Rice Universitys doktorand Kyle Smith kontrollerar ett prov medan han testar labbets hyperspektrala bildsystem för ögonblicksbilder. Risforskare utvecklade systemet för att ta momentana spektra av flera plasmoniska nanopartiklar. Kredit:Jeff Fitlow
Rice University-forskare har utvecklat en ny teknik för att se ett fält av plasmoniska nanopartiklar samtidigt för att lära sig hur deras skillnader förändrar deras reaktivitet.
Deras nya metod kallas snapshot hyperspectral imaging (SHI), som hittills främst har använts inom astronomi. SHI låter forskare se små skillnader mellan annars identiska nanopartiklar och se hur de reagerar som svar på ljus- och miljöförändringar.
Tekniken kan hjälpa industrier att finjustera produkter som plasmoniska katalysatorer för petrokemisk bearbetning, ljusutlösta nanopartiklar för cancerbehandling, solceller och mikroelektronik.
SHI är detaljerad i American Chemical Society's Journal of Physical Chemistry . Det har utvecklats av Rice labs av Stephan Link och Christy Landes, både professorer i kemi och data- och elektroteknik.
Plasmoner är den koordinerade oscillationen av elektroner i metaller som utlöses av ljus. Plasmoniska nanopartiklar är nanometerstora kristaller som absorberar och reagerar med ljus med extraordinär känslighet. Eftersom deras storlek, form, sammansättning och närmiljö påverkar alla deras egenskaper, plasmoniska nanopartiklar kan ställas in för ett brett spektrum av tillämpningar.
Under ett standardmikroskop, dessa plasmoniska nanopartiklar kan verka identiska, men en bild som tagits med ett hyperspektralt avbildningssystem för ögonblicksbilder som utvecklats vid Rice University visar hur olika de är. Systemet avbildar flera nanopartiklar och deras plasmoniska svar – ljuset de avger när de exciteras – för att visa hur de skiljer sig på grund av defekter eller skillnader i storlek eller form. Kredit:Rice University
Forskare som tillverkar och studerar plasmoniska partiklar vill i allmänhet veta och kontrollera deras reaktivitet, så det är avgörande att kunna studera många enskilda partiklar samtidigt med tidens bästa upplösning, utrymme och energi möjligt.
Tills nu, att få alla dessa data har varit en utmanande process för enskilda partiklar och omöjlig att göra i realtid.
Den nya metoden förenklar denna utmaning genom att införliva ny hårdvara och utföra två analyser samtidigt:partikellokalisering och spektroskopi. "Att mäta reaktioner på heterogena prover är svårt, ", sa Landes. "Du vill ha intima detaljer om hur en partikels yta, form och storlek påverkar dess reaktivitet, men när du väl går för att titta på en annan partikel i provet med den detaljnivån, det är för sent! Den har redan reagerat."
"Tricket här är att ta ögonblicksbilder av många partiklar samtidigt som vi också samlar in spektral information, " sa Link. "När de kombineras, de ger detaljer med millisekunders tidsupplösning om många partiklar medan de reagerar. Vi behöver inte börja reaktionen igen för att få meningsfull statistik."
SHI riktar in ett mikroskop, ett par kamerasystem, en bredspektrat superkontinuumlaser och ett diffraktionsgitter för att synkronisera flera dataströmmar om målpartiklarna på ett ögonblick. Den matchar rumslig information med spektrala emissioner och löser ljusets våglängder till ungefär en femtedel av en nanometer. Spektralbilderna har ett signal-till-brusförhållande över 100-till-1 för ordnade arrayer. För slumpmässiga arrayer med överlappande spektra, förhållandet är cirka 20-till-1.
Det hyperspektrala avbildningssystemet med dubbla kameror som utvecklats vid Rice University fångar flera typer av data om plasmoniska nanopartiklar på ett ögonblick. Bilden till vänster visar positionerna för nanopartiklar i en array, medan en spektralanalys av samma nanopartiklar till höger visar olika spektra för var och en. Att känna till utbudet av plasmoniska svar i nanopartiklar kommer att hjälpa industrin att finjustera sin tillverkning för specifika tillämpningar. Kredit:Rice University
"När du gör ett prov av nanopartiklar, du får inte partiklar med exakt samma storlek och form, " sa medförfattaren och doktoranden Benjamin Hoener. "Du hamnar i partiklar som har defekta platser, lite olika former och kristallstrukturer som gör att de absorberar ljus och molekyler på sina ytor lite annorlunda."
En ögonblicksbild som visar varje partikels färg och intensitet kan göra dessa skillnader uppenbara. "Från det kan vi få viktig information om deras elektrokemiska och optiska egenskaper, " sa postdoktor och medförfattare Sean Collins.
Medförfattare och doktorand Kyle Smith sa att SHI fångar data på en tusendels sekund. "Processer i dessa partiklar sker mycket snabbt, och de är svåra att övervaka, " sa han. "Vi kunde observera kinetiska processer som inte hade observerats vid denna tidsskala."
Systemet låter forskare få en känsla av vad som händer runt enskilda partiklar också, sa Hoener. "Eftersom de också är känsliga för den lokala miljön, vi kan spåra när elektrokemiska reaktioner inträffar på en enda partikel, vid vilken (elektrisk) potential dessa reaktioner inträffar och jämför dem för att se vad som gör att denna process sker snabbare på en partikel än en annan, " han sa.
För att testa systemet, forskarna mätte slumpmässigt deponerade guldnanopartiklar och samlade upp till 20 samtidiga spektra med utmärkt upplösning. I framtida tester, de räknar med att versioner av SHI med mer avancerade kamerasensorer kommer att fånga spektra på upp till 500 individuella guldpartiklar samtidigt. De hoppas kunna förbättra SHI för att möjliggöra spektroskopisk avbildning av nanopartiklar när de växer från icke-detekterbara frön.
