Spectromètre fluorescent à polarisation circulaire microscopique

Dans les domaines de la science des matériaux (régulation des propriétés de Luminescence des micro et Nanostructures chirales), de la chimie (transfert Chiral à l'état d'agrégation de micro - régions), de la biomédecine (imagerie de sondes chirales intracellulaires) et de l'optoélectronique (développement de réseaux CP - OLED à micro et nanoéchelle), les échantillons de Luminescence chirale (tels que les réseaux de nanocristaux chiraux de pérovskite, les sondes CPL ciblées intracellulaires, les micro et nanoagrégats de petites molécules organiques, les cellules de Luminescence micro - CP - OLED) présentent souvent une hétérogénéité spatiale significative et une évolution dynamique de l'agrégat, leurs propriétés de base ne dépendent pas seulement de la configuration moléculaire, mais sont plus étroitement liées au mode d'agrégation à l'échelle micro - nano Les techniques traditionnelles de fluorescence polarisée circulaire ou de caractérisation du dichroïsme circulaire ne permettent d'obtenir que des informations macroscopiques ou unidimensionnelles, ce qui rend difficile l'analyse des lois de Luminescence chirale et des mécanismes d'action au niveau des microrégions. (référence: Yeom et al., Advanced Materials, 2020,32 (1): e1903878)

Figure 1. Formation et caractérisation des superparticules chirales

Toute technique de caractérisation chirale qui manque de capacité de résolution spatiale présente des limites à la perte d'informations sur les microrégions, ne reflète que les propriétés moyennes de l'échantillon et ne peut pas capturer les caractéristiques chirales clés à la micro - Nano - échelle. Par exemple, l'intensité lumineuse totale de la zone micrométrique du spectre de fluorescence ordinaire, mais ne peut pas distinguer la différence de polarisation circulaire gauche / droite, ne peut pas obtenir la valeur de glum de la microzone, il est difficile de juger de la pureté chirale des nanocristaux individuels; La spectroscopie de fluorescence à polarisation circulaire macroscopique, bien que capable de mesurer la valeur globale de glum, ne peut pas localiser les « points chauds» de Luminescence chirale (tels que la région de glum élevé d'une microrégion dans un réseau de pérovskite), ne peut pas expliquer l'impact de l'hétérogénéité de la microrégion sur la performance globale; La spectroscopie ECD peut caractériser la chiralité de l'état fondamental de la molécule, mais ne peut pas corréler les changements de chiralité d'état excité de microrégion (tels que la relaxation conformationnelle d'état excité après la fixation de sondes intracellulaires aux organites cellulaires), et la chiralité d'état excité de microrégion est au cœur des dispositifs miniatures de CPL, l'imagerie biologique ciblée; La spectroscopie de fluorescence transitoire mesure la durée de vie de l'état excité, mais ne peut pas localiser la relation de couplage spatial de la durée de vie à l'état polarisé, ne peut pas révéler le mécanisme cinétique de la luminescence chirale de la microzone - ce qui nécessite l'aide d'un spectromètre de fluorescence à polarisation circulaire microscopique, par sa résolution spatiale de l'ordre du micron / submicronique, un verrouillage précis du signal Chiral de la microzone, comblant les lacunes dans la caractérisation de la luminescence chirale à la micro - Nano - échelle, et la complémentarité de Z -

Dans le domaine de la détection de fluorescence par polarisation circulaire microscopique, les systèmes modernes intègrent souvent un chemin optique confocal + un module de régulation in situ + une acquisition synchrone multimodale (acquisition synchrone de microzones CPL, fluorescence totale, données d'imagerie en champ clair), la séparation des signaux L - CPL / R - CPL des microzones par un modulateur optoélectronique (PEM) de haute précision, la mise au point d'objectifs à ouverture numérique élevée sur des microzones spécifiques (par exemple, des nanocristaux chiraux individuels, des lysosomes intracellulaires), assurant l'acquisition de données de Luminescence chirale de cette microzone sous un système de coordonnées spatiales unifié, évitant la perte d'informations sur les microzones résultant de la « moyennage» dans les détections macroscopiques traditionnelles et les biais de signal induits par le déplacement des microzones de Cette conception intégrée peut non seulement inhiber les artefacts tels que la biréfringence linéaire des microrégions, l'anisotropie locale de fluorescence (tels que les interférences de polarisation hétérogène des microrégions à la périphérie du film mince Chiral), mais aussi résoudre le mécanisme de couplage de la chiralité des microrégions avec l'état d'agrégation, l'action interfaciale par surveillance dynamique (tels que les changements de CPL dans le processus d'agrégation des microrégions induite par la température), fournir une base directe pour la préparation précise de micronanomatériaux chiraux (tels que la régulation de l'uniformité de la taille des nanocristaux), l'optimisation des performances des microrégions des dispositifs CPL (tels que la modification de l'interface des cellules luminescentes), tout en jetant les bases méthodologiques pour révéler la loi de distribution dynamique des sondes chirales intracellulaires, l'- Oui.

La valeur fondamentale du spectromètre de fluorescence à polarisation circulaire microscopique réside non seulement dans la synergie « résolution microscopique + détection de polarisation circulaire», mais également dans le couplage en profondeur et la résolution intelligente des informations spatiales de la microzone avec des données de Luminescence chirale. Cette fusion repousse les limites de la « moyenne macroscopique» et des « silos de données» dans la caractérisation chirale traditionnelle, permettant une double résolution de la « localisation spatiale + quantification des performances» des systèmes de Luminescence rivaux en établissant un modèle d'association inter - échelle de « configuration moléculaire - État d'agrégation de microrégions - performance CPL locale». En particulier dans le contexte du développement rapide de l'intelligence artificielle et de l'apprentissage en profondeur, les données CPL de microrégions à grand flux générées par le système (telles que les cartes de distribution de glum de différentes microrégions, les courbes d'évolution dynamique) combinées à des algorithmes d'apprentissage en profondeur peuvent permettre un criblage à haut débit des micro et nanomatériaux chiraux (identification rapide des microrégions à glum élevé), un positionnement intelligent des sondes chirales à l'intérieur des cellules, une percée dans le paradigme existant de la recherche et du développement "macro - essai et erreur" et conduire la recherche scientifique chirale à une toute nouvelle phase de "résolution spatiale + conduite des données".

Cas d'application:

1. Fluorescence in situ + polarisation circulaire + Résolution angulaire + Association de conduction spatiale caractérisant les caractéristiques lumineuses de bord de film mince de gase

La combinaison de la technologie de Luminescence polarisée circulaire (CPL) avec le Mapping spatial permet de révéler en profondeur les caractéristiques de distribution et les lois de variation du facteur g dans le système de matériaux sur différentes positions spatiales. Cette méthode de mesure, communément appelée CPL Mapping ou G - factor Mapping, est une direction de développement importante à l'intersection de l'optique chirale actuelle et des techniques d'imagerie résolue dans l'espace. L'imagerie de la distribution spatiale de la taille du facteur G sur la surface d'un échantillon à l'échelle micrométrique, voire nanométrique, peut être réalisée par des moyens d'imagerie microscopique combinés à un module de sondage à polarisation circulaire, ce qui permet d'établir une carte bidimensionnelle "G (X, y)". Cette cartographie révèle des inhomogénéités chirales locales dans le matériau en raison de l'orientation cristalline, de l'accumulation moléculaire, des aberrations chirales, de l'induction de défauts ou des processus d'auto - assemblage, et reflète les relations de couplage spatial de la réponse lumineuse Structure - chirale dans l'architecture. Par example, dans des cristaux organiques chiraux, des films de cristaux liquides ou des fibres supramoléculaires, les valeurs de G des différentes régions peuvent varier considérablement en raison de différences d'agencement microscopique, formant des domaines chiraux; Sous l'action d'un champ externe (par exemple, cisaillement, champ électrique, champ optique), cette distribution spatiale peut être régulée ou reconstruite. Cpl Mapping est utilisé non seulement dans la recherche fondamentale pour comprendre la relation de structure et d'effet des matériaux chiraux, mais aussi dans le cryptage optique, l'affichage polarisé, les étiquettes anti - contrefaçon et d'autres applications avec un important potentiel de transport et de décodage d'informations spatiales, est un support technique important pour la recherche sur la régulation spatiale des matériaux chiraux. (référence: Hsu et al., Physical Review B, 2015, 91 (19): 195312.)

Figure 2. Résultats de cartographie CPL pour un film gase 2D. A) schéma pour l'essai de polarisation. B) imagerie CPL d'un film de gase dans l'un des roi, le spot central de la figure étant un spot d'excitation, la fluorescence résultante étant conduite le long du plan jusqu'au bord où elle est collectée. C) distribution spatiale de l'intensité de la CPL obtenue à partir de b) dans la surface de l'échantillon. D) la direction de polarisation à chaque emplacement lumineux de la surface de l’échantillon et le degré de polarisation de la ligne résultante calculé automatiquement par le système;

2. Fluorescence in situ + polarisation circulaire + direction de mesure d'association résolue angulairement VCSEL R & D

La combinaison de la luminescence polarisée circulaire (CPL) avec la technologie de spectroscopie à Résolution angulaire permet une analyse systématique des propriétés chirales de la luminescence à différents angles d'émission, dans différentes directions du moment photonique, révélant ainsi en profondeur la dépendance du facteur G avec l'orientation de la luminescence. Cette méthode, souvent appelée mesure CPL résolue angulairement (AR - CPL), a pour idée centrale de construire une carte de la distribution des valeurs g dans l'espace angulaire, c'est - à - dire l'espace de moment photonique, en utilisant l'angle d'émission comme variable, en mesurant précisément les intensités lumineuses à gauche et à droite dans différentes directions de sortie. Par rapport à la technologie CPL de mesure ponctuelle traditionnelle, Ar - CPL fournit non seulement des informations sur la chiralité d'émission, mais reflète également la rupture de symétrie spatiale de l'état excité interne du matériau, la directivité du moment dipolaire d'émission et la relation entre la luminescence chirale et l'anisotropie structurelle.

Figure 2 caractéristiques d'excitation du laser proche infrarouge VCSEL InGaAs [3]

Pour aller plus loin, si l'on introduit l'axe de l'énergie (longueur d'onde ou fréquence) sur la base de la résolution angulaire, il est possible de cartographier la distribution du facteur G, c'est - à - dire la carte G (K, e), dans un espace bidimensionnel (espace de phase K - e) composé du moment Photonique (k) et de l'énergie Photonique (e). Ce type de cartographie permet aux chercheurs de suivre simultanément la directivité de la luminescence, le comportement dispersif et les caractéristiques couplées de l'intensité chirale, révélant l'origine de la sélectivité de l'imposition des mains dans différents états énergétiques. Par exemple, dans des structures telles que les cristaux photoniques, les cadres métalliques - organiques (MOFs), les microcavités chirales, les architectures Exciton - polarison, etc., où les modes de Luminescence à différents angles et énergies peuvent avoir des propriétés de polarisation différentes, Ar - CPL peut être utilisé pour déterminer quels états excités ont une forte capacité d'émission chirale et quels modes ont un comportement Chiral de retournement ou d'augmentation de résonance.

En outre, la méthode peut être utilisée pour vérifier la distribution de la région Brillouin de l'état d'émission Chiral prédite dans les calculs théoriques, évaluer la synergie des moments dipolaires d'émission dans l'espace réel et l'espace momentum, et observer des phénomènes de pointe tels que le couplage Spin - orbite, le comportement des excitons chiraux, etc. La recherche en CPL à Résolution angulaire fournit non seulement des moyens de caractérisation multidimensionnelle espace - énergie - chiralité des mécanismes de Luminescence des matériaux, mais également une base théorique et technique pour la conception de dispositifs de Luminescence chirale avec sélectivité directionnelle, capacité de régulation spatiale de la quantité de mouvement et sortie de facteur G élevé, avec un potentiel de développement important, en particulier dans des domaines tels que les lasers à polarisation circulaire, les communications optiques chirales et le codage d'informations quantiques. (référence: Hsu et al., Phys. Rev. B, 91, 195312 (2015))

3. Fluorescence polarisée circulaire + analyse résolue dans le temps de la dépendance dynamique de l'évolution du paramètre Stokes total et du facteur G avec l'état excité

La combinaison de la caractérisation de la luminescence polarisée circulaire (CPL) avec la résolution temporelle transitoire à large bande et l'analyse de polarisation Stokes complète permet une analyse systématique des propriétés chirales et des composants de polarisation des matériaux luminescents rivaux à différentes échelles de temps et à différentes énergies (longueurs d'onde), révélant ainsi en profondeur la dépendance dynamique de l'évolution du facteur d'asymétrie de Luminescence (glum) avec l'état excité. Cette méthode, connue sous le nom de mesure CPL full Stokes résolue dans le temps (tr - FS - CPL), repose sur l'idée centrale d'utiliser la « temporisation» comme variable clé, de contrôler avec précision la fenêtre temporelle de détection (largeur minimale de la porte de 2 NS à la plage maximale de 2 MS) via un CCD amélioré à commande électronique (ICCD), d'acquérir de manière synchrone les différences d'intensité de la lumière polarisée circulaire gauche (LCP) par rapport à la lumière polarisée circulaire droite (RCP) à différents retards de temps, tout en séparant les composants de polarisation linéaire (s₁: polarisation linéaire de 0° / 90°, s₂: + 45° / -polarisations linéaires à 45°), on construit finalement une carte de distribution dynamique de glum dans l'espace bidimensionnel temps - énergie (espace t - e) (glum (T, e)). Contrairement à la technologie CPL à l'état stationnaire traditionnelle qui ne permet d'obtenir que des valeurs statiques de glum, à la CPL à résolution temporelle traditionnelle (trcpl) qui doit évaluer la sensibilité par rapport aux limites de la bande passante, le tr - FS - CPL fournit non seulement des informations sur l'intensité de la luminescence chirale Par rapport à la pureté de la polarisation, mais reflète également la cinétique temporelle de la relaxation de l'état d'excitation interne du matériau, l'efficacité du transfert Chiral dans différents états d'énergie tels que l'état d'esprit dans le ligand, l'état d'excitation élevé des ions métalliques et la frontière de différenciation entre les artefacts CPL

Figure 3. Spectre vectoriel Stokes complet à large bande et résolu dans le temps des colorants non chiraux standard dans des solutions aqueuses de faible et de forte viscosité

Pour aller plus loin, si la couverture spectrale large bande (400 - 900 nm) est conservée sur la base de la résolution temporelle par rapport à la polarisation totale de Stokes, la distribution holographique du glum peut être tracée dans un espace tridimensionnel composé de "temporisation (t) - énergie du photon (e) - états de polarisation (s₁ / s₂ / s₃)", c'est - à - dire la carte du glum (T, E, sₙ) (n = 1,2,3). Ce type de cartographie permet aux chercheurs de suivre simultanément l'évolution temporelle de la luminescence, le comportement de dispersion d'énergie et les caractéristiques couplées des états polarisés (chiraux), révélant l'origine de l'activité handicapante dans différents états excités et les lois de variation dynamique. Par exemple, dans le complexe Chiral de Lanthanides eu [(+) - facam] ₃, la différence chirale entre l'état du Ligand central (LC) de l'ordre de la nanoseconde (durée de vie de 13 NS, sans activité CPL) de tr - FS - CPL et l'état hautement excité de ⁵d₁ → ⁷f₂ (durée de vie de 130 NS, | glum | ≈ 0,2) est claire, le transfert Chiral du Ligand au métal devant être complété par un transfert d'énergie de l'état excité; La dynamique chirale de la luminescence transitoire (23 NS, glum ≈ ± 1,8 × 10 ⁻³) par rapport à la luminescence retardée (18 µs, stabilité du glum) peut être quantifiée de manière synchrone dans un colorant Chiral à fluorescence retardée activée par la chaleur (tadf) (R / S - BPC), démontrant que le processus de fluorescence retardée ne perturbe pas la chiralité moléculaire; Dans le colorant non Chiral Rhodamine B, les artefacts CPL induits par la polarisation linéaire (s₁) et leur association avec la cinétique de rotation moléculaire (depolarize en 10 NS) sont également retracés par l'évolution temporelle des composants de polarisation linéaire s₁ / s₂.

En outre, la méthode peut également être utilisée pour vérifier le chemin de relaxation chirale de l'état excité prédit dans les calculs théoriques, évaluer l'efficacité de transfert du signal Chiral à différents canaux d'énergie et échelles de temps tels que « Ligand - métal», « transitoire - retard», et observer des phénomènes de front tels que la Conservation chirale de l'état excité à courte durée de vie, l'atténuation dynamique des artefacts de polarisation linéaire. La recherche de full Stokes CPL résolue dans le temps fournit non seulement des moyens de caractérisation multidimensionnelle « temps - énergie - polarisation - chiralité» pour les mécanismes d'état excité des matériaux chiraux luminescents, mais jette également les bases théoriques et techniques pour la conception de dispositifs chiraux luminescents avec sélectivité de fenêtre temporelle, capacité de régulation des canaux d'énergie et faible artefact haut rendement glum, en particulier dans les domaines des diodes électroluminescentes organiques à polarisation circulaire (CP - OLED), des sondes de bioimagerie chirale, des sources de photons chiraux dans le domaine de l'information quantique et d'autres domaines. Grâce à cette technologie, les chercheurs peuvent filtrer avec précision les matériaux chiraux luminescents de haute stabilité (tels que la stabilité temporelle du glum pour les colorants tadf), optimiser les voies de transfert d'énergie de l'état excité (telles que l'efficacité de sensibilisation aux Ligands du complexe eu³ +), et fournir un Protocole de caractérisation standardisé pour résoudre les problèmes d'interférence artefactive dans les mesures CPL traditionnelles, conduisant la conversion des matériaux optoélectroniques chiraux de la recherche fondamentale à des applications pratiques.

(référence: reponen et al., nature. 2025 Jul; 643 (8072): 675 à 682.)