clique em adicionar um novo nó e clique em Confocal Imager. Clique em Aquisição multi-espectro e insira as contagens desejadas de posição X e Y, bem como o tamanho da etapa desejada. Selecione a opção de hardware para a sincronização da câmera e para mapeamento de emissões visíveis e clique em ok.No sequenciador, clique na linha de aquisição de vários espectros recém-adicionada para destacar o nó e clique em Reproduzir para executar o nó selecionado. Para análise dos dados de imagem hiperespectral capturados, por exemplo, para uma distribuição espectral de uma imagem, no menu Processamento, selecione Dados e Crop e Bend para aumentar a relação sinal/ruído da imagem. Para obter um perfil de intensidade de emissão, clique com o botão direito do mouse na imagem do cubo e selecione Criar Perfil X para a análise de uma linha.Arraste para selecionar a área e clique com o botão direito do mouse na região de interesse. Para selecionar Adicionar ao gráfico. Para exibir a intensidade de emissão em função da posição física do alvo.O perfil de intensidade aparecerá no novo gráfico. Para obter um espectro de emissão de uma área específica da amostra, passe o cursor sobre a imagem do cubo, clique com o botão direito do mouse e clique em Seleção de Retângulo. Arraste e clique para desenhar a forma de seleção sobre a região desejada.Em seguida, clique com o botão direito do mouse na região de interesse e selecione Adicionar seleção ao gráfico. Na janela Adicionar ao Gráfico, selecione Criar um novo gráfico para exibir o espectro de emissão do alvo e clique em ok. Em seguida, salve o espectro adquirido antes de selecionar uma nova região.Aqui, uma imagem de campo brilhante de um cristal registrado após ajustar a amostra no foco adequado é mostrada. A morfologia semelhante à agulha do cristal pode ser claramente observada. Aqui, podem ser observadas imagens do mesmo cristal sob excitação UV com iluminação total ou iluminação localmente confinada.A iluminação confinada pode ser usada para investigar os efeitos da transferência de energia ou luz dentro do cristal que pode desencadear um comportamento semelhante a guia de ondas. Por exemplo, nesta imagem, uma forte emissão é detectada em um ponto não diretamente sob excitação, sugerindo que a migração eficiente de energia ocorre através do cristal. A partir do cubo hiperespectral adquirido, também é possível obter a distribuição espectral na forma de uma imagem, representando um comprimento de onda específico.O perfil de intensidade de um comprimento de onda de emissão específico e o espectro de emissões em qualquer pixel ou área do cubo hiperespectral adquirido. Por exemplo, o espectro de emissões para esta análise mostra as faixas de emissão mais características do íon europium. Além disso, o perfil espacial ao longo das diferentes faces cristalinas indica uma emissão mais brilhante na ponta e nas faces laterais e pode ser correlacionado com as distâncias de íons de lantano/lantano nas três direções espaciais.Para obter um bom sinal em um tempo razoável de gravação do cubo hiperespectral, é importante ajustar as configurações do microscópio, o foco e o tempo de exposição do detector. Excitação UV e emissão visível, essa técnica pode ser realizada usando excitação infravermelha próxima e detecção de emissões infravermelhas próximas. Isso permite que seja aplicável para uma grande variedade de materiais luminescentes.A correlação de sinais ópticos com uma série de características dependentes torna essa técnica muito interessante para a investigação de relações estruturais/propriedades, incluindo avaliação in vitro de interações nano-bio.

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In situ Espectroscopia FTIR como ferramenta de investigação de gás/interação sólida: Adsorpção CO2 aprimorada em água na estrutura metal-orgânica UiO-66

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

Hamiltonianos excitônicos para o cálculo de espectros de absorção óptica e propriedades optoeletrônicas de agregados moleculares e sólidos

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

Mineração de genoma guiada por espectrometria em massa como ferramenta para descobrir novos produtos naturais

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 da Força Atômica Combinada com Espectroscopia Infravermelha como ferramenta para sondar química de bacterium único

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