Summary
ポリマーからのミクロスフェアの合成、ミクロスフェアの操作、およびマイクロフォトルミネッセンス測定のためのプロトコールが提示されている。
Abstract
この論文は、π共役または非共役ポリマーを含む蛍光マイクロスフェアを調製する3つの方法、すなわち蒸気拡散、界面析出およびミニエマルジョンを記載する。すべての方法において、明確に定義されたマイクロメーターサイズの球体は、溶液中の自己集合プロセスから得られる。蒸気拡散法は、球形度および表面平滑性が最も高い球体をもたらすことができるが、これらの球体を形成することができるポリマーの種類は限られている。一方、ミニエマルジョン法では、コプレーナ型π共役骨格を有する高結晶性ポリマーからも、様々な種類のポリマーから微小球を作製することができる。単一の単離マイクロスフェアからの光ルミネッセンス（PL）特性は珍しい.PLは球の内部に閉じ込められ、ポリマー/空気界面での全内部反射を介して球の周囲を伝播し、自己干渉して鋭く周期的な共鳴を示すPLライン。これらの共鳴gモードは、いわゆる「ウィスパリングギャラリーモード」（WGMs）と呼ばれている。この作品は、マイクロフォトルミネッセンス（μ-PL）技術を用いて単一の孤立した球からWGM PLを測定する方法を示しています。この技術では、集束されたレーザービームが単一の微小球に照射され、その発光が分光計によって検出される。マイクロマニピュレーション技術を使用して、微小球を1つずつ接続し、一方の球の周辺での励起および他方の微小球からのPLの検出の際に、結合した微小球からの球間PLの増殖および色変換を実証する。これらの技術、μ-PLおよびマイクロマニピュレーションは、ポリマー材料を用いたマイクロオプティクス応用の実験に有用である。
Introduction
ポリマーナノ/マイクロサイズの粒子は、触媒担体、カラムクロマトグラフィー充填剤、薬物送達剤、細胞追跡用蛍光プローブ、光学媒体などを含む様々な用途に広く使用されている1,2,3,4,5 、 6,7,8,9 。特に、π共役ポリマーは、ポリマー球体10,11,12,13,14を使用する光学的、電子的、および光電子的な用途に有益な、固有のルミネセンスおよび電荷伝導特性、特に軟組織アニオン材料15,16,17。例えば、数百ナノメートルの直径を有する球体の三次元的な統合は、コロイド結晶を形成し、特定の波長でフォトニックバンドギャップを示す。格子間周期構造に光が閉じ込められると、停止帯の中央に発振作用が現れる。一方、球のサイズが数マイクロメートルスケールに増加すると、光は、ポリマー/空気境界面20での全反射を介して単一の微小球内部に閉じ込められる。最大円周における光波の伝搬は干渉を生じ、鋭くかつ周期的な放射ラインを有する共鳴モードの出現を導く。これらの光学モードは、いわゆる「ウィスパリングギャラリーモード」（WGM）である。 「ウィスパリングギャラリー」という用語は、ロンドンのセントポール大聖堂で、壁の周りに音波が伝播し、ギャラリーの向こう側の人が囁きを聞くことができます。光の波長は音波よりもはるかに小さいサブマイクロメータスケールであるため、WGMのような大きなドームは必要ではありません：マイクロスフェア、マイクロディスクなどの微小なマイクロメータスケールの明確な血管、および微結晶は、WGM条件を満たす。
方程式1は、WGM共振条件21の単純な形式である。
nπd = lλ （1）
ここで、 nは共振器の屈折率であり、 dは直径であり、 lは整数であり、 λは光の波長である。 （1）の左部分は、1つの円伝播による光路長である。光路が他の波長では、光波は、丸めの際に減少する。
この論文では、蒸気拡散22,23,24,25,26,27,28,29,30、ミニエマルジョン31 、および界面析出32のような 、溶液中の共役ポリマーからWGM共鳴器用のマイクロスフェアを調製するためのいくつかの実験方法を紹介する。各メソッドには固有の特性があります。例えば、蒸気拡散法は、非常に高い球形度および滑らかな表面を有する明確なミクロスフェアを提供するが、低結晶性ポリマーのみがこれらのミクロスフェアを形成することができる。一方、ミニエマルションの場合高結晶性ポリマーを含む各種の共役高分子が球体を形成することができるが、表面拡散は蒸気拡散法よりも劣る。界面析出法は、色素がドープされた非共役ポリマーからマイクロスフェアを作製するために好ましい。すべての場合において、溶媒および非溶媒の選択は、球状形態の形成において重要な役割を果たす。
本稿の後半では、μ-PLとマイクロマニピュレーション技術を紹介します。 μ-PL法では、マイクロスフェアを基板上に分散させ、単一の隔離されたマイクロスフィア24を照射するために、顕微鏡レンズを通して集束されたレーザビームを使用する。生成された球体からのPLは、顕微鏡レンズを介して分光計によって検出される。サンプルステージを動かすと、励起スポットの位置が変わる可能性があります。検出点は、エキシーのコリメータ光学系を傾けることによっても可変である検出光路28,32の光軸に対して垂直なレーザ光を照射する。球間光の伝搬と波長変換を調べるために、マイクロマニピュレーション技術を使用することができます32 。異なる光学特性を有する複数の微小球を接続するために、微小針を使用して1つの球を拾い上げ、別の球に置くことが可能である。マイクロマニピュレーション技術およびμ-PL法に関連して、単純な自己組織化法によって調製された共役ポリマー球体を用いて、様々な光学的測定を行うことができる。このビデオペーパーは、光学用途にソフトポリマー材料を使用したい読者には有用です。
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Protocol
高分子微小球の作製プロトコール
- 蒸気拡散法
- P1（ポリ[（9,9-ジオクチルフルオレン-2,7-ジイル） - アルト - （5-オクチルチエノ[3,4- c ]ピロール-4,6-ジオン-1,2,3,4-テトラメチル-1,3,5-トリアジン）のような共役ポリマー2mgを、 P2）（ポリ（N-（2-ヘプチルウンデシル）カルバゾール-2,7-ジイル） -alt- （4,8-ビス[（ドデシル）カルボニル]ベンゾ[1,2- b ：4,5- b ']ジチオフェン-2,6-ジイル）]） 28を 、5mLのバイアル中の2mLのクロロホルム（良溶媒）に溶解した。
- メタノール（貧溶媒）5 mLを50 mLのバイアルに入れます。
- ポリマーのクロロホルム溶液を含む5mLバイアルを、メタノールを含む50mLバイアルに入れる。
- 50 mLのバイアルにキャップをし、ポリマーマイクロスフェアーの沈殿を可能にするために25℃で3日間保持する。
- ミニエマルジョン法
- 5mgの共役ポリマー、例えばpol（PFO）およびポリ[2-メトキシ-5-（3 '、7'-ジメチルオクチルオキシ）-1,4-フェニレンビニレン]（MDMOPPV）からなる群から選択される少なくとも1種の化合物を含む。 1mLのクロロホルムに溶解した。
- 2mLの脱イオン水に30mg（〜50mM）のドデシル硫酸ナトリウム（SDS）を溶解する。
- SDSを含む水2 mLにポリマーのクロロホルム溶液100μLを加えます。
- 超高速ホモジナイザーを用いてクロロホルム/水混合物を30,000rpmで2分間激しく撹拌して溶液を乳化させる。
- クロロホルムを蒸発させるためにバイアルをキャッピングすることなく1日間保管してください。
- 分散液を1.5mLのマイクロ遠心チューブに2,200 x gで5分間遠心します。 SDSを含む上清水溶液を除去する。
- 2mLの脱イオン水を加え、激しく振盪する。
- 残りのSDSを洗い流すために、ステップ1.2.6と1.2.7を3回繰り返す。
- 界面降水法
- 200μgのポリスチレン（PS）および10μlgの蛍光色素（ボロンジピリン、BODIPY）を0.2mLのテトラヒドロフラン（THF）に溶解した。
- 穏やかに1mLの水層にTHF溶液を注ぎます。
- バイアルをキャッピングすることなく、ポリマーマイクロスフェアの沈殿を可能にするために、2層に分離したTHF /水を6時間保持する。
2.マイクロフォトルミネッセンス（μ-PL）測定
- サンプルの準備
- セクション1で調製したミクロスフェアの懸濁液を非溶媒（ すなわち、メタノールまたは脱イオン水）で希釈する。
- スピンコーター（典型的には2000rpmで50秒間）を用いてマイクロスフェアの希釈懸濁液1滴（20〜30μL）を石英基板上にスピンキャストする。
- 溶媒が完全に蒸発するまで（〜5分）、得られたキャストフィルムを空気乾燥する。
- 実験的セットアップ
- 石英基板（15×15×0.5mm 3 ）を光マイクロマシンの試料ステージオスコープ。
- 他の球から分離され、μ-PL測定に適した、明確に定義されたミクロスフェアを見つけます。
- レーザー（ すなわち、波長、連続波またはパルス、照射時間、積分など ）を選択します。
- レンズの倍率を選択します。
- 測定値
- 集光されたレーザービームを使用して微小球に照射します。 405 nm（cw）、450 nm（cw）、355 nm（パルスレーザー、周波数、1 kHz、パルス持続時間、7 ns）の励起波長（ λex ）を有するcwまたはパルスレーザー、および470 nm（パルスレーザー;周波数、2.5MHz;パルス持続時間、70ps）。
- 300または1,200の溝mm -1の格子を有する分光計を使用して、励起されたスポットにPLスペクトルを記録する。
- 蛍光画像を撮る。
- サンプルステージを動かして励起スポットを変更します。
- コリメータを傾けて検出スポットを変更する（必要であれば）。
3.マイクロマニピュレーション技術
- マイクロスフェアの操作
- ミクロスフェアが光学顕微鏡のサンプルステージ上に固定されている石英基板をセットする。
- μ-PL測定に適した明確に定義されたミクロスフェアを見つける。
- マイクロマニピュレーション装置にプラスチックマイクロニードルをセットする。
- コンピュータ制御のジョイスティックを使用してマイクロニードルを移動させ、マイクロスフィアをピックアップします。
- マイクロスフェアを移動して別のマイクロスフェアに接続します。
- 接続された微小球からμ-PLを測定する。
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Representative Results
図1は、蒸気拡散法（a）、ミニエマルジョン法（b）および界面析出法（c）の概略図を示す。蒸気拡散法（ 図1a ）では、ポリマーのCHCl 3溶液（0.5mg mL -1、2mL）を含む5mLのバイアルを、5mLの非溶媒、例えばMeOHを含む50mLバイアルに入れた。外部バイアルに蓋をし、次いで25℃で3日間放置した。非溶媒の蒸気はゆっくりと溶液中に拡散し、その結果、過飽和状態のポリマーが沈殿した。ミニエマルション法（ 図1b ）では、ポリマーのCHCl 3溶液（5mg mL -1、200μL）をn-ドデシル硫酸ナトリウム水溶液（SDS、1mM、2mL）に添加した。水/ CHCl 3二相分離溶液は、乳化ホモジナイザー（30,000rpm、5分）を用いて激しく攪拌することにより泡立てた。得られたエマルジョンを25℃、1気圧で24時間放置してCHCl 3を自然蒸発させた。遠心分離（3回）により上澄み水を交換することにより過剰のSDSを除去し、共役ポリマーの沈殿物を得た。界面析出法（ 図1c ）のために、ポリスチレン（PS、[PS] = 1.0mgmL -1 ）と蛍光色素（[dye] = 0.002-1.0mg mL -1 = 6.4-3,200 μM）を水/ EtOH混合物（6 / 1v / v、1mL）の非溶媒層に注意深く添加した。 THFの空気への同時蒸発に伴う溶媒のゆっくりした拡散は、6時間の熟成後に沈殿を生じた。
各方法で調製した得られた微小球の走査電子顕微鏡（SEM）顕微鏡写真を図1に示す1。蒸気拡散および界面析出法のために、球形度が高く滑らかな表面を有する明確なミクロスフェアが得られた。他方、ミニエマルション法では、明確なミクロスフェアが得られたが、他の方法で製造されたミクロスフェアと比較して、表面形態はあまり滑らかではなかった。これは、界面活性剤がマイクロスフェアの全表面を覆うためであった。しかしながら、ミニエマルション法のメリットは、マイクロスフェアが様々な種類の共役ポリマーから製造できることである。これは、蒸気拡散法を用いると、結晶化度の高いポリマーが球形をほとんど形成しないため、非常に有利である。界面析出法では、水が底層の非溶媒としてしばしば使用される。しかしながら、π共役ポリマーは、通常、非常に疎水性であり、その結果、得られるマイクロスフェアの重い凝集が起こる。これは、μ-PLのための基材上の各単一微小球を単離するためには不利である保証。
図2は、μ-PL実験セットアップの概略図を示しています。 50Xまたは100X対物レンズを備えた光学顕微鏡を用いて、適切な粒子を同定し、それらの直径（ d ）を決定した。測定には、モノクロメーター（格子：300または1,200溝mm -1 ）およびCCDカメラと組み合わせた顕微鏡でμ-PLシステムを使用した。単一ミクロスフェアの周囲は、405nm（cw）、532nm（cw）、355nm（パルスレーザー;周波数、波長）の励起波長（ λex ）を有するcwまたはパルスレーザーによって周囲条件下で25℃で光励起された。 1ns、パルス持続時間、7ns）、または470nm（パルスレーザ;周波数、2.5MHz;パルス持続時間、70ps）である。
異なる励起および検出位置を有するμ-PL測定のために、球体を405nmレーザで励起し、50X対物レンズにより共焦点設定で光を集め、300溝mm -1格子を有する分光計で検出した。スポットサイズ、レーザー出力、積分時間はそれぞれ0.5μm、0.5μW、1秒であった。検出スポットを励起から分離するために、励起レーザビームのコリメータ光学系を検出経路の光軸に対して傾斜させた。
図3は、π共役ポリマーの単一マイクロスフェアのWGM PLを示す： P1 16k 、 P2およびそれらのブレンド。すべての単一マイクロスフェアから、明確なWGM PLスペクトルが観察された。ピーク波長をピークの半値幅で割ったQファクターは、 P1 16kのマイクロスフェアでは2,200に達し、 P2のマイクロスフェアはわずか300であり、可能であった表面の形態が粗いためにy。ポリマー混合ミクロスフェアでは、効率的な腔内エネルギー移動が起こり、その結果、WGM PLが黄色から赤色の領域に有意にシフトした。滑らかな表面のため、高いQ値（1,500）が維持された。
さらに、マイクロスペーシングエネルギー伝達カスケードは、マイクロ操作技術とμ-PL技術の組み合わせによって研究された。したがって、緑、黄、オレンジ、および赤のPL色を有する多形ホウ素 - ジピリン（BODIPY）色素がドープされたPSミクロスフェアは、線状およびT字形の形状を有するテトラスフィアを1つずつ形成するように連結された（ 図4 ）。エネルギー移動効率の詳細な分析は、緑色から黄色へ、および黄色から橙色への光エネルギー移動が効率的に起こったが、オレンジ色から赤色へのエネルギー移動はほとんど起こらなかったことを示したエネルギー供与体のPLバンドとエネルギー受容体の吸収帯との間の小さな重なりの原因となる。言うまでもなく、赤から橙、黄、緑などのアップコンバートされたエネルギー移動は起こりにくい。
図1：ポリマーミクロスフェアの調製方法。蒸気拡散法（ a ）、ミニエマルジョン法（ b ）および界面析出法（ c ）の模式図および得られたポリマー微小球の各製造法からのSEM顕微鏡写真。 この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。
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図2：μ-PL測定の実験装置の概略図。 この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。
図3：単一の微小球からのPLスペクトル。 （ a ） P1 16kおよびP2の分子構造およびP1 16k 、 P2およびそれらのブレンド（ P1 16k / P2 = 8 / 2w / w）からの自己組織化マイクロスフェアの模式図ならびにそれらのSEM顕微鏡写真。 （ b - d ） P1 16k （ b ）から形成された単一微小球からのPLスペクトル、 P1 16k / P2ブレンド（ c ）、およびP2 （ d ）。 この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。
図4：マイクロスフェアを配置するためのマイクロマニピュレーション技術。 （ a ）薄いマイクロニードルで操作された多形BODIPYドープPSミクロスフェアの光学顕微鏡写真。 （ bおよびc ）線状（ b ）およびT字型（ c ）構成の接続されたマイクロスフェアの光学的（上）および蛍光（下）の顕微鏡写真。 （ d ）空洞介在、長距離粒子間エネルギー移動の模式図。jpg "target =" _ blank ">この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。
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Disclosures
著者らは、競合する金銭的利益を宣言していない。
Acknowledgments
本研究は、JSPS / MEXT Japan、朝日グラス財団、筑波大学の戦略的イニシアチブ「問題と人生の光のアンサンブル」からのKAKENHI（25708020、15K13812、15H00860、15H00986、16H02081）
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 |
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