Molecular beam techniques are employed to study the adsorption and desorption of H2 on the (100), (110), and stepped (310) crystal faces of copper. Each crystal is exposed simultaneously to a supersonic molecular beam of H2 (energy variable from 1.6 to 10.7 kcal/mole) and a highly dissociated beam of deuterium. The majority of the H2 molecules are scattered from the surface (i.e., are not adsorbed), while a portion of the remaining molecules adsorb dissociatively and react catalytically with adsorbed deuterium atoms to form HD molecules. These HD molecules desorb, and their angular distribution is measured by a rotatable mass spectrometer. For all three crystal faces, the distributions of desorbed HD deviate significantly from diffuse emission and are in excellent agreement with the results of our previous permeation study. From the dependence of the HD signal on the energy and incident angle of the H2 beam, it appears that there are substantial energy barriers to adsorption, with these barriers depending on crystallographic orientation and acting essentially perpendicular to the surfaces. Both the energy dependence of the dissociative adsorption probability and the shapes of the HD angular distributions are nearly identical for the stepped (310) and (100) surfaces, thereby suggesting that ledge sites are not the principal regions responsible for adsorption of hydrogen on copper. The estimated adsorption probabilities versus energy are “S” shaped curves which appear to level off at values considerably less than unity. A comparison of our results with a very simple model with a single energy barrier to adsorption is qualitatively but not quantitatively satisfactory. An interpretation which includes a distribution of energy barriers is suggested.

Deep in vivo imaging of vasculature requires small, bright, and photostable fluorophores suitable for multiphoton microscopy (MPM). Although semiconducting polymer dots (pdots) are an emerging class of highly fluorescent contrast agents with favorable advantages for the next generation of in vivo imaging, their use for deep multiphoton imaging has never before been demonstrated. Here we characterize the multiphoton properties of three pdot variants (CNPPV, PFBT, and PFPV) and demonstrate deep imaging of cortical microvasculature in C57 mice. Specifically, we measure the two- versus three-photon power dependence of these pdots and observe a clear three-photon excitation signature at wavelengths longer than 1300 nm, and a transition from two-photon to three-photon excitation within a 1060 - 1300 nm excitation range. Furthermore, we show that pdots enable in vivo two-photon imaging of cerebrovascular architecture in mice up to 850 μm beneath the pial surface using 800 nm excitation. In contrast with traditional multiphoton probes, we also demonstrate that the broad multiphoton absorption spectrum of pdots permits imaging at longer wavelengths (λex = 1,060 and 1225 nm). These wavelengths approach an ideal biological imaging wavelength near 1,300 nm and confer compatibility with a high-power ytterbium-fiber laser and a high pulse energy optical parametric amplifier, resulting in substantial improvements in signal-to-background ratio (>3.5-fold) and greater cortical imaging depths of 900 μm and 1300 μm. Ultimately, pdots are a versatile tool for MPM due to their extraordinary brightness and broad absorption, which will undoubtedly unlock the ability to interrogate deep structures in vivo.

Three-photon microscopy shows potential to probe much deeper brain structures than previously possible with two-photon microscopy. Here we demonstrate the first intravascular measurements of pO2 in subcortical vasculature in awake mice using three-photon phosphorescence lifetime microscopy (3PLM) and a phosphorescent probe Oxyphor 2P.

Abstract Laser Speckle Contrast Imaging (LSCI) is a powerful tool for non-invasive, real-time imaging of blood flow in tissue. However, the effect of tissue geometry on the form of the electric field autocorrelation function and speckle contrast values is yet to be investigated. In this paper, we present an ultrafast forward model for simulating a speckle contrast image with the ability to rapidly update the image for a desired illumination pattern and flow perturbation. We demonstrate the first simulated speckle contrast image and compare it against experimental results. We simulate three mouse-specific cerebral cortex decorrelation time images and implement three different schemes for analyzing the effects of homogenization of vascular structure on correlation decay times. Our results indicate that dissolving structure and assuming homogeneous geometry creates up to ∼ 10x shift in the correlation function decay times and alters its form compared with the case for which the exact geometry is simulated. These effects are more pronounced for point illumination and detection imaging schemes. Further analysis indicates that correlated multiple scattering events, on average, account for 50% of all dynamic scattering events for a detector over a vessel region and 31% that of a detector over parenchyma region, highlighting the significance of accurate modeling of the three-dimensional vascular geometry for accurate blood flow estimates.