Name: Wytwarzanie mikrosfer polimerowych do zastosowań w rezonatorach optycznych i laserach (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-06-02T15:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 6 s
Description: Poznaj metodę dyfuzji parowej do syntezy mikrosfer polimerowych dla rezonatorów optycznych i laserów. Technika ta umożliwia wytwarzanie mikrorezonatorów o właściwościach optycznych i elektrycznych z niskim zużyciem energii.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

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."

1. Protokoły wytwarzania mikrosfer polimerowych
<ol>
	<li>Metoda dyfuzji pary
	<ol>
		Rozpuścić 2 mg sprzężonych polimerów, takich jak P1 (poli[(9,9-dioktylofluoren-2,7-diyl)-alt-(5-oktylotieno[3,4-c]pirol-4,6-dion-1,3-diyl)])28 i P2 (poli[(N-(2-heptylundecyl)karbazol-2,7-diyl)-alt-(4,8-bis[(dodecyl)karbonylo]benzo[1,2-b:4,5-b′]ditiofen-2,6-diyl)])28, w 2 ml chloroformu (dobry rozpuszczalnik) w 5-mililitrowej fiolce.<li></li>
		<li>Umieścić 5 ml metanolu (ubogi rozpuszczalnik) w fiolce o pojemności 50 ml.</li>
		<li>Umieścić 5 ml fiolkę zawierającą roztwór chloroformu polimeru do 50 ml fiolki zawierającej metanol.</li>
		<li>Zakryć fiolkę o pojemności 50 ml i przechowywać ją przez 3 dni w temperaturze 25 °C, aby umożliwić wytrącenie się mikrosfer polimerowych.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Metoda mini-emulsji
	<ol>
		<li>Rozpuścić 5 mg sprzężonych polimerów, takich jak poli[9,9-di-n-oktylofluorenylo-2,7-diyl] (PFO) i poli[2-metoksy-5-(3',7'-dimetylocyloksy)-1,4-fenylenwinylen] (MDMOPPV), w 1 ml chloroformu.</li>
		<li>Rozpuść 30 mg (~50 mM) dodecylosiarczanu sodu (SDS) w 2 ml wody dejonizowanej.</li>
		<li>Dodać 100 μl roztworu chloroformu polimeru do 2 ml wody zawierającej SDS.</li>
		<li>Mieszaninę chloroformu i wody energicznie mieszać za pomocą ultraszybkiego homogenizatora przy 30 000 obr./min przez 2 minuty, aby zemulgować roztwór.</li>
		<li>Przechowywać przez 1 dzień bez zakręcania fiolki w celu odparowania chloroformu.</li>
		<li>Odwirować dyspersję w probówce mikrowirówkowej o pojemności 1,5 ml przez 5 minut przy 2 200 x g. Usunąć sklarowany nad osadem roztwór wodny zawierający SDS.</li>
		<li>Dodaj 2 ml wody dejonizowanej i energicznie wstrząśnij.</li>
		<li>Powtórz kroki 1.2.6 i 1.2.7 trzy razy, aby wypłukać resztki SDS.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Metoda wytrącania granicy faz</li>
	<li>Rozpuścić 200 μg polistyrenu (PS) i 10 μg barwnika fluorescencyjnego (bor, dipirowina, BODIPY) w 0,2 ml tetrahydrofuranu (THF).</li>
	<li>Delikatnie wlej roztwór THF na 1 ml warstwy wody.</li>
	<li>Przechowywać dwuwarstwowy oddzielony THF/wodę przez 6 godzin bez zakręcania fiolki, aby umożliwić wytrącenie się mikrosfer polimerowych.</li>
</ol>
2. Pomiar mikrofotoluminescencji (μ-PL)
<ol>
	<li>Przygotowanie próbki
	<ol>
		<li>Rozcieńczyć zawiesinę mikrosfer przygotowaną w sekcji 1 w roztworze niezawierającym rozpuszczalnika (tj. w metanolu lub wodzie dejonizowanej).</li>
		<li>Odlać spinowo jedną kroplę (20-30 μl) rozcieńczonej zawiesiny mikrosfer na podłoże kwarcowe za pomocą powlekarki spinowej (zwykle 2,000 obr./min przez 50 s).</li>
		<li>Powstałą odlewaną folię należy wysuszyć na powietrzu, aż rozpuszczalniki całkowicie odparują (~5 min).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Konfiguracja eksperymentalna
	<ol>
		<li>Umieść podłoże kwarcowe (15 x 15 x 0,5 mm3) na stoliku na próbkę mikroskopu optycznego.</li>
		<li>Znajdź dobrze zdefiniowane mikrosfery, które są odizolowane od innych sfer i odpowiednie do pomiaru μ-PL.</li>
		<li>Wybierz laser (np. długość fali, fala ciągła lub impuls, czas napromieniowania, całkowanie itp.).</li>
		<li>Wybierz powiększenie obiektywu.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Pomiary
	<ol>
		<li>Użyj skupionej wiązki laserowej, aby napromieniować mikrosferę. Użyj następującego stanu lasera: laser cw lub impulsowy o długości fali wzbudzenia (λex) 405 nm (cw), 450 nm (cw), 355 nm (laser impulsowy; częstotliwość, 1 kHz; czas trwania impulsu, 7 ns) i 470 nm (laser impulsowy; częstotliwość, 2,5 MHz; czas trwania impulsu, 70 ps).</li>
		<li>Zarejestruj widmo PL w wzbudzonym miejscu za pomocą spektrometru z siatką 300 lub 1,200 rowków mm-1.</li>
		<li>Zrób zdjęcie fluorescencyjne.</li>
		<li>Zmień miejsce wzbudzenia, przesuwając stolik na próbkę.</li>
		<li>Zmień miejsce detekcji, przechylając kolimator (jeśli to konieczne).</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. Technika mikromanipulacji
<ol>
	<li>Manipulacja mikrosferami
	<ol>
		<li>Ustaw podłoże kwarcowe, na którym unieruchomione są mikrosfery, na stoliku próbki mikroskopu optycznego.</li>
		<li>Znajdź dobrze zdefiniowaną mikrosferę odpowiednią do pomiaru μ-PL.</li>
		<li>Umieść plastikową mikroigłę na aparacie do mikromanipulacji.</li>
		<li>Przesuń mikroigłę za pomocą joysticka sterowanego komputerowo, aby podnieść mikrosferę.</li>
		<li>Przesuń mikrosferę i połącz ją z inną mikrosferą.</li>
		<li>Zmierz μ-PL od podłączonej mikrosfery.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Ford, W. T., Chandran, R., Turk, H. <a target="_blank" href="https://www.iupac.org/publications/pac/60/3/0395/index.html">Catalysts Supported on Polymer Colloids.</a> Pure Appl. Chem. 60 (3), 395-400 (1988).</li>
<li>Chen, C. -W., Chen, M. -Q., Serizawa, T., Akashi, M. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/1998/CC/A800203G#!divAbstract">In Situ Synthesis And the Catalytic Properties of Platinum Colloids on Polystyrene Microspheres with Surface-Grafted Poly(N-isopropylacrylamide).</a> Chem. Commun. , 831-832 (1998).</li>
<li>Suzuki, K., Yumura, T., Mizuguchi, M., Tanaka, Y., Chen, C. -W., Akashi, M. <a target="_blank" href="http://jglobal.jst.go.jp/en/public/20090422/200902160713409722">Poly(N-isopropylacrylamide)-Grafted Silica as a Support of Platinum Colloids: Preparation Method, Characterization, and Catalytic Properties in Hydrogenation.</a> J. Appl. Polym. Sci. 77, 2678-2684 (2000).</li>
<li>Zhang, S., Chen, L., Zhou, S., Zhao, D., Wu, L. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/cm1002274">Facile Synthesis of Hierarchically Ordered Porous Carbon via in Situ Self-Assembly of Colloidal Polymer and Silica Spheres and Its Use as a Catalyst Support.</a> Chem. Mater. 22, 3433-3440 (2010).</li>
<li>Kataoka, K., Harada, A., Nagasaki, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Block+Copolymer+Micelles+for+Drug+Delivery%3A+Design+Characterization+And+Biological+Significance%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Drug+Deliv.+Rev%22%5BJournal%5D)">Block Copolymer Micelles for Drug Delivery: Design Characterization And Biological Significance.</a> Adv. Drug Deliv. Rev. 47, 113-131 (2001).</li>
<li>Otsuka, H., Nagasaki, Y., Kataoka, K. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((EGylated+Nanoparticles+for+Biological+And+Pharmaceutical+Applications%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Drug+Deliv.+Rev%22%5BJournal%5D)">EGylated Nanoparticles for Biological And Pharmaceutical Applications.</a> Adv. Drug Deliv. Rev. 55, 403-419 (2003).</li>
<li>Nishiyama, N., Kataoka, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Current+State%2C+Achievements%2C+And+Future+Prospects+of+Polymeric+Micelles+as+Nanocarriers+for+Drug+and+Gene+Delivery%5BTitle%5D)+AND+%22Pharmacol.+Ther%22%5BJournal%5D)">Current State, Achievements, And Future Prospects of Polymeric Micelles as Nanocarriers for Drug and Gene Delivery.</a> Pharmacol. Ther. 112, 630-648 (2006).</li>
<li>Velev, O. D., Kaler, E. W. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/la981729c">In Situ Assembly of Colloidal Particles into Miniaturized Biosensors.</a> Langmuir. 15 (11), 3693-3698 (1999).</li>
<li>Techawanitchai, P., Yamamoto, K., Ebara, M., Aoyagi, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface+Design+with+Self-Heating+Smart+Polymers+for+On-Off+Switchable+Traps%5BTitle%5D)+AND+%22Sci.+Technol.+Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Surface Design with Self-Heating Smart Polymers for On-Off Switchable Traps.</a> Sci. Technol. Adv. Mater. 12, 044609(2011).</li>
<li>Lange, U., Roznyatovskaya, N. V., Mirsky, V. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Conducting+Polymers+in+Chemical+Sensors+And+Arrays%5BTitle%5D)+AND+%22Anal.+Chim.+Acta%22%5BJournal%5D)">Conducting Polymers in Chemical Sensors And Arrays.</a> Anal. Chim. Acta. 614, 1-26 (2008).</li>
<li>Rajesh, T., Kumar, D. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/257938771_Recent_progress_in_the_development_of_nano-structured_conducting_polymersnanocomposites_for_sensor_applications">Recent Progress in the Development of Nano-Structured Conducting Polymers/Nanocomposites for Sensor Applications.</a> Sens. Actuators B. 136, 275-286 (2009).</li>
<li>Wu, C., Szymanski, C., Cain, Z., McNeill, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Conjugated+Polymer+Dots+for+Multiphoton+Fluorescence+Imaging%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Conjugated Polymer Dots for Multiphoton Fluorescence Imaging.</a> J. Am. Chem. Soc. 129, 12904-12905 (2007).</li>
<li>Feng, L., Zhu, C., Yuan, H., Liu, L., Lv, F., Wang, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Conjugated+Polymer+Nanoparticles%3A+Preparation%2C+Properties%2C+Functionalization+And+Biological+Applications%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Soc.+Rev%22%5BJournal%5D)">Conjugated Polymer Nanoparticles: Preparation, Properties, Functionalization And Biological Applications.</a> Chem. Soc. Rev. 42, 6620-6634 (2013).</li>
<li>Pecher, J., Mecking, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanoparticles+of+Conjugated+Polymers%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Rev%22%5BJournal%5D)">Nanoparticles of Conjugated Polymers.</a> Chem. Rev. 110, 6260-6279 (2010).</li>
<li>McGehee, M. D., Heeger, A. J. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/1521-4095(200011)12:22%3C1655::AID-ADMA1655%3E3.0.CO;2-2/abstract">Semiconducting (Conjugated) Polymers as Materials for Solid-State Lasers.</a> Adv. Mater. 12, 1655-1668 (2000).</li>
<li>Samuel, I. D. W., Turnbull, G. A. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17385928">Organic Semiconductor Lasers.</a> Chem. Rev. 107, 1272-1295 (2007).</li>
<li>Kuehne, A. J. C., Gather, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Organic+Lasers%3A+Recent+Developments+on+Materials%2C+Device+Geometries%2C+and+Fabrication+Techniques%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Rev%22%5BJournal%5D)">Organic Lasers: Recent Developments on Materials, Device Geometries, and Fabrication Techniques.</a> Chem. Rev. 116, 12823-12864 (2016).</li>
<li>Furumi, S., Kanai, T., Sawada, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Widely+Tunable+Lasing+in+a+Colloidal+Crystal+Gel+Film+Permanently+Stabilized+by+an+Ionic+Liquid%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Widely Tunable Lasing in a Colloidal Crystal Gel Film Permanently Stabilized by an Ionic Liquid.</a> Adv. Mater. 23, 3815-3820 (2011).</li>
<li>Mikosch, A., Ciftci, S., Kuehne, A. J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Colloidal+Crystal+Lasers+from+Monodisperse+Conjugated+Polymer+Particles+via+Bottom-Up+Coassembly+in+a+Sol-Gel+Matrix%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Colloidal Crystal Lasers from Monodisperse Conjugated Polymer Particles via Bottom-Up Coassembly in a Sol-Gel Matrix.</a> ACS Nano. 10, 10195-10201 (2016).</li>
<li>Oraevsky, A. N. Whispering-Gallery Waves. Quant Electron. 32 (5), 377-400 (2002).</li>
<li>Yamamoto, Y. <a target="_blank" href="http://www.nature.com/pj/journal/v48/n11/full/pj201681a.html">Spherical Resonators from π-Conjugated Polymers.</a> Polym. J. 48, 1045-1050 (2016).</li>
<li>Adachi, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spherical+Assemblies+from+%CF%80+-Conjugated+Alternating+Copolymers%3A+Toward+Optoelectronic+Colloidal+Crystals%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Spherical Assemblies from π -Conjugated Alternating Copolymers: Toward Optoelectronic Colloidal Crystals.</a> J. Am. Chem. Soc. 135, 870-876 (2013).</li>
<li>Tong, L., et al. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/py/c4py00023d#!divAbstract">Tetramethylbithiophene in π-Conjugated Alternating Copolymers as an Effective Structural Component for the Formation of Spherical Assemblies.</a> Polym. Chem. 5, 3583-3587 (2014).</li>
<li>Tabata, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Self-Assembled+Conjugated+Polymer+Spheres+as+Fluorescent+Microresonators%5BTitle%5D)+AND+%22Sci.+Rep%22%5BJournal%5D)">Self-Assembled Conjugated Polymer Spheres as Fluorescent Microresonators.</a> Sci. Rep. 4, 5902(2014).</li>
<li>Kushida, S., et al. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.macromol.5b00707">Whispering Gallery Resonance from Self-Assembled Microspheres of Highly Fluorescent Isolated Conjugated Polymers.</a> Macromolecules. 48, 3928-3933 (2015).</li>
<li>Kushida, S., Braam, D., Lorke, A., Yamamoto, Y. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.4938854">Whispering Gallery Mode Photoemission From Self-Assembled Poly-Paraphenylenevinylene Microspheres.</a> AIP Conf. Proc. ICCMSE. 1702, 090046(2015).</li>
<li>Braam, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optically+Induced+Mode+Splitting+in+Self-Assembled%2C+High+Quality-Factor+Conjugated+Polymer+Microcavities%5BTitle%5D)+AND+%22Sci.+Rep%22%5BJournal%5D)">Optically Induced Mode Splitting in Self-Assembled, High Quality-Factor Conjugated Polymer Microcavities.</a> Sci. Rep. 6, 19635(2016).</li>
<li>Kushida, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Conjugated+Polymer+Blend+Microspheres+for+Efficient+Long-Range+Light+Energy+Transfer%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Conjugated Polymer Blend Microspheres for Efficient Long-Range Light Energy Transfer.</a> ACS Nano. 10, 5543-5549 (2016).</li>
<li>Kushida, S., et al. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2016/RA/c6ra10662e#!divAbstract">Self-Assembled Polycarbazole Microspheres as Single-Component, White-Colour Resonant Photoemitters.</a> RSC Adv. 6, 52854-52857 (2016).</li>
<li>Aikyo, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.journal.csj.jp/doi/abs/10.1246/cl.160504">Enwrapping Conjugated Polymer Microspheres with Graphene Oxide Nanosheets.</a> Chem. Lett. 45, 1024-1026 (2016).</li>
<li>Landfester, K., et al. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/1521-4095(20020503)14:9%3C651::AID-ADMA651%3E3.0.CO;2-V/abstract">Semiconducting Polymer Nanospheres in Aqueous Dispersion Prepared by a Miniemulsion Process.</a> Adv. Mater. 14, 651-655 (2002).</li>
<li>Okada, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Color-Tunable+Resonant+Photoluminescence+and+Cavity-Mediated+Multistep+Energy+Transfer+Cascade%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Color-Tunable Resonant Photoluminescence and Cavity-Mediated Multistep Energy Transfer Cascade.</a> ACS Nano. 10, 7058-7063 (2016).</li>
<li>Pecher, J., Mecking, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanoparticles+of+Conjugated+Polymers%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Rev%22%5BJournal%5D)">Nanoparticles of Conjugated Polymers.</a> Chem. Rev. 110, 6260-6279 (2010).</li>
<li>Gather, M. C., Yun, S. H. <a target="_blank" href="http://www.nature.com/nphoton/journal/v5/n7/full/nphoton.2011.99.html">Single-Cell Biological Lasers.</a> Nat. Photon. 5, 406-410 (2011).</li>
<li>Schubert, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Lasing+within+Live+Cells+Containing+Intracelluler+Optical+Microresonators+for+Barcode-Type+Cell+Tagging+and+Tracking%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Lasing within Live Cells Containing Intracelluler Optical Microresonators for Barcode-Type Cell Tagging and Tracking.</a> Nano Lett. 15, 5647-5652 (2015).</li>
</ol>

Autorzy deklarują brak sprzecznych interesów finansowych.

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...

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.

<table><tbody><tr><td>polistyren</td><td>Aldrich</td><td>132427-25G</td><td></td></tr><tr><td>dodecylosiarczan sodu</td><td>Kanto Kagaku</td><td>372035-31</td><td></td></tr><tr><td>tetrahydrofuran</td><td>Wako</td><td>206-08744</td><td></td></tr><tr><td>chloroform</td><td>Wako</td><td>038-18495</td><td></td></tr><tr><td>metanol</td><td>Wako</td><td>139-13995</td><td></td></tr><tr><td>Poli(9,9-di-n-oktylofluorenylo-2,7-diyl)</td><td>Aldrich</td><td>571652-500MG</td><td></td></tr><tr><td>Poli[2-metoksy-5-(3&prime;,7&prime;-dimetyloctyloksy)-1,4-fenylenwinylen] (MDMOPPV)</td><td>Aldrich</td><td>546461-1G</td><td></td></tr><tr><td>poli[(9,9-dioktylofluoren-2,7-diylo)-alt-(5-oktylotieno[3,4-c]pirol-4,6-dion-1,3-diyl)] (P1)</td><td>syntetyzowany-odniesienie</td><td></td> <td>28</td></tr><tr><td>poli[(N-(2-heptylundecyl)karbazol-2,7-diyl)-alt-(4,8-bis[(dodecylo)karbonylo]benzo[1,2-b:4,5-b&prime;]ditiofen-2,6-diyl)] (P2)</td><td>syntetyzowany</td><td></td> <td>referencyjny 28</td></tr><tr><td>barwnik fluorescencyjny (bor, dipiryna; BODIPY)</td><td>syntetyzowany-referencyjny</td><td></td> <td>32</td></tr><tr><td>Mikroskop optyczny</td><td>Nicon</td><td>Eclipse LV-N</td><td></td></tr><tr><td>laser_405 nm</td><td>Hutech</td><td>DH405-10-5</td><td></td></tr><tr><td>Spektrometr</td><td>Lambda Vision</td><td>LV-MC3/T</td><td></td></tr><tr><td>Homogenizator</td><td>Microtech Nichion</td><td>Physcotron NS-360D</td><td></td></tr><tr><td></td><td>mikromanipulacja Szybkie</td><td>wsparcie Quick Pro QP-3RH</td><td></td></tr></tbody></table>

wytwarzanie mikrosfer polimerowych do zastosowań w rezonatorach optycznych i laserach

Fabrication of Polymer Microspheres for Optical Resonator and Laser Applications

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.

Rycina 1 przedstawia schematyczne przedstawienia metody dyfuzji par (a), metody miniemulsji (b) oraz metody precypitacji interfejsowej (c). W przypadku metody dyfuzji par (Rycina 1a), fiolka o pojemności 5 ml zawierająca CHCl3 roztwór polimerów (0,5 mg mL⁻¹)-1, 2 ml) umieszczono w fiolce o pojemności 50 ml zawierającej 5 ml nie-rozpuszczalnika, takiego jak MeOH. Zewnętrzną fiolkę zamknięto i pozostawiono na ...

Przedstawiono protokoły syntezy mikrosfer z polimerów, manipulacji mikrosferami i pomiarów mikrofotoluminescencji.

Wytwarzanie mikrosfer polimerowych do zastosowań w rezonatorach optycznych i laserach

This paper describes three methods of preparing fluorescent microspheres comprising &#960;-conjugated or non-conjugated polymers: vapor diffusion, ...

Ogólnym celem niniejszej procedury jest wytwarzanie optycznych mikrorezonatorów do urządzeń laserowych, obwodów optycznych oraz chemicznych i biologicznych czujników optycznych. Metoda ta może pomóc w uzyskaniu odpowiedzi na kluczowe pytania z zakresu funkcjonalnych materiałów polimerowych, takich jak optyka polimerowa, optoelektronika i elektronika. Główną zaletą tej prostej i energooszczędnej techniki jest wykorzystanie polimerów funkcjonalnych do wytwarzania rezonatorów optycznych, które posiadają zarówno właściwości optyczne, jak i elektryczne.Procedurę zademonstrują pan Okada, pan Zakarias i pan Oki, doktoranci z mojego laboratorium. Aby rozpocząć metodę dyfuzji par w tej procedurze, należy dodać 5 ml metanolu do fiolki o pojemności 50 ml. Następnie rozpuścić 2 mg polimerów sprzężonych w 2 ml chloroformu w fiolce o pojemności 5 ml.Ostrożnie umieść fiolkę o pojemności 5 ml wewnątrz fiolki o pojemności 50 ml. Następnie zakręć fiolkę o pojemności 50 ml. Inkubuj w temperaturze 25 °C przez trzy dni, aby wytrącić mikrosfery polimerowe.Aby rozpocząć metodę miniemulsji, rozpuść 5 mg polimerów sprzężonych w 1 ml chloroformu. Następnie rozpuść 30 mg SDS w 2 ml wody dejonizowanej. Dodaj 100 µL mieszaniny polimerowej do roztworu SDS.Za pomocą homogenizatora ultraszybkoobrotowego mieszaj przez dwie minuty przy 30 000 RPM. Pozostaw emulsję na jeden dzień bez zakrętki, aby odparować chloroform. Następnego dnia odwiruj dyspersję w probówce do wirowania o pojemności 1,5 ml przez pięć minut przy 2 200 ×g.Po usunięciu supernatantu należy dodać jeden mililitr wody dejonizowanej i energicznie wstrząsnąć. Procedurę wirowania, usuwania supernatantu i przemywania wodą należy powtórzyć trzykrotnie, aby całkowicie usunąć pozostałości SDS. Aby rozpocząć metodę wytrącania na granicy faz, należy rozpuścić 20 miligramów polistyrenu i jeden miligram barwnika fluorescencyjnego w 20 mililitrach tetrahydrofuranu.Do pustej mikroprobówki o pojemności 1,5 ml dodać 1 ml wody dejonizowanej. Następnie ostrożnie wlać 0,2 ml roztworu THF na warstwę wody, dbając o to, aby warstwy nie wymieszały się ze sobą. Pozostawić probówkę bez zakrętki na sześć godzin w celu wytrącenia mikrosfer polimerowych.W pierwszej kolejności należy rozcieńczyć zawiesinę przygotowanych mikrosfer 10-krotnie za pomocą słabego rozpuszczalnika, takiego jak metanol lub woda dejonizowana. Przy użyciu spin coatera należy nanieść jedną kroplę rozcieńczonej zawiesiny na podłoże kwarcowe w procesie spin castingu. Powstały film należy suszyć na powietrzu do całkowitego odparowania rozpuszczalników.Następnie przenieś podłoże kwarcowe na stolik mikroskopu optycznego. Wybierz odizolowaną i wyraźnie zdefiniowaną mikrosferę do pomiaru mikro-fotoluminescencji. Ustaw parametry lasera zgodnie z opisem w protokole tekstowym i wykorzystaj skupioną wiązkę laserową do naświetlania mikrosfery.Używając spektrometru, zarejestruj widmo fotoluminescencji. Następnie wykonaj obraz fluorescencyjny napromieniowanej mikrosfery. Aby rozpocząć, umieść podłoże kwarcowe na stole przedmiotowym mikroskopu optycznego.Zidentyfikuj pojedynczą, dobrze zdefiniowaną mikrosferę. Następnie zamocuj wolframową mikrootwornicę w urządzeniu do mikromanipulacji. Za pomocą panelu sterowania przesuń mikrootwornicę i pobierz mikrosferę.Połącz zebraną mikrosferę z inną pojedynczą, dobrze zdefiniowaną mikrosferą. Następnie naświetl mikrosferę skupioną wiązką lasera. Użyj spektrometru, aby zarejestrować widmo fotoluminescencji.Następnie wykonaj obraz fluorescencyjny napromieniowanych mikrosfer. W niniejszym badaniu dobrze zdefiniowane mikrosfery polimerowe są wytwarzane przy użyciu trzech różnych metod: metody dyfuzji par, metody miniemulsji oraz metody precypitacji na granicy faz.Skaningowa mikroskopia elektronowa wykazuje, że metody dyfuzji par oraz precypitacji międzyfazowej pozwalają na otrzymanie mikrosfer o bardzo gładkiej morfologii powierzchni. Jednak mikrosfery otrzymane metodą miniemulsji są chropowate, ponieważ surfaktant pokrywa całą ich powierzchnię. Następnie rejestrowano fotoluminescencję w trybie szeptanej galerii dla pojedynczych mikrosfer polimeru jednego, polimeru drugiego oraz ich mieszaniny.Stwierdzono, że dobroć Q dla polimeru jednego osiągnęła wartość 2 200. Mikrosfery zbudowane z polimeru drugiego osiągnęły jednak wartość maksymalnie 300, co prawdopodobnie wynika z ich chropowatej morfologii powierzchni. Mikrosfery zbudowane z mieszanki polimerów zachowały wysoką dobroć Q na poziomie 1 500, co wynika prawdopodobnie z ich gładkiej morfologii.Polimorficzne mikrosfery polistyrenowe domieszkowane barwnikiem polaronowym o fotoluminescencyjnych kolorach zielonym, żółtym, pomarańczowym i czerwonym połączono w tetrasfery, aby zbadać kaskadę przeniesienia energii między sferami. Wykazano, że transfer energii świetlnej z zielonego na żółty oraz z żółtego na pomarańczowy jest wydajny, natomiast przeniesienie energii z pomarańczowego na czerwony nie wystąpiło z powodu niewielkiego nakładania się pasma fotoluminescencji donora energii i pasma absorpcji akceptora energii. W związku z tym transfery energii w górę, takie jak z czerwonego na pomarańczowy, żółty i zielony, niemal nie występują.Podczas wykonywania tej procedury należy pamiętać, aby unikać wstrząsania fiolkami, co może spowodować gwałtowne wytrącenie prowadzące do powstania niejednorodnych agregatów. Po przeprowadzeniu tej procedury można zastosować inne metody, takie jak polimeryzacja emulsyjna i polimeryzacja dyspersyjna, aby odpowiedzieć na dodatkowe pytania, na przykład dotyczące sposobu przygotowania monodyspersyjnych sfer polimerowych do zastosowań w koloidalnych kryształach fotonicznych. Po opracowaniu technika ta utorowała drogę badaczom z dziedziny nauki o polimerach do badania zastosowań optycznych i laserowych z wykorzystaniem polimerów funkcjonalnych.Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo posiadać gruntowną wiedzę na temat przygotowywania mikrooptycznych rezonatorów za pomocą procesu samoorganizacji oddolnej. Należy pamiętać, że praca z urządzeniami laserowymi wymaga szczególnej ostrożności w celu ochrony oczu przed szkodliwym działaniem wiązek laserowych.

fabrication-polymer-microspheres-for-optical-resonator-laser

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Opisujemy zastosowanie techniki przetapiania laserem dwutlenku węgla do wytwarzania krzemionkowych wnęk rezonansowych, w tym wolnostojących mikrosfer oraz mikrotoroidów na chipie. Metoda przetapiania usuwa niedoskonałości powierzchni, co pozwala na uzyskanie długiego czasu życia fotonów w obu typach urządzeń. Powstałe urządzenia charakteryzują się ultrawysokimi dobrociami, co umożliwia ich zastosowanie w szerokim zakresie, od telekomunikacji po biodetekcję.

Wytwarzanie krzemionkowych mikrorozwiązujących o ultrawysokim czynniku dobroci

Metamateriały w częstotliwościach terahercowych oferują unikalne możliwości, jednak ich wytwarzanie w skali masowej jest trudne. Adaptujemy procedurę wytwarzania mikrostrukturalnych polimerowych światłowodów, aby tanio produkować metamateriały potencjalnie na skalę przemysłową. Wytwarzamy włókna z polimetakrylanu metylu zawierające druty indu o średnicy ~10 μm oddalone od siebie o ~100 μm, które wykazują terahercową odpowiedź plazmonową.

Wytwarzanie metamateriałów przy użyciu metody wyciągania włókien

Mikroczujnik fotoniczny o wysokiej czułości został opracowany do wykrywania pola elektrycznego. Czujnik wykorzystuje mody optyczne kuli dielektrycznej. Zmiany w zewnętrznym polu elektrycznym zaburzają morfologię kuli, prowadząc do przesunięć w jej modach optycznych. Natężenie pola elektrycznego jest mierzone poprzez monitorowanie tych przesunięć optycznych.

Opracowanie polimerowych mikrooptycznych czujników pola elektrycznego w trybie Whispering Gallery

Rozwijamy i charakteryzujemy nieuporządkowany światłowód polimerowy, który wykorzystuje poprzeczną lokalizację Andersona jako nowatorski mechanizm falowody. To mikrostrukturalne włókno może transportować małą zlokalizowaną wiązkę o promieniu porównywalnym z promieniem wiązki konwencjonalnych światłowodów.

Wytwarzanie i charakterystyka nieuporządkowanych światłowodów polimerowych do poprzecznej lokalizacji światła Andersona

Dwa sąsiadujące ze sobą płyny przechodzące przez rowkowany kanał mikroprzepływowy mogą być skierowane tak, aby tworzyły osłonę wokół rdzenia prepolimerowego; określając w ten sposób zarówno kształt, jak i przekrój. Polimeryzacja inicjowana foto, taka jak chemia tiolowa, doskonale nadaje się do szybkiego zestalania płynu rdzeniowego w mikrofibrę o określonym rozmiarze i kształcie.

Mikroprzepływowa produkcja włókien polimerowych i biohybrydowych o wstępnie zaprojektowanym rozmiarze i kształcie

Parametryczne wzbudzenia optomechaniczne zostały ostatnio eksperymentalnie zademonstrowane w mikroprzepływowych rezonatorach optomechanicznych za pomocą ciśnienia promieniowania optycznego i stymulowanego rozpraszania Brillouina. W artykule opisano wytwarzanie tych rezonatorów mikroprzepływowych wraz z metodologiami generowania i weryfikacji oscylacji optomechanicznych.

Produkcja i testowanie mikroprzepływowych oscylatorów optomechanicznych

W tym artykule przedstawiono efektywne generowanie zjawisk nieliniowych związanych z optyczną podatnością Χ(3) trzeciego rzędu w potrójnie rezonansowych mikrosferach krzemionkowych. Opisane tutaj interakcje to: Wymuszone rozpraszanie Ramana (SRS) i cztery procesy mieszania fal składające się na wymuszone rozpraszanie Ramana Anti-Stokes (SARS).

Stymulowane rozpraszanie Ramana Stokesa i antystokesa w mikrosferycznych rezonatorach w trybie galerii szeptów

Przedstawiamy protokół wytwarzania wnęk kryształów fotonicznych 1D na włóknach krzemionkowych o średnicy podfalowej (nanowłókna optyczne) za pomocą ablacji indukowanej laserem femtosekundowym.

Wytwarzanie 1-D fotonicznej wnęki kryształu na nanowłóknie za pomocą ablacji indukowanej laserem femtosekundowym

Ta praca dostarcza metody wytwarzania platform mikroprzepływowych opartych na kropelkach oraz zastosowania mikrosfer poliakrylamidowych do amplifikacji mikrosferycznej PCR. Metoda microsphere-PCR umożliwia otrzymanie jednoniciowych amplikonów DNA bez rozdzielania dwuniciowego DNA.

Podejście mikroprzepływowe oparte na kropelkach i amplifikacja mikrosferyczno-PCR dla jednoniciowych amplikonów DNA

Ten protokół opisuje wytwarzanie wszczepialnego, zintegrowanego okna obrazowania za pomocą laserowego druku 3D. Okno składa się z systemu mikrosoczewek sprzężonych z mikrorusztowaniami. Metoda polega na polimeryzacji dwufotonowej (2PP) biokompatybilnego fotorezystu SZ2080 w ciągłej sekwencji, optymalizując wydajność produkcji i wyrównanie między różnymi komponentami.

Mikrofabrykacja wszczepialnej optyki zintegrowanej z mikrostrukturalnym oknem obrazowania w celu zaawansowanego obrazowania in vivo

Poznaj metodę dyfuzji parowej do syntezy mikrosfer polimerowych dla rezonatorów optycznych i laserów. Technika ta umożliwia wytwarzanie mikrorezonatorów o właściwościach optycznych i elektrycznych z niskim zużyciem energii.

Wytwarzanie mikrosfer polimerowych do zastosowań w rezonatorach optycznych i laserach

Przeglądaj więcej filmów