Kyle Smith, étudiant diplômé de l'Université Rice, vérifie un échantillon tout en testant le système d'imagerie hyperspectrale instantané du laboratoire. Les scientifiques de Rice ont développé le système pour prendre des spectres instantanés de plusieurs nanoparticules plasmoniques. Crédit :Jeff Fitlow
Des scientifiques de l'Université Rice ont développé une nouvelle technique pour visualiser simultanément un champ de nanoparticules plasmoniques afin d'apprendre comment leurs différences modifient leur réactivité.
Leur nouvelle méthode est appelée imagerie hyperspectrale instantanée (SHI), qui jusqu'à présent a été principalement utilisé en astronomie. SHI permet aux chercheurs de visualiser les différences infimes entre des nanoparticules par ailleurs identiques et de voir comment elles réagissent en réponse à la lumière et aux changements environnementaux.
La technique pourrait aider les industries à affiner les produits tels que les catalyseurs plasmoniques pour le traitement pétrochimique, nanoparticules déclenchées par la lumière pour le traitement du cancer, cellules solaires et microélectronique.
SHI est détaillé dans l'American Chemical Society's Journal de chimie physique . Il a été développé par les Rice labs de Stephan Link et Christy Landes, à la fois professeurs de chimie et de génie informatique et électrique.
Les plasmons sont l'oscillation coordonnée des électrons dans les métaux qui est déclenchée par la lumière. Les nanoparticules plasmoniques sont des cristaux de taille nanométrique qui absorbent et réagissent avec la lumière avec une sensibilité extraordinaire. Parce que leur taille, forme, la composition et l'environnement local influencent tous leurs propriétés, Les nanoparticules plasmoniques peuvent être adaptées à un large éventail d'applications.
Sous un microscope standard, ces nanoparticules plasmoniques peuvent sembler identiques, mais une image capturée par un système d'imagerie hyperspectrale instantané développé à l'Université Rice montre à quel point ils sont différents. Le système image plusieurs nanoparticules et leurs réponses plasmoniques - la lumière qu'elles émettent lorsqu'elles sont excitées - pour montrer comment elles diffèrent en raison de défauts ou de différences de taille ou de forme. Crédit :Université Rice
Les chercheurs qui fabriquent et étudient les particules plasmoniques veulent généralement connaître et contrôler leur réactivité, il est donc crucial de pouvoir étudier de nombreuses particules individuelles simultanément avec la meilleure résolution temporelle, espace et énergie possibles.
Jusqu'à maintenant, obtenir toutes ces données a été un processus difficile pour les particules individuelles et impossible à faire en temps réel.
La nouvelle méthode simplifie ce défi en incorporant un nouveau matériel et en effectuant deux analyses à la fois :la localisation des particules et la spectroscopie. « Mesurer des réactions sur des échantillons hétérogènes est difficile, " Landes a dit. " Vous voulez des détails intimes sur la façon dont la surface d'une particule, la forme et la taille influencent sa réactivité, mais une fois que vous regardez une particule différente dans l'échantillon avec ce niveau de détail, c'est trop tard! Il a déjà réagi."
"L'astuce ici est de prendre des instantanés de nombreuses particules pendant que nous collectons également des informations spectrales, " dit Link. " Lorsqu'ils sont combinés, ils fournissent des détails avec une résolution en millisecondes sur de nombreuses particules pendant qu'elles réagissent. Nous n'avons pas à recommencer la réaction pour obtenir des statistiques significatives."
SHI aligne un microscope, une paire de systèmes de caméras, un laser supercontinuum à large spectre et un réseau de diffraction pour synchroniser plusieurs flux de données sur les particules cibles en un instant. Il fait correspondre les informations spatiales avec les émissions spectrales et résout les longueurs d'onde de la lumière à environ un cinquième de nanomètre. Les images spectrales ont un rapport signal sur bruit supérieur à 100 à 1 pour les réseaux ordonnés. Pour les tableaux aléatoires avec des spectres qui se chevauchent, le rapport est d'environ 20 à 1.
Le système d'imagerie hyperspectrale instantané à double caméra développé à l'Université Rice capture plusieurs types de données sur les nanoparticules plasmoniques en un instant. L'image de gauche montre les positions des nanoparticules dans un réseau, tandis qu'une analyse spectrale des mêmes nanoparticules à droite montre la gamme différente de spectres pour chacun. Connaître la gamme de réponses plasmoniques dans les nanoparticules aidera l'industrie à affiner leur fabrication pour des applications spécifiques. Crédit :Université Rice
"Quand vous faites un échantillon de nanoparticules, vous n'obtenez pas de particules ayant exactement la même taille et la même forme, " Le co-auteur et étudiant diplômé Benjamin Hoener a déclaré. "Vous vous retrouvez avec des particules qui ont des sites défectueux, des formes et des structures cristallines légèrement différentes qui leur permettent d'absorber la lumière et les molécules à leur surface un peu différemment."
Un instantané qui montre la couleur et l'intensité de chaque particule peut rendre ces différences évidentes. "De là, nous pouvons obtenir des informations importantes sur leurs propriétés électrochimiques et optiques, ", a déclaré le chercheur postdoctoral et co-auteur Sean Collins.
Le co-auteur principal et étudiant diplômé Kyle Smith a déclaré que SHI capture les données en un millième de seconde. "Les processus dans ces particules se produisent très rapidement, et ils sont difficiles à surveiller, ", a-t-il déclaré. "Nous avons pu observer des processus cinétiques qui n'avaient pas été observés à cette échelle de temps."
Le système permet également aux chercheurs d'avoir une idée de ce qui se passe autour des particules individuelles, dit Hoener. "Parce qu'ils sont aussi sensibles à l'environnement local, nous pouvons suivre quand des réactions électrochimiques se produisent sur une seule particule, à quel potentiel (électrique) ces réactions se produisent et les comparer pour voir ce qui rend ce processus plus rapide sur une particule que sur une autre, " il a dit.
Pour tester le système, les chercheurs ont mesuré des nanoparticules d'or déposées au hasard et rassemblé jusqu'à 20 spectres simultanés avec une excellente résolution. Dans les prochains tests, ils prévoient que les versions de SHI avec des capteurs de caméra plus avancés captureront simultanément des spectres allant jusqu'à 500 particules d'or individuelles. Ils espèrent améliorer le SHI pour permettre l'imagerie spectroscopique des nanoparticules à mesure qu'elles se développent à partir de graines non détectables.
