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Single Particle Cathodoluminescence Spectroscopy with Sub-20 nm, Electron-Stable Phosphors
ACS Photonics ( IF 6.5 ) Pub Date : 2021-05-17 , DOI: 10.1021/acsphotonics.1c00235 Dayne F. Swearer 1 , Stefan Fischer 1 , Daniel K. Angell 1 , Chris Siefe 1 , A. Paul Alivisatos 2, 3, 4, 5 , Steven Chu 6, 7 , Jennifer A. Dionne 1, 8
ACS Photonics ( IF 6.5 ) Pub Date : 2021-05-17 , DOI: 10.1021/acsphotonics.1c00235 Dayne F. Swearer 1 , Stefan Fischer 1 , Daniel K. Angell 1 , Chris Siefe 1 , A. Paul Alivisatos 2, 3, 4, 5 , Steven Chu 6, 7 , Jennifer A. Dionne 1, 8
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Lanthanide-doped nanophosphors have emerged as promising optical labels for high-resolution, “multicolor” electron microscopy. Here, we develop a library of 11 unique lanthanide-doped nanophosphors with average edge lengths of 15.2 ± 2.0 nm (N = 4284). These nanophosphors consist of an electron-stable BaYF5 host lattice doped at 25% atomic concentration with the lanthanides Pr3+, Nd3+, Sm3+, Eu3+, Tb3+, Dy3+, Ce3+, Ho3+, Er3+, Tm3+, and Yb3+. Under ∼100 pA/nm2 beam current in a transmission electron microscope, each nanophosphor species exhibits strong cathodoluminescence spectra with sharp characteristic emission lines for each lanthanide. The bright emission and stability of these nanoparticles enable not only ensemble, but also single-particle cathodoluminescence spectroscopy, which we demonstrate with BaYF5:Ln3+, where Ln3+ = Tb3+, Ho3+, Er3+, Sm3+, Eu3+, or Pr3+. Single-particle cathodoluminescence corresponds directly with HAADF intensity across nanoparticles, confirming high spatial localization of the measured cathodoluminescence signal of lanthanide-doped nanophosphors. Our synthesis and characterization of sub-20 nm, electron-stable nanophosphors provides a robust material platform to achieve single-molecule labeled correlative cathodoluminescence electron microscopy, a critical foundation for high-resolution correlation of single molecules within the context of cellular ultrastructure.
中文翻译：
具有亚 20 nm 电子稳定磷光体的单粒子阴极发光光谱
镧系元素掺杂的纳米磷光体已成为高分辨率、“多色”电子显微镜的有前途的光学标签。在这里，我们开发了一个由 11 种独特的镧系元素掺杂的纳米磷光体组成的库，平均边缘长度为 15.2 ± 2.0 nm ( N = 4284)。这些纳米磷光体由以 25% 原子浓度掺杂镧系元素 Pr 3+、Nd 3+、Sm 3+、Eu 3+、Tb 3+、Dy 3+、Ce 3+、Ho的电子稳定 BaYF 5主晶格组成3+、Er 3+、Tm 3+和Yb 3+。低于 100 pA/nm 2透射电子显微镜中的束流，每种纳米磷光体都表现出强烈的阴极发光光谱，每种镧系元素都有清晰的特征发射线。这些纳米粒子的明亮发射和稳定性不仅可以实现集合，还可以实现单粒子阴极发光光谱，我们用 BaYF 5 :Ln 3+证明了这一点，其中 Ln 3+ = Tb 3+、Ho 3+、Er 3+、Sm 3+、Eu 3+或 Pr 3+. 单粒子阴极发光直接对应于纳米粒子的 HAADF 强度，证实了测量的镧系元素掺杂纳米磷光体阴极发光信号的高空间定位。我们对亚 20 nm 电子稳定纳米磷光体的合成和表征提供了一个强大的材料平台，以实现单分子标记的相关阴极发光电子显微镜，这是细胞超微结构中单分子高分辨率相关性的关键基础。
更新日期：2021-06-17
中文翻译：
具有亚 20 nm 电子稳定磷光体的单粒子阴极发光光谱
镧系元素掺杂的纳米磷光体已成为高分辨率、“多色”电子显微镜的有前途的光学标签。在这里，我们开发了一个由 11 种独特的镧系元素掺杂的纳米磷光体组成的库，平均边缘长度为 15.2 ± 2.0 nm ( N = 4284)。这些纳米磷光体由以 25% 原子浓度掺杂镧系元素 Pr 3+、Nd 3+、Sm 3+、Eu 3+、Tb 3+、Dy 3+、Ce 3+、Ho的电子稳定 BaYF 5主晶格组成3+、Er 3+、Tm 3+和Yb 3+。低于 100 pA/nm 2透射电子显微镜中的束流，每种纳米磷光体都表现出强烈的阴极发光光谱，每种镧系元素都有清晰的特征发射线。这些纳米粒子的明亮发射和稳定性不仅可以实现集合，还可以实现单粒子阴极发光光谱，我们用 BaYF 5 :Ln 3+证明了这一点，其中 Ln 3+ = Tb 3+、Ho 3+、Er 3+、Sm 3+、Eu 3+或 Pr 3+. 单粒子阴极发光直接对应于纳米粒子的 HAADF 强度，证实了测量的镧系元素掺杂纳米磷光体阴极发光信号的高空间定位。我们对亚 20 nm 电子稳定纳米磷光体的合成和表征提供了一个强大的材料平台，以实现单分子标记的相关阴极发光电子显微镜，这是细胞超微结构中单分子高分辨率相关性的关键基础。
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