Espectrómetro de fluorescencia de polarización microcircular

En los campos de la ciencia de los materiales (regulación de las propiedades de luminiscencia de las microestructuras quirales), la química (transmisión quiral de los Estados de aglomeración de microescala), la biomedicina (imágenes de sondas quirales intracelulares) y los dispositivos optoelectrónicos (desarrollo de matrices CP - OLED de microescala), las muestras de luminiscencia quiral (como las matrices nanocristalinas quirales de calcio y titanio, las Sondas CPL dirigidas intracelulares, los agregados de microescalas orgánicas y las unidades de luminiscencia CP - OLED en miniatura) a menudo muestran una heterogeneidad espacial significativa y una evolución dinámica de los Estados de aglomeración, y sus propiedades centrales no solo dependen de la configuración molecular, sino que también están estrechamente vinculadas a los métodos de aglomeración y las interacciones límite de microescala. Las técnicas tradicionales de fluorescencia polarizada circular o caracterización dicromática circular solo pueden obtener información a nivel macro o unidimensional, y es difícil analizar las leyes de luminiscencia quiral y los mecanismos de acción a nivel de microregión. (referencias: Yeom et al., Advanced materials, 2020,32 (1): e1903878)

Figura 1. formación y caracterización de partículas ultrafinas quirales

Cualquier técnica de caracterización quiral que carezca de capacidad de resolución espacial tiene la limitación de la pérdida de información de la microregión, que solo puede reflejar los atributos medios de la muestra y no puede capturar las características quirales clave a escala micro y nanométrica. Por ejemplo, el espectro de fluorescencia ordinario puede medir la intensidad luminosa total de la microzona, pero no puede distinguir la diferencia de luz polarizada circular izquierda / derecha, no puede obtener el valor glum de la microzona y es difícil juzgar la pureza quiral de un solo nanocristalino; Aunque el espectro de fluorescencia de polarización circular macro puede medir el valor global de glum, no puede localizar el "punto caliente" de la luminiscencia quiral (como la región de glum alto de una microregión en una matriz de perovskita), lo que no puede explicar el impacto de la heterogeneidad de la microregión en el rendimiento general; El espectro ECD puede caracterizar la Quiralidad del Estado del suelo molecular, pero no puede asociar cambios en la Quiralidad del Estado estimulado de la región micro (como la relajación de la conformación del Estado estimulado después de la Unión de la sonda intracelular al organelo), y la Quiralidad del Estado estimulado de la región micro es el núcleo de los dispositivos de microchl y la imagen dirigida biológica; El espectro de fluorescencia instantánea puede medir la vida útil del Estado estimulado, pero no puede localizar la relación de acoplamiento espacial entre la vida útil y el Estado polarizado, y no puede revelar el mecanismo dinámico de la luminiscencia quiral en la microregión, lo que requiere la ayuda de un espectrómetro de fluorescencia de polarización microcircular, a través de su resolución espacial de nivel micro / submicron, bloquear con precisión la señal quiral en la microregión y llenar el vacío en la caracterización de la luminiscencia quiral a escala micro y nanométrica, y la complementariedad de Z con otras tecnologías.

En el campo de la detección de fluorescencia de polarización microcircular, los sistemas modernos a menudo integran el camino óptico de enfoque de polimerización + módulo de control in situ + adquisición simultánea multimodal (adquisición simultánea de datos de imagen de área micro - cpl, fluorescencia total y campo brillante), separan las señales L - CPL / R - CPL de la región micro a través de un modulación fotoeléctrica de alta precisión (pem) y se centran en una región micro específica (como nanocristales quirales individuales y lisosomas intracelulares) para garantizar la adquisición de datos de luminiscencia quiral de la región micro en un sistema de coordenadas espaciales unificadas, evitando la pérdida de información de la región micro causada por la "media" en las pruebas macroeconómicas tradicionales y La desviación de la señal causada por el desplazamiento de la región micro en las pruebas escalonadas. Este diseño integrado no solo puede inhibir artefactos como la bireflexión lineal de la microregión y la heterogeneidad de fluorescencia local (como la interferencia de polarización desigual en la microregión del borde de la película quiral), sino que también puede analizar el mecanismo de acoplamiento entre la Quiralidad de la microregión y la aglomeración, y la acción de interfaz a través del monitoreo dinámico (como los cambios de CPL durante la aglomeración de la microregión inducida por la temperatura), proporcionando una base directa para la preparación precisa de materiales quirales (como la regulación de la uniformidad del tamaño de los nanocristales) y la optimización del rendimiento de la microregión de dispositivos microcpl (como la modificación de la interfaz de la unidad luminosa), al tiempo que sienta las bases metodológicas para revelar las leyes de distribución dinámica de las sondas quirales dentro de la célula y el impacto de la heterogeneidad de la microregión en el

El valor central del espectrómetro de fluorescencia de polarización circular microscópica no solo radica en la sinergia de "microresolución + detección de polarización circular", sino también en el acoplamiento profundo y el análisis inteligente de la información espacial de la microregión y los datos de luminiscencia quiral. Esta fusión rompe las limitaciones del "promedio macro" y la "isla de datos" en la caracterización quiral tradicional, y mediante el establecimiento de un modelo de asociación a escala cruzada de "configuración Molecular - Estado de aglomeración de microregiones - rendimiento de la CPL local", se realiza el doble análisis de "posicionamiento espacial + cuantificación del rendimiento" del sistema de luminiscencia manual. Especialmente en el contexto del rápido desarrollo de la inteligencia artificial y el aprendizaje profundo, los datos CPL de microregiones de gran flujo producidos por el sistema (como el mapa de distribución de glum y la curva de evolución dinámica de diferentes microregiones) se combinan con algoritmos de aprendizaje profundo para lograr la selección de alto rendimiento de materiales micro y Nano quirales (identificación rápida de microregiones de glum alto) y el posicionamiento inteligente de sondas quirales dentro de la célula, romper el paradigma existente de investigación y desarrollo de "pruebas y errores macro" y promover la investigación científica quiral a una nueva etapa de "resolución espacial + impulsado por datos".

Casos de aplicación:

1. fluorescencia in situ + polarización circular + Resolución angular + correlación de conducción espacial caracterizan las características de luminiscencia del borde de la película gase

La combinación de la tecnología de luminiscencia polarizada circular (cpl) y el mapeo espacial puede revelar en profundidad las características de distribución y las leyes de cambio del factor g en diferentes posiciones espaciales en el sistema de materiales. Este método de medición, comúnmente conocido como CPL Mapping o G - factor mapping, es una importante dirección de desarrollo en la intersección de la óptica quiral y la tecnología de imágenes resueltas en el espacio. A través de la combinación de imágenes microscópicas y módulos de detección de polarización circular, se puede realizar una imagen de distribución espacial del tamaño del factor g en la superficie de muestras a escala micro o incluso nanométrica, estableciendo así un mapa bidimensional "g (x, y)". Este mapa revela la heterogeneidad quiral local en el material debido a la orientación cristalina, la acumulación molecular, la distorsión quiral, la inducción de defectos o el proceso de autoensamblaje, y refleja la relación de acoplamiento espacial de la respuesta de luminiscencia quiral estructural en el sistema. Por ejemplo, en cristales orgánicos quirales, películas LCD o fibras supermoleculares, los valores G de diferentes regiones pueden cambiar significativamente debido a las diferencias de disposición microscópica, formando dominios quirales; Bajo la acción del campo exterior (como corte, campo eléctrico, campo óptico), esta distribución espacial puede ser regulada o reconstruida aún más. CPL Mapping no solo se utiliza en la investigación básica para comprender la relación estructura - actividad de los materiales quirales, sino que también tiene un importante potencial de carga y decodificación de información espacial en aplicaciones como cifrado óptico, visualización polarizada y etiquetas antifalsificación, y es un importante soporte técnico para la investigación de regulación espacial de materiales funcionales de luz quiral. (referencia: Hsu et al., Physical Review b, 2015, 91 (19): 195.312.)

Figura 2. resultados de la cartografía CPL de películas delgadas de gase bidimensionales. A) es un diagrama esquemático de la prueba de polarización. (b) es una imagen de LCP de la película gase en uno de los rois, el punto central de la imagen es el punto de excitación, y la fluorescencia generada se conduce a lo largo del plano al borde y se recoge. (c) distribución espacial de la intensidad de la CPL obtenida de (b) en la superficie de la muestra. D) la dirección de polarización en cada posición luminosa de la superficie de la muestra y el sistema calcula automáticamente el grado de polarización lineal

2. fluorescencia in situ + polarización circular + medición de correlación resuelta en ángulo para guiar la investigación y el desarrollo de vcsel

Combinando la luminiscencia polarizada circular (cpl) con la tecnología de espectrometría resuelta por ángulo, se puede realizar un análisis sistemático de las propiedades quirales de la luminiscencia en diferentes ángulos de emisión y diferentes direcciones de impulso fotónico, revelando así en profundidad la Dependencia del factor G con la orientación luminosa. Este método, comúnmente conocido como medición de CPL resuelta en ángulo (ar - cpl), tiene como idea central tomar el ángulo de emisión como variable y construir un mapa de distribución del valor g en el espacio de ángulo (es decir, el espacio de impulso fotónico) midiendo con precisión la intensidad luminosa izquierda y derecha en diferentes direcciones de emisión. En comparación con la tecnología tradicional de medición puntual de la cpl, Ar - CPL no solo puede proporcionar información quiral de emisión, sino también reflejar la ruptura de la simetría de los Estados estimulados en el interior del material en el espacio, la directividad del momento dipolo de emisión y la relación entre la luminiscencia quiral y la heterogeneidad estructural.

Figura 2. características de eyección del láser vcsel de infrarrojo cercano InGaAs [3]

Además, si se introduce un eje de energía (longitud de onda o frecuencia) basado en la resolución angular, se puede trazar un mapa de distribución del factor g en un espacio bidimensional (espacio de fase K - e) compuesto por el impulso fotónico (k) y la energía fotónica (e), es decir, un mapa g (k, e). Este tipo de mapas permiten a los investigadores rastrear simultáneamente las características de acoplamiento de la directividad, el comportamiento de dispersión y la intensidad quiral de la luminiscencia, revelando el origen de la selectividad de inicio de diferentes Estados energéticos. Por ejemplo, en estructuras como cristales fotónicos, marcos metálicos - orgánicos (mofs), microcavidades quirales, sistemas polarones - polarones, etc., los patrones de luminiscencia bajo diferentes ángulos y energía pueden tener diferentes propiedades de polarización, y Ar - CPL se puede utilizar para determinar qué Estados estimulados tienen una fuerte capacidad de emisión quiral y cuáles tienen un comportamiento de volteo quiral o mejora de resonancia.

Además, el método también se puede utilizar para verificar la distribución de la región de Brillouin del Estado emisor quiral predicha en cálculos teóricos, evaluar la sinergia del momento dipolo emisor en el espacio real y el espacio de impulso, y observar fenómenos de vanguardia como el acoplamiento giratorio - orbital y el comportamiento de los radicales quirales. La investigación de la CPL de resolución angular no solo proporciona un medio de caracterización multidimensional espacio - Energía - quiral para el mecanismo de luminiscencia de los materiales, sino que también sienta las bases teóricas y técnicas para el diseño de dispositivos de luminiscencia quiral con selectividad direccional, capacidad de regulación espacial de impulso y salida de factores g altos, especialmente en los campos del láser de polarización circular, la comunicación óptica quiral y la codificación de información cuántica. (referencias: Hsu et al., phys. rev. b, 91, 195312 (2015))

3. análisis de fluorescencia polarizada circular + resolución de tiempo de la Dependencia dinámica de los parámetros de Stokes completos y los factores G con la evolución del Estado estimulado

Combinando la caracterización de la luminiscencia polarizada circular (cpl) con la resolución temporal instantánea de banda ancha y el análisis de polarización de Stokes completos, se puede lograr el análisis sistemático de las propiedades quirales y los componentes polarimétricos de los materiales luminiscentes rivales a diferentes escalas de tiempo y diferentes energías (longitudes de onda), revelando así en profundidad la Dependencia dinámica del factor de asimetría luminosa (glum) de la evolución de los Estados estimulados. El método, conocido como medición de la CPL de Stokes completos resueltos en el tiempo (trf - FS - cpl), tiene como idea central controlar con precisión la ventana de tiempo de detección (rango mínimo de 2 NS de ancho de puerta a máximo de 2 ms) a través de un CLD mejorado por puerta electrónica (iccd) con una variable clave de "retraso en El tiempo", captar simultáneamente la diferencia de intensidad entre la luz polarizada circular izquierda (lcp) y la luz polarizada circular derecha (rcp) bajo diferentes retrasos en el tiempo, mientras se separan los componentes de polarización lineal (s ₁ 0 ° / 90 ° polarización lineal, s※ 52 ° / 45 ° polarización lineal), y finalmente construir en glum.mapa de distribución dinámica (glum (t, e) En el espacio bidimensional tiempo - Energía (espacio T - e). En comparación con la tecnología tradicional de CPL en estado estacionario, que solo puede obtener valores de glum estáticos, y la CPL tradicional resuelta en el tiempo (trcpl) necesita sopesar las limitaciones de sensibilidad y ancho de banda, la trfs - CPL no solo puede proporcionar información sobre la intensidad y pureza polarizada de la luminiscencia quiral, sino también reflejar la dinámica temporal de La relajación de los Estados estimulados en el material, la eficiencia de transmisión quiral de diferentes Estados energéticos (como la mentalidad en el ligando, los Estados altamente estimulados de iones metálicos) y el límite de distinción entre los artefactos de CPL inducidos por polarización lineal y las señales quirales reales.

Figura 3. estabilidad de banda ancha y espectros vectoriales de Stokes resueltos en tiempo de tintes no quirales estándar en soluciones acuosas de baja y alta viscosidad

Además, si se mantiene la cobertura espectral de banda ancha (400 - 900 nm) sobre la base de la resolución temporal y la polarización de Stokes completos, se puede dibujar un mapa de distribución holográfica del glum, es decir, el mapa del glum (t, e, s) (n = 1,2,3), en un espacio tridimensional compuesto por "retraso temporal (t) - Energía fotónica (e) - Estado de polarización (s ₁ / S ₃)". Este tipo de mapas permiten a los investigadores rastrear simultáneamente la evolución temporal de la luminiscencia, el comportamiento de dispersión de energía y las características de acoplamiento de los Estados polarizados (incluida la quiralidad), revelando el origen y las leyes de cambio dinámico de la actividad inicial de los diferentes Estados estimulados. Por ejemplo, en el complejo de lantánidos quirales ue[(+) - facam] ₃, la diferencia quiral entre el Estado central del ligando nanosegundo distinguible (lc) de TR - FS - CPL (vida de 13 ns, sin actividad de cpl) y el Estado altamente estimulado de D → f (vida de 130 ns, | glum 0,2) aclara que la transmisión quiral del ligando al metal debe completarse mediante la transferencia de energía del Estado estimulado; En los tintes de fluorescencia de retraso de Activación térmica quiral (tadf) (r / S - bpc), se puede cuantificar simultáneamente la dinámica quiral de la luminiscencia instantánea (23 ns, glum ¿ 1,8 × 10⁻ 3) y la luminiscencia de retraso (18 μs, la estabilidad de glum es consistente), demostrando que el proceso de fluorescencia de retraso no destruye la Quiralidad molecular; En el tinte no quiral rodanmin b, también se pueden rastrear los artefactos de la CPL inducidos por la polarización lineal (s) y su asociación con la dinámica de rotación molecular (despolarización dentro de 10 ns) a través de la evolución temporal de los componentes de polarización lineal S / S.

Además, el método también se puede utilizar para verificar las rutas de relajación quiral de los Estados emocionados predecidas en cálculos teóricos, evaluar la eficiencia de transmisión de las señales quirales en diferentes canales de energía y escalas de tiempo, como "ligandos - metales" y "retrasos instantáneos", así como observar fenómenos de vanguardia como la conservación quiral de los Estados emocionados de corta vida y la atenuación dinámica de los artefactos de polarización lineal. El estudio de la CPL de all Stokes resuelto en el tiempo no solo proporciona un medio de caracterización multidimensional "tiempo - Energía - polarización - quiralidad" para el mecanismo de Estado excitado de los materiales luminosos quirales, sino que también sienta las bases teóricas y técnicas para el diseño de dispositivos luminosos quirales con selectividad de ventana de tiempo, capacidad de regulación de canales de energía y salida de glum bajo artefacto y alto, especialmente en diodos orgánicos emisores de luz circularmente polarizados (cp - oled), sondas de imágenes biológicas quirales, fuentes de fotones quirales en el campo de la información cuántica y otros campos. A través de esta tecnología, los investigadores pueden seleccionar con precisión materiales luminiscentes quirales de alta estabilidad (como la estabilidad temporal de glum de los tintes tadf), optimizar las rutas de transferencia de energía de los Estados estimulados (como la eficiencia de sensibilización de ligandos de los complejos EU 3 +), y proporcionar soluciones de caracterización estandarizadas para resolver el problema de la interferencia de artefactos en las mediciones tradicionales de la cpl, promoviendo la transformación de los materiales optoelectrónicos quirales de la investigación básica a la aplicación práctica.

(referencia: reponen et al., nature. 2025 jul; 643 (8072): 675 - 682.)