Protokoller for syntese av mikrosfærer fra polymerer, manipulering av mikrosfærer og mikrofotoluminescensmålinger presenteres.
Dette papir beskriver tre metoder for fremstilling av fluorescerende mikrosfærer omfattende π-konjugerte eller ikke-konjugerte polymerer: dampdiffusjon, grensesnittutfelling og mini-emulsjon. I alle metoder oppnås veldefinerte mikrometer-størrelse sfærer fra en selvmonteringsprosess i løsning. Dampdiffusjonsmetoden kan resultere i sfærer med høyeste sfærisk og overflatejevnhet, men de typer polymerene som er i stand til å danne disse sfærene er begrenset. På den annen side, i mini-emulsjonsmetoden, kan mikrosfærer fremstilles av forskjellige typer polymerer, selv fra høyt krystallinske polymerer med koplanare, π-konjugerte backbones. De fotoluminescerende (PL) egenskapene fra enkelt-isolerte mikrosfærer er uvanlige: PL er begrenset inne i kulene, propagerer i kuleområdets omkrets via den totale interne refleksjonen ved polymer / luftgrensesnittet og forstyrrer selv å skarp og periodisk resonans PL linjer. Disse resonatineneG moduser er såkalte "hviske galleri moduser" (WGMs). Dette arbeidet viser hvordan man måler WGM PL fra enkelt isolerte sfærer ved hjelp av mikrofotoluminescens (μ-PL) teknikken. I denne teknikken bestråler en fokusert laserstråle en enkelt mikrosfære, og luminescensen detekteres av et spektrometer. En mikromanipuleringsteknikk brukes da til å koble mikrosfærene en etter en og å demonstrere intersphere PL-forplantning og fargekonvertering fra koblede mikrosfærer ved eksitering ved periferien av en sfære og deteksjon av PL fra den andre mikrosfæren. Disse teknikkene, μ-PL og mikromanipulering, er nyttige for eksperimenter på mikrooptisk applikasjon ved anvendelse av polymermaterialer.
Partikler av polymernano / mikrostørrelse er mye brukt til en rekke bruksområder, inkludert som katalysatorbærer, kolonnekromatografifyllstoffer, legemiddelavgivelsesmidler, fluorescerende prober for cellesporing, optiske medier og så videre 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 . Spesielt har π-konjugerte polymerer iboende luminescerende og ladningsledende egenskaper som er fordelaktige for optiske, elektroniske og optoelektroniske applikasjoner ved bruk av polymersfærer 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , spesielt laserapplikasjoner ved bruk av myke orgAniske materialer 15 , 16 , 17 . For eksempel danner den tredimensjonale integrasjonen av kuler med flere hundre nanometer diametere kolloide krystaller, som viser fotoniske båndgap ved en bestemt bølgelengde 18 , 19 . Når lyset er begrenset i intersphere periodiske strukturen, vises lasingaksjon midt på stoppbåndet. På den annen side, når størrelsen på kulene øker til flere mikrometer skala, er lyset begrenset inne i en enkelt mikrosfære via total intern refleksjon ved polymer / luftgrensesnittet 20 . Forplantning av lysbølgen ved maksimal omkrets resulterer i forstyrrelser, hvilket fører til utseendet av en resonansmodus med skarpe og periodiske utslippslinjer. Disse optiske modusene er såkalte "hviskende galleriemoduser" (WGM). Begrepet "hviskende galleri" stammer fraSt. Pauls katedral i London, hvor lydbølger forplantes langs omkretsen av veggen, slik at hvisket blir hørt av en person på den andre siden av galleriet. Fordi lysets bølgelengde er på sub-mikrometer skalaen, som er langt mindre enn lydbølger, er en slik stor kuppel ikke nødvendig for WGM av lys: små, mikrometer-skala, veldefinerte fartøy, som mikrosfærer, microdiscs , Og mikrokrystaller, oppfyller WGM-betingelsene.
Ligning 1 er en enkel form for WGM resonerende tilstand 21 :
Nπd = lλ (1)
Hvor n er brytningsindeksen til resonatoren, d er diameteren, l er heltallstallet, og λ er lysets bølgelengde. Den venstre delen av (1) er den optiske banelengden gjennom en sirkelspredning. Når den optiske banen sammenfaller medHeltall multipel av bølgelengden, oppstår resonans, mens den andre bølgelengden reduserer lysbølgen ved avrunding.
Dette papiret introduserer flere eksperimentelle metoder for å fremstille mikrosfærer for WGM resonatorer fra konjugerte polymerer i oppløsning: dampdiffusjon 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 29 , 30 , mini-emulsjon 31 og grensesnittutfelling 32 . Hver metode har unike egenskaper; For eksempel gir diffusjonsmetoden veldefinerte mikrosfærer med svært høy sfærisk og glatte overflater, men bare lavkrystallinitetspolymerer kan danne disse mikrosfærene. På den annen side, for mini-emulsjonenMetode, forskjellige typer konjugerte polymerer, inkludert høymikrystallinske polymerer, kan danne sfærer, men overflatemorfologien er dårligere enn den som er oppnådd fra dampdiffusjonsmetoden. Grensesnittutfellingsmetoden er å foretrekke for å lage mikrosfærer fra fargedopte, ikke-konjugerte polymerer. I alle tilfeller spiller valg av løsningsmiddel og ikke-løsningsmiddel en viktig rolle i dannelsen av sfærisk morfologi.
I andre halvdel av dette papiret presenteres μ-PL og mikro-manipulasjonsteknikker. For μ-PL-teknikken dispergeres mikrosfærene på et substrat, og en fokusert laserstråle, gjennom et mikroskoplinser, brukes til å bestråle en enkelt isolert mikrosfære 24 . Den genererte PL fra en sfære er detektert av et spektrometer gjennom mikroskoplinsen. Flytte prøvefasen kan variere posisjonen til eksitasjonspunktet. Deteksjonspunktet er også variabelt ved å vippe kollimatoroptikken til exciLaserstråle med hensyn til den optiske akse av deteksjonsbanen 28 , 32 . For å undersøke intersphere light propagation og bølgelengde konvertering, kan mikro-manipulasjon teknikken brukes 32 . For å koble til flere mikrosfærer med forskjellige optiske egenskaper, er det mulig å hente en sfære ved hjelp av en mikronål og sette den på en annen sfære. I forbindelse med mikromanipuleringsteknikkene og μ-PL-metoden kan forskjellige optiske målinger utføres ved bruk av konjugerte polymersfærer, som fremstilles ved en enkel selvmonteringsmetode. Dette videopapiret vil være nyttig for lesere som ønsker å bruke myke polymermaterialer til optiske applikasjoner.
The selection of a good solvent and non-solvent is very important for the self-assembly of well-defined microspheres. If the solubility of a polymer is too high, precipitation will not occur. Also, in general, π-conjugated polymers are hydrophobic, so polar non-solvents, such as MeOH, acetonitrile, and acetone, are often used in the vapor diffusion method to minimize the surface energy required to form a spherical shape. The interface precipitation method is often adopted for the preparation of dye-doped polymer mic…
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble delvis støttet av KAKENHI (25708020, 15K13812, 15H00860, 15H00986, 16H02081) fra JSPS / MEXT Japan, Asahi Glass Foundation og University of Tsukuba Pre-strategisk initiativ, "Ensemble of Light med saker og liv."
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 | |
laser_355 nm | CNI | MPL-F-355-10mW | |
Spectrometer | Lambda Vision | LV-MC3/T | |
Homogenizer | Microtech Nichion | Physcotron NS-360D | |
micromanipulation | Microsupport | Quick Pro QP-3RH |