Billedteknik trækker plasmondata sammen

Rice University-forskere har udviklet en ny teknik til at se et felt af plasmoniske nanopartikler samtidigt for at lære, hvordan deres forskelle ændrer deres reaktivitet.

Deres nye metode kaldes snapshot hyperspectral imaging (SHI), som hidtil primært har været brugt i astronomi. SHI giver forskere mulighed for at se små forskelle mellem ellers identiske nanopartikler og se, hvordan de reagerer som reaktion på lys- og miljøændringer.

Teknikken kan hjælpe industrier med at finjustere produkter såsom plasmoniske katalysatorer til petrokemisk forarbejdning, lys-udløste nanopartikler til kræftbehandling, solceller og mikroelektronik.

SHI er detaljeret i American Chemical Society's Journal of Physical Chemistry . Det blev udviklet af Rice labs af Stephan Link og Christy Landes, både professorer i kemi og computer- og elektroteknik.

Plasmoner er den koordinerede oscillation af elektroner i metaller, der udløses af lys. Plasmoniske nanopartikler er krystaller på nanometerstørrelse, der absorberer og reagerer med lys med ekstraordinær følsomhed. Fordi deres størrelse, form, sammensætning og lokalmiljø påvirker alle deres egenskaber, plasmoniske nanopartikler kan tunes til en bred vifte af applikationer.

Forskere, der fremstiller og studerer plasmoniske partikler, ønsker generelt at kende og kontrollere deres reaktivitet, så det er afgørende at være i stand til at studere mange individuelle partikler samtidigt med den bedste opløsning af tid, plads og energi muligt.

Indtil nu, at få alle disse data har været en udfordrende proces for enkelte partikler og umuligt at gøre i realtid.

Den nye metode forenkler denne udfordring ved at inkorporere ny hardware og udføre to analyser på én gang:partikellokalisering og spektroskopi. "Det er svært at måle reaktioner på heterogene prøver, "Landes sagde." Du vil have intime detaljer om, hvordan en partikels overflade, form og størrelse påvirker dets reaktivitet, men når du går for at se på en anden partikel i prøven med det detaljeringsniveau, det er for sent! Den har allerede reageret«.

"Tricket her er at tage snapshots af mange partikler, mens vi også indsamler spektral information, " sagde Link. "Når det kombineres, de giver detaljer med millisekundstid opløsning om mange partikler, mens de reagerer. Vi behøver ikke at starte reaktionen forfra for at få meningsfuld statistik. "

SHI justerer et mikroskop, et par kamerasystemer, en bredspektret superkontinuumlaser og et diffraktionsgitter til at synkronisere flere datastrømme om målpartiklerne på et øjeblik. Det matcher rumlig information med spektrale emissioner og opløser bølgelængder af lys til omkring en femtedel af en nanometer. De spektrale billeder har et signal-til-støj-forhold over 100-til-1 for ordnede arrays. For tilfældige arrays med overlappende spektre, forholdet er omkring 20-til-1.

"Når du laver en prøve af nanopartikler, du får ikke partikler med nøjagtig samme størrelse og form, "sagde medforfatter og kandidatstuderende Benjamin Hoener." Du ender med partikler, der har defekte steder, lidt forskellige former og krystalstrukturer, der får dem til at absorbere lys og molekyler på deres overflader lidt anderledes."

Et øjebliksbillede, der viser hver partikels farve og intensitet, kan gøre disse forskelle indlysende. "Derfra kan vi få vigtig information om deres elektrokemiske og optiske egenskaber, "sagde postdoktorforsker og medforfatter Sean Collins.

Medforfatter og kandidatstuderende Kyle Smith sagde, at SHI fanger data på en tusindedel af et sekund. "Processer i disse partikler sker meget hurtigt, og de er svære at overvåge, " sagde han. "Vi var i stand til at observere kinetiske processer, der ikke var blevet observeret på denne tidsskala."

Systemet giver forskere mulighed for også at få en fornemmelse af, hvad der sker omkring individuelle partikler, Sagde Hoener. "Fordi de også er følsomme over for det lokale miljø, vi kan spore, hvornår elektrokemiske reaktioner forekommer på en enkelt partikel, ved hvilket (elektrisk) potentiale disse reaktioner opstår, og sammenlign dem for at se, hvad der får denne proces til at ske hurtigere på en partikel end en anden, " han sagde.

For at teste systemet, forskerne målte tilfældigt deponerede guldnanopartikler og samlede op til 20 samtidige spektre med fremragende opløsning. I fremtidige tests, de forventer, at versioner af SHI med mere avancerede kamerasensorer vil fange spektre på op til 500 individuelle guldpartikler samtidigt. De håber at forbedre SHI for at muliggøre spektroskopisk billeddannelse af nanopartikler, når de vokser fra ikke-detekterbare frø.