Lo studente laureato della Rice University Kyle Smith controlla un campione durante il test del sistema di imaging iperspettrale delle istantanee del laboratorio. Gli scienziati di Rice hanno sviluppato il sistema per acquisire spettri istantanei di più nanoparticelle plasmoniche. Credito:Jeff Fitlow
Gli scienziati della Rice University hanno sviluppato una nuova tecnica per visualizzare simultaneamente un campo di nanoparticelle plasmoniche per apprendere come le loro differenze modificano la loro reattività.
Il loro nuovo metodo si chiama snapshot hyperspectral imaging (SHI), che fino ad ora è stato utilizzato principalmente in astronomia. SHI consente ai ricercatori di visualizzare minuscole differenze tra nanoparticelle altrimenti identiche e vedere come reagiscono in risposta alla luce e ai cambiamenti ambientali.
La tecnica potrebbe aiutare le industrie a mettere a punto prodotti come i catalizzatori plasmonici per la lavorazione petrolchimica, nanoparticelle innescate dalla luce per il trattamento del cancro, celle solari e microelettronica.
SHI è dettagliato nell'American Chemical Society's Giornale di chimica fisica . È stato sviluppato dai laboratori Rice di Stephan Link e Christy Landes, entrambi professori di chimica e di ingegneria informatica ed elettrica.
I plasmoni sono l'oscillazione coordinata degli elettroni nei metalli innescata dalla luce. Le nanoparticelle plasmoniche sono cristalli di dimensioni nanometriche che assorbono e reagiscono con la luce con una sensibilità straordinaria. Perché la loro dimensione, forma, la composizione e l'ambiente locale influenzano tutti le loro proprietà, le nanoparticelle plasmoniche possono essere sintonizzate per un'ampia gamma di applicazioni.
Sotto un microscopio standard, queste nanoparticelle plasmoniche possono sembrare identiche, ma un'immagine catturata da un sistema di imaging iperspettrale di istantanee sviluppato alla Rice University mostra quanto siano diversi. Il sistema visualizza più nanoparticelle e le loro risposte plasmoniche - la luce che emettono quando eccitate - per mostrare come differiscono a causa di difetti o differenze nella loro dimensione o forma. Credito:Rice University
I ricercatori che producono e studiano particelle plasmoniche generalmente vogliono conoscere e controllare la loro reattività, quindi è fondamentale poter studiare molte singole particelle contemporaneamente con la migliore risoluzione temporale, spazio ed energia possibili.
Fino ad ora, ottenere tutti quei dati è stato un processo impegnativo per le singole particelle e impossibile da fare in tempo reale.
Il nuovo metodo semplifica questa sfida incorporando un nuovo hardware ed eseguendo due analisi contemporaneamente:localizzazione delle particelle e spettroscopia. "Misurare le reazioni su campioni eterogenei è difficile, "Ha detto Landes. "Vuoi dettagli intimi su come la superficie di una particella, la forma e le dimensioni ne influenzano la reattività, ma una volta che vai a guardare una particella diversa nel campione con quel livello di dettaglio, è troppo tardi! Ha già reagito".
"Il trucco qui è scattare istantanee di molte particelle mentre raccogliamo anche informazioni spettrali, " ha detto Link. "Quando combinati, forniscono dettagli con una risoluzione di millisecondi su molte particelle mentre reagiscono. Non dobbiamo ricominciare da capo la reazione per ottenere statistiche significative".
SHI allinea un microscopio, un paio di sistemi di telecamere, un laser supercontinuo ad ampio spettro e un reticolo di diffrazione per sincronizzare più flussi di dati sulle particelle bersaglio in un istante. Abbina le informazioni spaziali alle emissioni spettrali e risolve le lunghezze d'onda della luce a circa un quinto di nanometro. Le immagini spettrali hanno un rapporto segnale-rumore superiore a 100 a 1 per gli array ordinati. Per array casuali con spettri sovrapposti, il rapporto è di circa 20 a 1.
Il sistema di imaging iperspettrale a doppia fotocamera sviluppato alla Rice University acquisisce diversi tipi di dati sulle nanoparticelle plasmoniche in un istante. L'immagine a sinistra mostra le posizioni delle nanoparticelle in un array, mentre un'analisi spettrale delle stesse nanoparticelle a destra mostra la diversa gamma di spettri per ciascuna. Conoscere la gamma di risposte plasmoniche nelle nanoparticelle aiuterà l'industria a mettere a punto la propria produzione per applicazioni specifiche. Credito:Rice University
"Quando prepari un campione di nanoparticelle, non si ottengono particelle esattamente della stessa dimensione e forma, "Ha detto il co-autore e studente laureato Benjamin Hoener. "Si finisce con particelle che hanno siti difettosi, forme leggermente diverse e strutture cristalline che li fanno assorbire la luce e le molecole sulle loro superfici in modo leggermente diverso."
Un'istantanea che mostra il colore e l'intensità di ogni particella può rendere evidenti queste differenze. "Da ciò possiamo ottenere importanti informazioni sulle loro proprietà elettrochimiche e ottiche, ", ha affermato il ricercatore post-dottorato e coautore Sean Collins.
Il co-autore principale e studente laureato Kyle Smith ha affermato che SHI acquisisce i dati in un millesimo di secondo. "I processi in queste particelle avvengono molto rapidamente, e sono difficili da monitorare, " ha detto. "Siamo stati in grado di osservare processi cinetici che non erano stati osservati in questa scala temporale".
Il sistema consente ai ricercatori di avere un'idea di ciò che sta accadendo anche intorno alle singole particelle, ha detto Hoener. "Perché sono anche sensibili all'ambiente locale, possiamo monitorare quando si verificano reazioni elettrochimiche su una singola particella, a quale potenziale (elettrico) si verificano queste reazioni e confrontale per vedere cosa rende questo processo più veloce su una particella rispetto a un'altra, " Egli ha detto.
Per testare il sistema, i ricercatori hanno misurato nanoparticelle d'oro depositate casualmente e raccolto fino a 20 spettri simultanei con un'eccellente risoluzione. Nei prossimi test, prevedono che le versioni di SHI con sensori fotografici più avanzati cattureranno spettri fino a 500 singole particelle d'oro contemporaneamente. Sperano di migliorare SHI per consentire l'imaging spettroscopico delle nanoparticelle mentre crescono da semi non rilevabili.
