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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Los autores agradecen al Sr. Dylan Errulat y al Prof. Muralee Murugesu del Departamento de Química y Ciencias Biomoleculares de la Universidad de Ottawa por el suministro de cristales únicos [TbEu(bpm)(tfaa)6]. E.M.R, N.R. y E.H. agradecen el apoyo financiero proporcionado por la Universidad de Ottawa, la Fundación Canadiense para la Innovación (CFI) y el Consejo de Investigación en Ciencias Naturales e Ingeniería de Canadá (NSERC).

ADVERTENCIA: Se recomienda utilizar gafas de seguridad específicas para la longitud de onda de excitación que se utiliza en todo momento al operar el imager.
1. Configuración del microscopio hiperespectral
NOTA: En la Figura 2ase ofrece una visión general del sistema de imágenes hiperespectral, y se describen los principales componentes del imager. El sistema de imágenes se puede utilizar para la detección de la emisión visible o ...

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El protocolo de imágenes hiperespectrales aquí descrito proporciona un enfoque sencillo que permite obtener información espectroscópica en ubicaciones precisas de la muestra. Usando la configuración descrita, la resolución espacial (asignaciónx e y) puede alcanzar hasta 0.5 m mientras que la resolución espectral puede ser de 0.2 nm para la asignación en el rango visible y 0.6 nm para el rango NIR.
Con el fin de realizar mapeo hiperespectral en un solo cristal, la pre...

La imagen hiperespectral (HSI) es una técnica que genera un mapa espacial donde cada coordenada x-y contiene una información espectral que podría basarse en cualquier tipo de espectroscopia, a saber, fotoluminiscencia, absorción y dispersión de espectroscopias1,,2,,3. Como resultado, se obtiene un conjunto tridimensional de datos (también llamado "cubo hiperespectral"), donde las coordenadas x-y son los ejes espaciales y la coordenada z es la información espectral de la muestra analizada. Por lo tanto, el cubo hiperespectral contiene información espacial y espectral, proporcionando una investigación espectroscópica más detallada de la muestra que la espectroscopia tradicional. Si bien HSI se conoce desde hace años en el campo de la teledetección (porejemplo, geología, industrias alimentarias4),recientemente surgió como una técnica innovadora para la caracterización de nanomateriales2,,5 o sondas para aplicaciones biomédicas3,6,7,8. En términos generales, no se limita al dominio UV/visible/casi infrarrojo (NIR), sino que también puede extenderse utilizando otras fuentes de radiación, como los rayos X, por ejemplo, con el fin de caracterizar la distribución elemental en diferentes materiales9, o la radiación de Terahertz, donde se utilizó HSI para realizar la sensibilidad térmica en tejidos biológicos8. Además, el mapeo de fotoluminiscencia se ha combinado con el mapeo de Raman para sondear las propiedades ópticas de la monocapa MoS210. Sin embargo, entre las aplicaciones notificadas de HSI óptico, todavía hay sólo unos pocos ejemplos sobre HSI de materiales a base de lantanoide11,12,13,14,15,16,17. Por ejemplo, podemos citar: detección de cáncer en tejidos6,análisis de la profundidad de penetración de la luz en tejidos biológicos7,imágenes biológicas multiplexadas3,análisis de transferencia de energía multicomponente en sistemas híbridos11,e investigación de cambios inducidos por la agregación en propiedades espectroscópicas de la conversión de nanopartículas12. Claramente, el atractivo de HSI surge de su idoneidad para generar conocimiento sobre la luminiscencia específica del entorno, proporcionando información espacial y espectral simultánea sobre la sonda.
Aprovechando esta poderosa técnica aquí describimos un protocolo para investigar la anisotropía óptica del heterodinuclear Tb3+-Eu3+ single crystal [TbEu(bpm)(tfaa)6] (Figura 1a)13. La anisotropía óptica observada fue el resultado del diferente empaque molecular de los iones Ln3+ en las diferentes direcciones cristalográficas(Figura 1b),lo que dio lugar a que algunas caras de cristal mostraran más brillante, otras que muestran fotoluminiscencia más tenue. Se sugirió que el aumento de la intensidad de la luminiscencia en caras específicas del cristal se correlacionaba con una transferencia de energía más eficiente a lo largo de esas direcciones cristalográficas donde el Ln3+ Las distancias de iones Ln3+ fueron las13más cortas.
Motivados por estos resultados, proponemos el establecimiento de una metodología detallada para analizar la anisotropía óptica a través de HSI, abriendo el camino para una mejor comprensión de los procesos de transferencia de energía ión-ion y propiedades luminiscentes ajustables derivadas de la disposición molecular específica18,,19. Estas relaciones estructura-propiedades han sido reconocidas como aspectos importantes para el diseño de materiales ópticos innovadores, incluidos, entre otros, los sistemas de guía de ondas y los dispositivos de almacenamiento optomagnéticos a nano y microescala, atendiendo la demanda de sistemas ópticos más eficientes y 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

En este trabajo, describimos un protocolo para una novedosa aplicación de imágenes hiperespectrales (HSI) en el análisis de cristales únicos moleculares basados en lantanoide luminiscente (Ln3+). Como ejemplo representativo, elegimos un único cristal del complejo heterodinuclear basado en Ln [TbEu(bpm)(tfaa)6] (bpm-2,2'-bipirimidina, tfaa– 1,1,1-trifluoroacetylacetonate) que exhibe una emisión visible brillante bajo excitación UV. HSI es una técnica emergente que combina imágenes espaciales en 2 dimensiones de una estructura luminiscente con información espectral de cada píxel de la imagen obtenida. Específicamente, HSI en cristales individuales del complejo [Tb-Eu] proporcionó información espectral local revelando la variación de la intensidad de la luminiscencia en diferentes puntos a lo largo de los cristales estudiados. Estos cambios se atribuyeron a la anisotropía óptica presente en el cristal, que resulta del embalaje molecular diferente de los iones Ln3+ en cada una de las direcciones de la estructura cristalina. El HSI aquí descrito es un ejemplo de la idoneidad de dicha técnica para las investigaciones espectro-espaciales de materiales moleculares. Sin embargo, es importante destacar que este protocolo se puede extender fácilmente para otros tipos de materiales luminiscentes (como cristales moleculares del tamaño de micrones, micropartículas inorgánicas, nanopartículas en tejidos biológicos o células etiquetadas, entre otros), lo que abre muchas posibilidades para una investigación más profunda de las relaciones estructura-propiedad. En última instancia, estas investigaciones proporcionarán conocimientos que se aprovecharán en la ingeniería de materiales avanzados para una amplia gama de aplicaciones, desde la bioimagen hasta aplicaciones tecnológicas, como guías de ondas o dispositivos optoelectrónicos.

Para ilustrar la configuración del microscopio hiperespectral para la adquisición de datos en un cristal único molecular basado en Ln (es decir, [TbEu(bpm)(tfaa)6], Figura 1a), la Figura 2 muestra una visión general del sistema, así como la colocación correcta de los cubos ópticos en la configuración. La Figura 3 muestra una captura de pantalla del software PHySpec que contiene los menús utilizados durante la adq...

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

Aquí, presentamos un protocolo para obtener datos de imágenes hiperespectrales luminiscentes y para analizar las características de anisotropía óptica de cristales únicos basados en lantanoide utilizando un sistema de imágenes hiperespectrales.

Imágenes hiperespectrales como herramienta para estudiar la anisotropía óptica en cristales únicos moleculares basados en lantanoia

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

Las imágenes hiperespectrales permiten la adquisición de información espectroscópica en ubicaciones precisas dentro de una muestra. Por ejemplo, para la revelación de anisotropía óptica a un solo nivel de cristal. La generación de datos espectrales y espaciales de una muestra permite una investigación más detallada de la muestra de lo que es posible mediante espectroscopia o microscopía de fluorescencia sola.Un gran número de parámetros ajustables que afectan a la resolución puede parecer abrumador al principio. Sin embargo, hacer una lista de verificación puede ayudar a familiarizarse con el sistema. Esta técnica requiere el ajuste manual del hardware de imágenes, así como la manipulación del software.Es esencial ilustrar ambos aspectos visualmente para mostrar cómo ambos métodos se complementan entre sí. Demostrando el procedimiento con Nelson Rutajoga estará Emily Rodrigues, compañera post-doctora en mi laboratorio. Para configurar la configuración del imager para el mapeo de imágenes hiperespectrales, comenzando desde la etapa del microscopio y siguiendo la vía del haz de emisión hacia los detectores, deje la posición de un cubo óptico justo al lado del microscopio óptico vacante y coloque el cubo óptico del microscopio confocal en esa posición que dirija la emisión de la muestra a través de la trayectoria de luz visible.Mirando a lo largo de la trayectoria óptica hacia el detector, coloque el cubo óptico visible que contiene el espejo dicroico y los filtros para dirigir la emisión visible a la ruta de detección en su posición. Continuando con el camino hacia el detector, coloque el cubo óptico de agujero confocal en la posición correcta para dirigir la luz a través de la ruta de detección de luz visible y siguiendo este camino, coloque el cubo óptico del espectrómetro confocal en la posición adecuada para que la luz emitida llegue al detector. Cuando todos los cubos estén en su lugar, ajuste manualmente la abertura de la hendidura del detector para que coincida con el tamaño del agujero seleccionado.A continuación, en el software PHySpec, seleccione la apertura del agujero. Para el mapeo de imágenes hiperespectrales de terbium europium bi-pirimidina trifluoroacetililacetonato de un solo cristal, coloque manualmente el objetivo 20 veces del microscopio óptico debajo de la muestra y presione el botón blanco en el lado izquierdo del microscopio para encender la luz blanca. Gire la perilla debajo del botón para ajustar el brillo.Ajuste la perilla delantera en el lado derecho del microscopio a R para enviar el 20% de la señal a la cámara y el 80% de la señal al detector. Pulse reproducir en la ventana de la cámara de color del software PHySpec para iniciar un escaneo en vivo. Si la ventana de la cámara de color muestra una imagen demasiado oscura o negra, aumente el tiempo de exposición y/o el valor de ganancia en la pestaña de la cámara de color.Si la imagen es demasiado brillante, disminuya el tiempo de exposición y/o el valor de ganancia. Para centrarse en la muestra, gire las perillas del microscopio para ajustar la distancia entre el objetivo en el escenario y abra el obturador de la lámpara de banda ancha para permitir la excitación UV de la muestra. A continuación, gire la perilla de intensidad a la posición deseada para controlar la intensidad de la excitación de la lámpara de banda ancha.Haga clic en Mostrar/Ocultar barra de escala para agregar una barra de escala a la imagen de microscopía óptica de campo brillante del cristal y observar una imagen del cristal bajo iluminación UV completa o confinada. Para seleccionar entre la iluminación confinada o una iluminación de campo ancho, utilice el stick y las perillas para ajustar el tamaño de la apertura del campo de la lámpara UV. En la pestaña SpectraPro SP 2300, seleccione una longitud de onda para observar la emisión de la muestra y ajuste el tiempo de exposición del detector.Para obtener el cubo hiperespectral en el secuenciador, haga clic en más para agregar un nuevo nodo y haga clic en Confocal Imager. Haga clic en Adquisición multie espectro e introduzca los recuentos de posiciones X e Y deseados, así como el tamaño de paso deseado. Seleccione la opción de hardware para la sincronización de la cámara y para la asignación de emisiones visible, y haga clic en Aceptar.En el secuenciador, haga clic en la línea de adquisición de varios espectros recién agregada para resaltar el nodo y haga clic en Reproducir para ejecutar el nodo seleccionado. Para el análisis de los datos de imágenes hiperespectrales capturados, por ejemplo, para una distribución espectral de una imagen, en el menú Procesamiento, seleccione Datos y Recortar y Doblar para aumentar la relación señal-ruido de la imagen. Para un perfil de intensidad de emisión, haga clic con el botón derecho en la imagen del cubo y seleccione Crear perfil X para el análisis de una línea.Arrastre para seleccionar el área y haga clic con el botón derecho en la región de interés. Para seleccionar Agregar al gráfico. Para visualizar la intensidad de emisión en función de la posición física del objetivo.El perfil de intensidad aparecerá en el nuevo gráfico. Para obtener un espectro de emisión de un área específica de la muestra, coloque el cursor sobre la imagen del cubo, haga clic con el botón derecho y haga clic en Selección de rectángulo. Arrastre y haga clic para dibujar la forma de selección sobre la región deseada.A continuación, haga clic con el botón derecho en la región de interés y seleccione Agregar selección al gráfico. En la ventana Agregar al gráfico, seleccione Crear un nuevo gráfico para mostrar los espectros de emisión del destino y haga clic en Aceptar. A continuación, guarde el espectro adquirido antes de seleccionar una nueva región.Aquí, se muestra una imagen de campo brillante de un cristal grabado después de ajustar la muestra en el enfoque adecuado. La morfología en forma de aguja del cristal se puede observar claramente. Aquí, se pueden observar imágenes del mismo cristal bajo excitación UV con iluminación completa o iluminación confinada local.La iluminación confinada se puede utilizar para investigar los efectos de la energía o la transferencia de luz dentro del cristal que pueden desencadenar un comportamiento similar a una guía de onda. Por ejemplo, en esta imagen, se detecta una fuerte emisión en un punto que no está directamente bajo excitación, lo que sugiere que la migración eficiente de la energía tiene lugar a través del cristal. A partir del cubo hiperespectral adquirido, también es posible obtener la distribución espectral en forma de imagen, que representa una longitud de onda específica.El perfil de intensidad de una longitud de onda de emisión específica y los espectros de emisión en cualquier píxel o área del cubo hiperespectral adquirido. Por ejemplo, los espectros de emisión para este análisis muestran las bandas de emisión más características del iones europium. Además, el perfil espacial a lo largo de las diferentes caras cristalinas indica una emisión más brillante en la punta y las caras laterales y se puede correlacionar con las distancias de iones de lantanoide/lantanoide en las tres direcciones espaciales.Para obtener una buena señal en un tiempo de grabación razonable del cubo hiperespectral, es importante ajustar las configuraciones del microscopio, el enfoque y el tiempo de exposición del detector. Emisiones excitación UV y emisión visible, esta técnica se puede realizar utilizando la excitación infrarroja cercana y la detección de emisiones infrarrojas cercanas. Esto permite que sea aplicable para una gran variedad de materiales luminiscentes.La correlación de señales ópticas con una serie de características dependientes hace que esta técnica sea muy interesante para la investigación de las relaciones estructura/propiedad, incluida la evaluación in vitro de las interacciones nanobio.

Research

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Chemistry

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

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