Przedstawiono protokoły syntezy mikrosfer z polimerów, manipulacji mikrosferami i pomiarów mikrofotoluminescencji.
Artykuł metodologiczny
Przedstawiono protokoły syntezy mikrosfer z polimerów, manipulacji mikrosferami i pomiarów mikrofotoluminescencji.
Ten artykuł opisuje trzy metody przygotowania mikrosfer fluorescencyjnych składających się z π sprzężonych lub niesprzężonych polimerów: dyfuzja pary, wytrącanie granicy faz i mini-emulsja. We wszystkich metodach dobrze zdefiniowane kule o rozmiarach mikrometrowych uzyskuje się z procesu samomontażu w roztworze. Metoda dyfuzji parowej może prowadzić do uzyskania kul o najwyższej kulistości i gładkości powierzchni, jednak rodzaje polimerów zdolnych do tworzenia tych kulek są ograniczone. Z kolei w metodzie miniemulsji mikrosfery mogą być wytwarzane z różnego rodzaju polimerów, nawet z polimerów wysoce krystalicznych o współpłaszczyznowym, π sprzężonym szkielecie. Właściwości fotoluminescencyjne (PL) pojedynczych izolowanych mikrosfer są niezwykłe: PL jest zamknięta wewnątrz kulek, rozchodzi się na obwodzie kulek poprzez całkowite wewnętrzne odbicie na granicy faz polimer/powietrze i sama interferuje, pokazując ostre i okresowe linie rezonansowe PL. Te tryby rezonansowe są tak zwanymi "trybami galerii szeptanej" (WGM). W pracy pokazano, w jaki sposób można mierzyć WGM PL z pojedynczych izolowanych kul z wykorzystaniem techniki mikrofotoluminescencji (μ-PL). W tej technice skupiona wiązka laserowa naświetla pojedynczą mikrosferę, a luminescencja jest wykrywana przez spektrometr. Następnie stosuje się technikę mikromanipulacji do łączenia mikrosfer jedna po drugiej i demonstrowania propagacji PL między sferami i konwersji koloru ze sprzężonych mikrosfer po wzbudzeniu na obwodzie jednej sfery i wykryciu PL z drugiej mikrosfery. Techniki te, μ-PL i mikromanipulacja, są przydatne w eksperymentach nad zastosowaniem mikrooptyki z wykorzystaniem materiałów polimerowych.
Nano/mikrocząsteczki polimerowe są szeroko stosowane do różnych zastosowań, w tym jako nośnik katalizatora, wypełniacze chromatografii kolumnowej, środki dostarczające leki, sondy fluorescencyjne do śledzenia komórek, media optyczne i tak dalej1,2,3,4,5,6,7,8,9. W szczególności polimery sprzężone π mają naturalne właściwości luminescencyjne i przewodzące ładunek, które są korzystne dla zastosowań optycznych, elektronicznych i optoelektronicznych wykorzystujących kule polimerowe10,11,12,13,14, zwłaszcza zastosowania laserowe wykorzystujące miękkie materiały organiczne15,16,17. Na przykład trójwymiarowa integracja kul o średnicy kilkuset nanometrów tworzy kryształy koloidalne, które pokazują fotoniczne przerwy energetyczne przy określonej długości fali18,19. Gdy światło jest zamknięte w periodycznej strukturze międzysferycznej, działanie laserowe pojawia się w środku pasma zaporowego. Z drugiej strony, gdy rozmiar kul wzrasta do skali kilku mikrometrów, światło jest zatrzymywane wewnątrz pojedynczej mikrosfery poprzez całkowite wewnętrzne odbicie na granicy faz polimer/powietrze20. Rozchodzenie się fali świetlnej na maksymalnym obwodzie powoduje zakłócenia, prowadzące do pojawienia się trybu rezonansowego z ostrymi i okresowymi liniami emisyjnymi. Te tryby optyczne są tak zwanymi "trybami galerii szeptanej" (WGM). Termin "galeria szepcząca" wywodzi się z katedry św. Pawła w Londynie, gdzie fale dźwiękowe rozchodzą się po obwodzie ściany, pozwalając na usłyszenie szeptów przez osobę znajdującą się po drugiej stronie galerii. Ponieważ długość fali światła mieści się w skali submikrometrowej, która jest znacznie mniejsza niż fale dźwiękowe, tak duża kopuła nie jest konieczna dla WGM światła: maleńkie, dobrze zdefiniowane naczynia w skali mikrometra, takie jak mikrosfery, mikrodyski i mikrokryształy, spełniają warunki WGM.
Równanie 1 jest prostą formą warunku rezonansowego WGM21:
nπd = lλ (1)
gdzie n to współczynnik załamania światła rezonatora, d to średnica, l to liczba całkowita, a λ to długość fali światła. Lewa część (1) to długość drogi optycznej przez propagację jednego okręgu. Gdy ścieżka optyczna pokrywa się z całkowitą wielokrotnością długości fali, występuje rezonans, podczas gdy przy drugiej długości fali fala świetlna zmniejsza się po zaokrągleniu.
Ten artykuł przedstawia kilka eksperymentalnych metod przygotowania mikrosfer dla rezonatorów WGM z sprzężonych polimerów w roztworze: dyfuzja pary22,23,24,25,26,27,28,29,30, mini-emulsion31, oraz wytrącanie interfejsu32. Każda metoda ma unikalne cechy; Na przykład metoda dyfuzji parowej pozwala na uzyskanie dobrze zdefiniowanych mikrosfer o bardzo wysokiej sferyczności i gładkich powierzchniach, ale tylko polimery o niskiej krystaliczności mogą tworzyć te mikrosfery. Z drugiej strony, w przypadku metody mini-emulsji, różne rodzaje sprzężonych polimerów, w tym polimery wysokokrystaliczne, mogą tworzyć kule, ale morfologia powierzchni jest gorsza niż uzyskana metodą dyfuzji parowej. Metoda wytrącania granicy faz jest preferowana do tworzenia mikrosfer z niesprzężonych polimerów domieszkowanych barwnikiem. We wszystkich przypadkach wybór rozpuszczalnika i nierozpuszczalnika odgrywa ważną rolę w tworzeniu morfologii sferycznej.
W drugiej połowie tego artykułu przedstawione są techniki μ-PL i mikromanipulacji. W technice μ-PL mikrosfery są rozpraszane na podłożu, a skupiona wiązka laserowa, przez soczewkę mikroskopu, jest używana do naświetlania pojedynczej izolowanej mikrosfery24. Wygenerowany PL z kuli jest wykrywany przez spektrometr przez soczewkę mikroskopu. Przesunięcie stolika próbki może zmienić położenie punktu wzbudzenia. Punkt detekcji jest również zmienny poprzez przechylenie optyki kolimatora wiązki lasera wzbudzającego względem osi optycznej ścieżki detekcji28,32. Do zbadania propagacji światła międzysferowego i konwersji długości fali można użyć techniki mikromanipulacji32. Aby połączyć kilka mikrosfer o różnych właściwościach optycznych, możliwe jest podniesienie jednej kuli za pomocą mikroigły i umieszczenie jej na innej kuli. W połączeniu z technikami mikromanipulacji i metodą μ-PL można przeprowadzać różne pomiary optyczne za pomocą sprzężonych kulek polimerowych, które są przygotowywane prostą metodą samoorganizacji. Ten artykuł wideo będzie przydatny dla czytelników, którzy chcą używać miękkich materiałów polimerowych do zastosowań optycznych.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Protokoły wytwarzania mikrosfer polimerowych
2. Pomiar mikrofotoluminescencji (μ-PL)
3. Technika mikromanipulacji
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Rysunek 1 przedstawia schematyczne przedstawienia metody dyfuzji parowej (a), metody mini-emulsji (b) i metody wytrącania granicy faz (c). W przypadku metody dyfuzji parowej (Rysunek 1a), fiolkę o pojemności 5 ml zawierającą roztwór polimerówCHCl 3 (0,5 mg mL-1, 2 ml) umieszczono w fiolce o pojemności 50 ml zawierającej 5 ml substancji niebędącej rozpuszczalnikiem, takiej jak MeOH. Zewnętrzna fiolka została zakryta, a...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wybór dobrego rozpuszczalnika i bezrozpuszczalnika jest bardzo ważny dla samoorganizacji dobrze zdefiniowanych mikrosfer. Jeśli rozpuszczalność polimeru jest zbyt wysoka, wytrącanie się nie nastąpi. Ogólnie rzecz biorąc, polimery sprzężone z π są hydrofobowe, dlatego w metodzie dyfuzji parowej często stosuje się polarne nierozpuszczalniki, takie jak MeOH, acetonitryl i aceton, aby zminimalizować energię powierzchniową wymaganą do utworzenia kulistego kształtu. Metoda wytrącania granicy faz jest często stosowana do wytwar...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy deklarują brak sprzecznych interesów finansowych.
Ta praca była częściowo wspierana przez KAKENHI (25708020, 15K13812, 15H00860, 15H00986, 16H02081) z JSPS/MEXT Japan, Asahi Glass Foundation i University of Tsukuba Inicjatywa przedstrategiczna "Zespół światła z materią i życiem."
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| polistyren | Aldrich | 132427-25G | |
| dodecylosiarczan sodu | Kanto Kagaku | 372035-31 | |
| tetrahydrofuran | Wako | 206-08744 | |
| chloroform | Wako | 038-18495 | |
| metanol | Wako | 139-13995 | |
| Poli(9,9-di-n-oktylofluorenylo-2,7-diyl) | Aldrich | 571652-500MG | |
| Poli[2-metoksy-5-(3′,7′-dimetyloctyloksy)-1,4-fenylenwinylen] (MDMOPPV) | Aldrich | 546461-1G | |
| poli[(9,9-dioktylofluoren-2,7-diylo)-alt-(5-oktylotieno[3,4-c]pirol-4,6-dion-1,3-diyl)] (P1) | syntetyzowany-odniesienie | 28 | |
| poli[(N-(2-heptylundecyl)karbazol-2,7-diyl)-alt-(4,8-bis[(dodecylo)karbonylo]benzo[1,2-b:4,5-b′]ditiofen-2,6-diyl)] (P2) | syntetyzowany | referencyjny 28 | |
| barwnik fluorescencyjny (bor, dipiryna; BODIPY) | syntetyzowany-referencyjny | 32 | |
| Mikroskop optyczny | Nicon | Eclipse LV-N | |
| laser_405 nm | Hutech | DH405-10-5 | |
| Spektrometr | Lambda Vision | LV-MC3/T | |
| Homogenizator | Microtech Nichion | Physcotron NS-360D | |
| mikromanipulacja Szybkie | wsparcie Quick Pro QP-3RH |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie