Artigo de método

Fabricação de Microsferas de Polímeros para Resonadores Ópticos e Aplicações Laser

DOI:

10.3791/55934

⸱

2 de junho de 2017

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1Faculty of Pure and Applied Sciences, University of Tsukuba, 2Tsukuba Research Center for Interdisciplinary Materials Science (TIMS), University of Tsukuba, 3Center for Integrated Research in Fundamental Science and Technology (CiRfSE), University of Tsukuba

Neste artigo

Resumo

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São apresentados protocolos para a síntese de microesferas a partir de polímeros, manipulação de microesferas e medições de micro-fotoluminescência.

Resumo

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Este artigo descreve três métodos de preparação de microesferas fluorescentes compreendendo polímeros conjugados ou não conjugados π: difusão de vapor, precipitação de interface e mini-emulsão. Em todos os métodos, as esferas bem definidas, de tamanho micrométrico, são obtidas a partir de um processo de auto-montagem em solução. O método de difusão de vapor pode resultar em esferas com maior esfericidade e suavidade da superfície, mas os tipos de polímeros capazes de formar essas esferas são limitados. Por outro lado, no método de mini emulsão, as microesferas podem ser feitas a partir de vários tipos de polímeros, mesmo de polímeros altamente cristalinos com backbones coplanares, π conjugados. As propriedades fotoluminescentes (PL) a partir de microesferas isoladas isoladas são incomuns: a PL é confinada dentro das esferas, se propaga na circunferência das esferas através da reflexão interna total na interface polímero / ar, e auto-interfere para mostrar ressonância afiada e periódica Linhas PL. Essa ressonânciaOs modos g são os chamados "modos de galeria de sussurros" (WGMs). Este trabalho demonstra como medir WGM PL a partir de esferas isoladas isoladas usando a técnica de micro-fotoluminescência (μ-PL). Nesta técnica, um raio laser focado irradia uma única microesfera, e a luminescência é detectada por um espectrômetro. Uma técnica de micromanipulação é então usada para conectar as microesferas uma a uma e para demonstrar a propagação de PL e a conversão de cores entre microesferas acopladas após excitação no perímetro de uma esfera e detecção de PL a partir da outra microesfera. Estas técnicas, μ-PL e micromanipulação, são úteis para experiências em aplicações de micro-ótica usando materiais poliméricos.

Introdução

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As partículas de nano / micro-tamanho de polímero são amplamente utilizadas para uma variedade de aplicações, incluindo como suporte de catalisador, enchimentos de cromatografia em coluna, agentes de administração de fármaco, sondas fluorescentes para rastreamento celular, mídia ótica e assim por diante 1 , 2 , 3 , 4 , 5 6 , 7 , 8 , 9 . Em particular, os polímeros conjugados com π têm propriedades inerentes luminescentes e de carga que são benéficas para aplicações ópticas, eletrônicas e optoeletrônicas usando esferas de polímero 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , especialmente aplicações de laser usando soft orgMateriais anímicos 15 , 16 , 17 . Por exemplo, a integração tridimensional de esferas com diâmetros de vários centenas de nanômetros forma cristais coloidais, que mostram aberturas da banda fotônica com um certo comprimento de onda 18 , 19 . Quando a luz é confinada na estrutura periódica da intersfera, a ação de laser aparece no meio da banda de parada. Por outro lado, quando o tamanho das esferas aumenta para a escala de vários micrômetros, a luz é confinada dentro de uma única microesfera através da reflexão interna total na interface polímero / ar 20 . A propagação da onda de luz na circunferência máxima resulta em interferência, levando ao aparecimento de um modo ressonante com linhas de emissão afiadas e periódicas. Estes modos ópticos são os chamados "modos de galeria de sussurros" (WGMs). O termo "galeria sussurrante" originou-se deA Catedral de São Paulo em Londres, onde as ondas de som se propagam ao longo da circunferência da parede, permitindo que os sussurros sejam ouvidos por uma pessoa do outro lado da galeria. Como o comprimento de onda da luz está na escala submicrométrica, que é muito menor do que as ondas sonoras, uma grande cúpula não é necessária para o WGM da luz: pequena, escala micrométrica, vasos bem definidos, como microesferas, microdiscs , E microcristais, cumprem as condições do WGM.

A Equação 1 é uma forma simples da condição de ressonância de WGM 21 :

Nπd = lλ (1)

Onde n é o índice de refração do ressonador, d é o diâmetro, l é o número inteiro, e λ é o comprimento de onda da luz. A parte esquerda de (1) é o comprimento do caminho óptico através de uma propagação de círculo. Quando o caminho óptico coincide com oMúltiplo inteiro do comprimento de onda, a ressonância ocorre, enquanto no outro comprimento de onda, a onda de luz é diminuída após o arredondamento.

Este artigo apresenta vários métodos experimentais para preparar microesferas para ressonadores WGM a partir de polímeros conjugados em solução: difusão de vapor 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 29 , 30 , mini-emulsão 31 e precipitação de interface 32 . Cada método possui características únicas; Por exemplo, o método de difusão de vapor proporciona microesferas bem definidas com esfericidade muito alta e superfícies lisas, mas apenas os polímeros de baixa cristalinidade podem formar essas microesferas. Por outro lado, para a mini emulsãoMétodo, vários tipos de polímeros conjugados, incluindo polímeros de alto cristalino, podem formar esferas, mas a morfologia da superfície é inferior à obtida a partir do método de difusão de vapor. O método de precipitação de interface é preferível para a criação de microesferas a partir de polímeros não conjugados dopados com corantes. Em todos os casos, a seleção do solvente e do não solvente desempenha um papel importante na formação da morfologia esférica.

Na segunda metade deste artigo, são apresentadas técnicas de μ-PL e micro-manipulação. Para a técnica μ-PL, as microesferas são dispersas em um substrato, e um feixe laser focado, através de uma lente de microscópio, é usado para irradiar uma única microesfera isolada 24 . O PL gerado de uma esfera é detectado por um espectrômetro através da lente do microscópio. Mover o estágio da amostra pode variar a posição do ponto de excitação. O ponto de detecção também é variável pela inclinação da optica colimadora da excEm relação ao eixo óptico do percurso de detecção 28 , 32 . Para investigar a propagação da luz interesternal e a conversão do comprimento de onda, a técnica de micro-manipulação pode ser usada 32 . Para conectar várias microesferas com diferentes propriedades ópticas, é possível pegar uma esfera usando uma micro-agulha e colocá-la em outra esfera. Em conjunto com as técnicas de micromanipulação e o método μ-PL, várias medições ópticas podem ser realizadas utilizando esferas de polímero conjugadas, que são preparadas por um simples método de auto-montagem. Este documento de vídeo será útil para os leitores que desejam usar materiais poliméricos macios para aplicações ópticas.

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Protocolo

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1. Protocolos de Fabricação de Microsferas de Polímeros

  1. Método de difusão de vapor
    1. Dissolver 2 mg de polímeros conjugados, tais como P1 (poli [(9,9-dioctilfluoreno-2,7-diil) - alt - (5-octiltieno [3,4- c ] pirrole-4,6-diona-1, 3-diil)]) 28 e P2 (poli [(N- (2-heptildecil) carbazole-2,7-diil) - alt - (4,8-bis [(dodecil) carbonil] benzo [1,2- b : 4,5- b '] ditiofeno-2,6-diil)]) 28 , em 2 mL de clorofórmio (um bom solvente) num frasco de 5 mL.
    2. Coloque 5 mL de metanol (um solvente pobre) em um frasco de 50 mL.
    3. Coloque o frasco de 5 mL contendo a solução de clorofórmio do polímero no frasco para injectáveis ​​contendo 50 mL de metanol.
    4. Coloque o frasco de 50 mL e mantenha-o durante 3 dias a 25 ° C para permitir a precipitação das microesferas de polímero.
  2. Método de mini-emulsão
    1. Dissolver 5 mg de polímeros conjugados, tais como polY [9,9-di-n-octilfluorenil-2,7-diil] (PFO) e poli [2-metoxi-5- (3 ', 7'-dimetiloctiloxi) -1,4-fenilenovinileno] (MDMOPPV) Em 1 mL de clorofórmio.
    2. Dissolver 30 mg (~ 50 mM) de dodecilsulfato de sódio (SDS) em 2 mL de água desionizada.
    3. Adicionar 100 μL da solução de clorofórmio do polímero a 2 mL de água contendo SDS.
    4. Agite vigorosamente a mistura de clorofórmio / água usando um homogeneizador de ultra-alta velocidade a 30.000 rpm durante 2 minutos para emulsionar a solução.
    5. Mantenha-o por 1 dia sem tapar o frasco para evaporar o clorofórmio.
    6. Centrifugar a dispersão em um tubo de microcentrífuga de 1,5 mL por 5 minutos a 2.200 x g. Remova a solução aquosa sobrenadante contendo SDS.
    7. Adicione 2 mL de água desionizada e agite vigorosamente.
    8. Repita o passo 1.2.6 e 1.2.7 três vezes para lavar o SDS residual.
  3. Método de precipitação da interface
  4. Dissolver 200 μg de poliestireno (PS) e 10 μG de corante fluorescente (boro dipirrina, BODIPY) a 0,2 mL de tetrahidrofurano (THF).
  5. Leve suavemente a solução de THF em 1 mL da camada de água.
  6. Mantenha o THF / água separado de duas camadas durante 6 h sem tampar o frasco para permitir a precipitação das microesferas de polímero.

2. Medição de micro-fotoluminescência (μ-PL)

  1. Preparação de amostra
    1. Diluir uma suspensão das microesferas preparadas na secção 1 num não solvente ( isto é, metanol ou água desionizada).
    2. Soltou uma gota (20-30 μL) da suspensão diluída das microesferas sobre um substrato de quartzo usando um revestidor de espuma (tipicamente, 2.000 rpm por 50 s).
    3. Secar ao ar a película fundida resultante até que os solventes tenham evaporado completamente (~ 5 min).
  2. Configuração Experimental
    1. Coloque o substrato de quartzo (15 x 15 x 0,5 mm 3 ) no estágio da amostra de um micr ópticoOscope.
    2. Encontre microesferas bem definidas que sejam isoladas de outras esferas e apropriadas para a medição μ-PL.
    3. Selecione um laser ( ie, comprimento de onda, onda contínua ou pulso, tempo de irradiação, integração, etc. ).
    4. Selecione a ampliação da lente.
  3. Medidas
    1. Use um feixe laser focado para irradiar a microesfera. Use a seguinte condição laser: laser cw ou pulsado com comprimentos de onda de excitação ( λ ex ) de 405 nm (cw), 450 nm (cw), 355 nm (pulso laser, freqüência, 1 kHz, duração do pulso, 7 ns) e 470 Nm (pulso laser, freqüência, 2,5 MHz, duração do pulso, 70 ps).
    2. Registre o espectro PL no ponto excitado usando um espectrômetro com uma grade de 300 ou 1.200 ranhuras mm -1 .
    3. Tire uma imagem fluorescente.
    4. Mude o ponto de excitação movendo o estágio da amostra.
    5. Mude o ponto de detecção, inclinando o colimador(se necessário).

3. Técnica de Micromanipulação

  1. Manipulação de Microsferas
    1. Defina um substrato de quartzo sobre o qual as microesferas são imobilizadas no estágio da amostra de um microscópio óptico.
    2. Encontre uma microesfera bem definida apropriada para a medição μ-PL.
    3. Coloque uma micro-agulha de plástico em um aparelho de micro-manipulação.
    4. Mova a micro-agulha usando um joystick controlado pelo computador para pegar uma microesfera.
    5. Mova a microesfera e conecte-a a outra microesfera.
    6. Meça o μ-PL da microesfera conectada.

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Resultados

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A Figura 1 mostra representações esquemáticas do método de difusão de vapor (a), método de mini-emulsão (b) e método de precipitação de interface (c). Para o método de difusão de vapor ( Figura 1a ), colocou-se um frasco de 5 mL contendo uma solução de polímeros de CHCl3 (0,5 mg mL -1 , 2 mL) num frasco de 50 mL contendo 5 mL de um não solvente, tal como MeOH . O frasco exterior foi tampado e depois deixado em repouso...

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Discussão

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A seleção de um bom solvente e não solvente é muito importante para a automontagem de microesferas bem definidas. Se a solubilidade de um polímero for muito alta, a precipitação não ocorrerá. Além disso, em geral, os polímeros conjugados com π são hidrofóbicos, portanto, não solventes polares, como MeOH, acetonitrila e acetona, são frequentemente usados no método de difusão de vapor para minimizar a energia superficial necessária para formar uma forma esférica. O método de precipitação de interface é frequentemente adota...

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Divulgações

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Os autores declaram não haver interesses financeiros concorrentes.

Agradecimentos

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Este trabalho foi parcialmente apoiado por KAKENHI (25708020, 15K13812, 15H00860, 15H00986, 16H02081) do JSPS / MEXT Japan, a Asahi Glass Foundation e a iniciativa pré-estratégica da Universidade de Tsukuba, "Ensemble of light with matters and life".

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
poliestirenoAldrich132427-25G
dodecilsulfato de sódioKanto Kagaku372035-31
tetrahidrofuranoWako206-08744
clorofórmioWako038-18495
metanolWako139-13995
Poli(9,9-di-n-octilfluorenil-2,7-diil)Aldrich571652-500MG
Poli[2-metoxi-5-(3′,7′-dimetiloctiloxi)-1,4-fenilenovinileno] (MDMOPPV)Aldrich546461-1G
poli[(9,9-dioctilfluoreno-2,7-diil)-alt-(5-octiltiofeno[3,4-c]pirrol-4,6-diona-1,3-diil)] (P1)referência sintetizada28
poli[(N-(2-heptilundecil)carbazol-2,7-diil)-alt-(4,8-bis[(dodecil)carbonil]benzo[1,2-b:4,5-b′]ditiofeno-2,6-diil)] (P2)de referência sintetizada28
(boro diprina; BODIPY)sintetizada32
Microscópio ÓpticoNiconEclipse LV-N
laser_405 nmHutechDH405-10-5
EspectrômetroLambda VisionLV-MC3 / T
HomogeneizadorMicrotech NichionPhyscotron NS-360D
micromanipulaçãoMicrosupportQuick Pro QP-3RH
corante fluorescente referência

Referências

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