Summary
提出了从聚合物合成微球的方法，微球的操作和微光致发光测量。
Abstract
本文介绍了三种制备包含π共轭或非共轭聚合物的荧光微球的方法：蒸气扩散，界面沉淀和微乳液。在所有方法中，精确定义的微米尺寸的球体是从溶液中的自组装过程获得的。蒸气扩散法可以产生具有最高球形度和表面平滑度的球体，但能够形成这些球体的聚合物的类型是有限的。另一方面，在微乳液法中，微球体可以由各种类型的聚合物制成，甚至由具有共面π共轭骨架的高结晶聚合物制成。来自单一分离的微球的光致发光（PL）性质是不寻常的：PL被限制在球体内部，通过聚合物/空气界面处的全内反射在球体的圆周处传播，并且自我干扰以显示清晰和周期性的共振PL线。这些共鸣g模式是所谓的“耳语画廊模式”（WGM）。这项工作演示了如何使用微光致发光（μ-PL）技术从单个孤立球体测量WGM PL。在该技术中，聚焦的激光束照射单个微球，并通过光谱仪检测发光。然后使用显微操作技术逐个连接微球，并且在一个球体的周边激发并且从另一个微球体检测PL的情况下，证明来自耦合的微球的球间PL传播和颜色转换。这些技术，μ-PL和显微操作，可用于使用聚合物材料的微光学应用的实验。
Introduction
聚合物纳米/微米粒子广泛用于各种应用，包括作为催化剂载体，柱层析填料，药物递送剂，用于细胞追踪的荧光探针，光学介质等。1,2,3,4,5 ， 6，7，8，9 。特别地，π共轭聚合物具有固有的发光和电荷导电性能，其有利于使用聚合物球10,11,12,13,14的光学，电子和光电子应用，特别是使用软组织的激光应用动物材料15,16,17 。例如，具有几百纳米直径的球体的三维集成形成胶体晶体，其在一定波长18,19处显示光子带隙。当光限制在星际周期结构中时，激光作用出现在阻带的中间。另一方面，当球体的尺寸增加到几微米尺度时，光通过聚合物/空气界面20处的全内反射被限制在单个微球内。在最大圆周处的光波的传播导致干扰，导致出现具有尖锐和周期性发射线的谐振模式。这些光学模式是所谓的“耳语画廊模式”（WGM）。术语“耳语画廊”起源于在伦敦的圣保罗大教堂，声波沿着墙壁的周围传播，让画廊另一边的人听到耳语。因为光的波长在远小于声波的亚微米尺度上，所以这样大的圆顶对于光的WGM是不必要的：微小的，微米级的，明确的容器，例如微球，微盘和微晶，满足WGM条件。
等式1是WGM谐振条件21的简单形式：
nπd = lλ （1）
其中n是谐振器的折射率， d是直径， l是整数， λ是光的波长。 （1）的左边部分是通过一个圆形传播的光程长度。当光路重合时发生波长的整数倍，发生共振，而在另一波长处，光波在四舍五入时减小。
本文介绍了几种用于制备溶液中共轭聚合物的WGM共振器的微球的实验方法：蒸气扩散22,23,24,25,26,27,28,29,30，微乳液31和界面沉淀32 。每种方法都有独特的特征;例如，蒸气扩散方法提供了非常高的球形度和光滑表面的明确定义的微球体，但只有低结晶度聚合物可以形成这些微球体。另一方面，对于微乳液方法，各种共轭聚合物（包括高结晶聚合物）可以形成球体，但是表面形态不如从蒸气扩散法得到的。从染料掺杂的非共轭聚合物制备微球体，界面析出法是优选的。在所有情况下，溶剂和非溶剂的选择在球形形态的形成中起重要作用。
在本文的下半部分，介绍了μ-PL和微操作技术。对于μ-PL技术，微球分散在基底上，并且通过显微镜透镜聚焦的激光束用于照射单个分离的微球24 。通过显微镜透镜由光谱仪检测来自球体的生成的PL。移动样品台可以改变激发点的位置。检测点也可以通过倾斜exci的准直器光学元件而变化相对于检测路径28,32的光轴的激光束。为了研究球间光传播和波长转换，可以使用微操作技术32 。为了连接具有不同光学性质的几个微球体，可以使用微针拾取一个球体并将其放在另一个球体上。结合微操作技术和μ-PL方法，可以使用通过简单的自组装方法制备的共轭聚合物球进行各种光学测量。该视频文件对于希望使用软质聚合物材料用于光学应用的读者将是有用的。
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Protocol
聚合物微球的制备方案
- 蒸气扩散法
- 溶解2mg共轭聚合物，例如P1（聚[（9,9-二辛基芴-2,7-二基）] - （5-辛基噻吩并[3,4- c ]吡咯-4,6-二酮-1， （4 - [（十二烷基）羰基]苯并[1,2- b ]苯并[1,2- b ] ：4,5- b ']二噻吩-2,6-二基）]） 28 ，在5mL小瓶中的2mL氯仿（良溶剂）中。
- 将5 mL甲醇（不良溶剂）放入50mL样品瓶中。
- 将含有聚合物氯仿溶液的5mL小瓶放入含有甲醇的50mL小瓶中。
- 盖上50 mL小瓶，并在25°C保持3天，以使聚合物微球沉淀。
- 迷你乳液法
- 溶解5mg共轭聚合物，如聚y [9,9-二正辛基芴基-2,7-二基]（PFO）和聚[2-甲氧基-5-（3'，7'-二甲基辛氧基）-1,4-亚苯基亚乙烯基]（MDMOPPV）在1mL氯仿中。
- 将30mg（〜50mM）十二烷基硫酸钠（SDS）溶于2mL去离子水中。
- 加入100μL聚合物的氯仿溶液至2mL含有SDS的水中。
- 用超高速匀浆器以30,000rpm剧烈搅拌氯仿/水混合物2分钟，使溶液乳化。
- 保持1天，不加盖小瓶蒸发氯仿。
- 将离心管在1.5毫升微量离心管中离心5分钟，以2,200×g离心。取出含SDS的上清液。
- 加入2 mL去离子水，并剧烈摇匀。
- 重复步骤1.2.6和1.2.7三次以清除残留的SDS。
- 界面沉淀法
- 溶解200μg聚苯乙烯（PS）和10μg的荧光染料（硼二吡啶，BODIPY）至0.2mL四氢呋喃（THF）。
- 将THF溶液轻轻倒入1 mL水层。
- 将两层分离的THF /水保持6小时，而不使小瓶盖住，以允许聚合物微球沉淀。
2.微光致发光（μ-PL）测量
- 样品制备
- 将第1部分制备的微球的悬浮液稀释在非溶剂（ 即甲醇或去离子水）中。
- 使用旋转涂布机（通常为2,000rpm，50s）将微球的稀释悬浮液旋转一滴（20-30μL）到石英基质上。
- 空气干燥得到的铸膜，直到溶剂完全蒸发（约5分钟）。
- 实验装置
- 将石英衬底（15 x 15 x 0.5 mm 3 ）放在光学微镜的样品台上oscope需要。
- 找到与其他球体分离的适合μ-PL测量的明确定义的微球。
- 选择激光（ 即波长，连续波或脉冲，照射时间，积分等 ）。
- 选择镜头的放大倍数。
- 测量
- 使用聚焦激光束照射微球。使用以下激光条件：cw或激发波长（ λex ）为405 nm（cw），450 nm（cw），355 nm（脉冲激光;频率，1 kHz;脉冲持续时间，7 ns）和470 nm（脉冲激光;频率，2.5MHz;脉冲持续时间，70ps）。
- 使用具有300或1200个槽mm -1的光栅的光谱仪在激发点记录PL光谱。
- 拍摄荧光图像。
- 通过移动样品台来改变激发点。
- 通过倾斜准直仪来更换检测点（如有必要）。
微操作技术
- 微球的操作
- 将微球固定在石英基板上的光学显微镜的样品台上。
- 找到适合于μ-PL测量的明确定义的微球。
- 在微操作装置上设置塑料微针。
- 使用计算机控制的操纵杆移动微针以拾取微球。
- 移动微球并将其连接到另一个微球。
- 从连接的微球测量μ-PL。
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Representative Results
图1显示了蒸气扩散法（a），微乳液法（b）和界面沉淀法（c）的示意图。对于蒸气扩散法（ 图1a ），将含有聚合物CHCl 3溶液（0.5mg mL -1,2mL）的5mL小瓶置于含有5mL非溶剂如MeOH的50mL小瓶中。盖上外部小瓶，然后在25℃下静置3天。非溶剂的蒸气缓慢扩散到溶液中，导致聚合物沉淀过饱和状态。对于微乳液法（ 图1b ），将聚合物CHCl 3溶液（5mg mL - 1,200μL）加入到正十二烷基硫酸钠水溶液（SDS，1mM，2mL）中。水/ CHCl 3两相分离溶液为乳化剂通过用均化器（30,000rpm，5分钟）剧烈搅拌。将所得乳液在25℃和1atm下静置24小时以自然蒸发CHCl 3 。通过离心（3次）交换上清液水，除去过量的SDS，得到共轭聚合物的沉淀物。对于界面沉淀法（ 图1c ），将聚苯乙烯（PS，[PS] = 1.0mg / mL）和荧光染料（[染料] = 0.002-1.0mg mL -1 = 6.4-3,200 μM）小心地加入到水/ EtOH混合物（6/1 v / v，1mL）的非溶剂层中。溶剂的缓慢扩散以及THF同时蒸发到空气中，导致老化6小时后的沉淀。
通过各种方法制备的所得微球的扫描电子显微镜（SEM）显微照片显示在图1中ure 1。对于蒸气扩散和界面沉淀方法，获得了具有高球形度和光滑表面的明确定义的微球。另一方面，对于微乳液法，得到了明确定义的微球，但是与其它方法相比，表面形态不那么光滑。这是因为表面活性剂覆盖了微球的整个表面。然而，微乳液法的优点是微球可以由各种共轭聚合物制成。这是非常有利的，因为通过蒸气扩散法，具有高结晶度的聚合物几乎不形成球形几何形状。在界面沉淀法中，水通常用作底层的非溶剂。然而，π共轭聚合物通常是非常疏水的，因此产生微球的重聚集。这对于分离μ-PL I的衬底上的每个单个微球是不利的asurements。
图2显示了μ-PL实验装置的示意图。使用具有50X或100X物镜的光学显微镜来鉴定合适的颗粒并确定它们的直径（ d ）。对于测量，使用μ-PL系统与显微镜结合单色仪（光栅：300或1200槽mm -1 ）和CCD照相机。单个微球的周长在环境条件下通过激光波长（ λex ）为405nm（cw），532nm（cw），355nm（脉冲激光;频率， 1kHz;脉冲持续时间，7ns）或470nm（脉冲激光;频率，2.5MHz;脉冲持续时间，70ps）。
对于具有不同激发和检测位置的μ-PL测量，球体被405nm激光激发，并通过50X物镜在共焦设置中收集光，并通过具有300槽mm -1光栅的光谱仪检测。点尺寸，激光功率和积分时间分别为0.5μm，0.5μW和1s。为了将检测点与激发分离，激发激光束的准直器光学器件相对于检测路径的光轴倾斜。
图3显示了π-共轭聚合物单个微球的WGM PL： P1 16k ， P2及其共混物。 28从所有单个微球观察到清除WGM PL光谱。由峰值波长除以峰的半峰值的Q因子对于P1 16k的微球体高达2,200，而P2的微球体的Q值仅为300，可能y因为粗糙的表面形态28 。对于聚合物共混物微球，发生有效的内部能量转移，导致WGM PL从黄色区域到红色区域的显着偏移。由于光滑的表面，维持了高Q因子（1500）。
此外，通过微操作和μ-PL技术的组合来研究球间能量传递级联。因此，将具有绿色，黄色，橙色和红色的PL颜色的多晶型硼 - 二吡啶（BODIPY）染料掺杂的PS微球逐一连接以形成具有线性和T形构型的四面体（ 图4 ）。能量转移效率的详细分析表明，从绿色到黄色，从黄色到橙色的光能传递有效发生，而从橙色到红色的能量传递几乎不发生b因为能量供体的PL带和能量受体的吸收带之间的小重叠。不用说，上升的能量转移，例如从红色到橙色，黄色和绿色，几乎没有发生。
图1：聚合物微球的制备方法。来自各制备方法的所得聚合物微球的蒸气扩散方法（ a ），微乳液法（ b ）和界面沉淀法（ c ）和SEM显微照片的示意图。 请点击此处查看此图的较大版本。
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图2：μ-PL测量的实验装置的示意图。 请点击此处查看此图的较大版本。
图3：来自单个微球的PL光谱。 （ a ） P1 16k和P2的分子结构和P1 16k ， P2及其共混物（ P1 16k / P2 = 8 / 2w / w）的自组装微球的分子结构及其SEM显微照片。 （ b - d ）从P1 16k （ b ）形成的单个微球的PL光谱， P1 16k / P2共混物（ c ）和P2 （ d ）。 请点击此处查看此图的较大版本。
图4：安排微球的微操作技术。 （ a ）多晶BODIPY掺杂的PS微球的光学显微照片，由微型微针操纵。 （ b和c ）具有线性（ b ）和T形（ c ）构型的连接微球的光学（顶部）和荧光（底部）显微照片。 （ d ）空腔介导的长距离球面能量转移的示意图。jpg“target =”_ blank“>请点击此处查看此图的较大版本。
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Disclosures
作者声明没有竞争的经济利益。
Acknowledgments
这项工作得到JSPS / MEXT日本，朝日玻璃基金会和筑波大学前战略倡议“光与事物与生活的合奏”的KAKENHI（25708020,15K13812,15H00860，15H00986，16H02081）的部分支持。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| polystyrene | Aldrich | 132427-25G | |
| sodium dodecylsulfate | Kanto Kagaku | 372035-31 | |
| tetrahydrofuran | Wako | 206-08744 | |
| chloroform | Wako | 038-18495 | |
| methanol | Wako | 139-13995 | |
| Poly(9,9-di-n-octylfluorenyl-2,7-diyl) | Aldrich | 571652-500MG | |
| Poly[2-methoxy-5-(3′,7′-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylenevinylene] (MDMOPPV) | Aldrich | 546461-1G | |
| poly[(9,9-dioctylfluorene-2,7-diyl)-alt-(5-octylthieno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione-1,3-diyl)] (P1) | synthesized | - | reference 28 |
| poly[(N-(2-heptylundecyl)carbazole-2,7-diyl)-alt-(4,8-bis[(dodecyl)carbonyl]benzo[1,2-b:4,5-b′]dithiophene-2,6-diyl)] (P2) | synthesized | - | reference 28 |
| fluorescent dye (boron dipyrrin; BODIPY) | synthesized | - | reference 32 |
| Optical Microscope | Nicon | Eclipse LV-N | |
| laser_405 nm | Hutech | DH405-10-5 | |
| Spectrometer | Lambda Vision | LV-MC3/T | |
| Homogenizer | Microtech Nichion | Physcotron NS-360D | |
| micromanipulation | Microsupport | Quick Pro QP-3RH |
References
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