El estudiante graduado de la Universidad de Rice, Kyle Smith, comprueba una muestra mientras prueba el sistema de imágenes hiperespectrales instantáneas del laboratorio. Los científicos de Rice desarrollaron el sistema para tomar espectros instantáneos de múltiples nanopartículas plasmónicas. Crédito:Jeff Fitlow
Los científicos de la Universidad de Rice han desarrollado una técnica novedosa para ver un campo de nanopartículas plasmónicas simultáneamente para aprender cómo sus diferencias cambian su reactividad.
Su nuevo método se llama imagen hiperespectral instantánea (SHI), que hasta ahora se ha utilizado principalmente en astronomía. SHI permite a los investigadores ver diferencias mínimas entre nanopartículas idénticas y ver cómo reaccionan en respuesta a la luz y los cambios ambientales.
La técnica podría ayudar a las industrias a ajustar productos como los catalizadores plasmónicos para el procesamiento petroquímico, nanopartículas activadas por luz para el tratamiento del cáncer, células solares y microelectrónica.
SHI se detalla en la publicación de la American Chemical Society Revista de química física . Fue desarrollado por los laboratorios de arroz de Stephan Link y Christy Landes, ambos profesores de química e ingeniería informática y eléctrica.
Los plasmones son la oscilación coordinada de electrones en metales que se desencadena por la luz. Las nanopartículas plasmónicas son cristales de tamaño nanométrico que absorben y reaccionan con la luz con una sensibilidad extraordinaria. Porque su tamaño, forma, la composición y el entorno local influyen en sus propiedades, Las nanopartículas plasmónicas se pueden ajustar para una amplia gama de aplicaciones.
Bajo un microscopio estándar, estas nanopartículas plasmónicas pueden parecer idénticas, pero una imagen capturada por un sistema de imágenes hiperespectrales instantáneas desarrollado en la Universidad de Rice muestra cuán diferentes son. El sistema toma imágenes de múltiples nanopartículas y sus respuestas plasmónicas, la luz que emiten cuando se excitan, para mostrar cómo se diferencian debido a defectos o diferencias en su tamaño o forma. Crédito:Universidad de Rice
Los investigadores que fabrican y estudian partículas plasmónicas generalmente quieren conocer y controlar su reactividad, por lo que es crucial poder estudiar muchas partículas individuales simultáneamente con la mejor resolución de tiempo, espacio y energía posibles.
Hasta ahora, Obtener todos esos datos ha sido un proceso desafiante para partículas individuales e imposible de hacer en tiempo real.
El nuevo método simplifica este desafío al incorporar hardware novedoso y realizar dos análisis a la vez:localización de partículas y espectroscopía. "Medir reacciones en muestras heterogéneas es difícil, ", Dijo Landes." Quieres detalles íntimos sobre cómo la superficie de una partícula, la forma y el tamaño influyen en su reactividad, pero una vez que vas a mirar una partícula diferente en la muestra con ese nivel de detalle, ¡es demasiado tarde! Ya ha reaccionado ".
"El truco aquí es tomar instantáneas de muchas partículas mientras también recopilamos información espectral, "Link dijo." Cuando se combinan, proporcionan detalles con una resolución de milisegundos sobre muchas partículas mientras reaccionan. No tenemos que empezar la reacción de nuevo para obtener estadísticas significativas ".
SHI alinea un microscopio, un par de sistemas de cámara, un láser supercontinuo de amplio espectro y una rejilla de difracción para sincronizar múltiples flujos de datos sobre las partículas objetivo en un instante. Hace coincidir la información espacial con las emisiones espectrales y resuelve las longitudes de onda de la luz en aproximadamente una quinta parte de un nanómetro. Las imágenes espectrales tienen una relación señal / ruido superior a 100 a 1 para matrices ordenadas. Para matrices aleatorias con espectros superpuestos, la relación es de aproximadamente 20 a 1.
El sistema de imágenes hiperespectrales instantáneas de cámara dual desarrollado en la Universidad de Rice captura varios tipos de datos sobre nanopartículas plasmónicas en un instante. La imagen de la izquierda muestra las posiciones de las nanopartículas en una matriz, mientras que un análisis espectral de las mismas nanopartículas a la derecha muestra el rango diferente de espectros para cada una. Conocer el rango de respuestas plasmónicas en nanopartículas ayudará a la industria a ajustar su fabricación para aplicaciones específicas. Crédito:Universidad de Rice
"Cuando haces una muestra de nanopartículas, no obtienes partículas con exactamente el mismo tamaño y forma, ", dijo el coautor y estudiante de posgrado Benjamin Hoener." Terminas con partículas que tienen sitios defectuosos, formas y estructuras cristalinas ligeramente diferentes que les hacen absorber la luz y las moléculas en sus superficies de manera un poco diferente ".
Una instantánea que muestre el color y la intensidad de cada partícula puede hacer que esas diferencias sean obvias. "De ahí podemos obtener información importante sobre sus propiedades electroquímicas y ópticas, ", dijo el investigador postdoctoral y coautor Sean Collins.
El coautor principal y estudiante de posgrado, Kyle Smith, dijo que SHI captura datos en una milésima de segundo. "Los procesos en estas partículas ocurren muy rápidamente, y son difíciles de controlar, ", dijo." Pudimos observar procesos cinéticos que no se habían observado en esta escala de tiempo ".
El sistema también permite a los investigadores tener una idea de lo que está sucediendo alrededor de partículas individuales. Dijo Hoener. "Debido a que también son sensibles al medio ambiente local, podemos rastrear cuándo ocurren las reacciones electroquímicas en una sola partícula, a qué potencial (eléctrico) ocurren esas reacciones y compárelas para ver qué hace que este proceso suceda más rápido en una partícula que en otra, " él dijo.
Para probar el sistema, los investigadores midieron nanopartículas de oro depositadas al azar y reunieron hasta 20 espectros simultáneos con una resolución excelente. En futuras pruebas, anticipan que las versiones de SHI con sensores de cámara más avanzados capturarán espectros de hasta 500 partículas de oro individuales simultáneamente. Esperan mejorar el SHI para permitir la obtención de imágenes espectroscópicas de nanopartículas a medida que crecen a partir de semillas no detectables.
