Summary
מפורט במסמך זה הם הפרוטוקולים מבצע והרכבה של פלטפורמה ההקרנה microfluidic מודולרי עבור האפיון שיטתית של מוליכים למחצה colloidal nanocrystal syntheses. דרך מערכת מתכוונן במלואו הסדרים, אוסף ספקטרה יעילים ביותר עשוי להתבצע על פני 4 סדרי גודל סולמות זמן התגובה בתוך מרחב הדגימה שבשליטת העברת מסה.
Abstract
Nanocrystals colloidal מוליכים למחצה, המכונה קוונטית נקודות (QDs), הם שיעור בצמיחה של חומרים בתחום האלקטרוניקה המסחרי, כגון אור פולטות דיודות (נוריות), photovoltaics (PVs). בקרב קבוצה זו גשמי, perovskites אי-אורגנית/אורגני הראו שיפור משמעותי ופוטנציאל לעבר ייצור PV יעילות גבוהה, בעלות נמוכה בשל תשלום גבוה המוביל mobilities ואורך שלהם. למרות הזדמנויות פרוביסקיט QDs ביישומים PV ל- LED בקנה מידה גדול, חוסר הבנה בסיסי ומקיף של מסלולים הצמיחה שלהם יש עכבות ההסתגלות שלהם בתוך nanomanufacturing רציף אסטרטגיות. גישות ההקרנה מסורתי המבוסס על הבקבוק הם בדרך כלל יקרים, עתירי עבודה, מדויק עבור ביעילות אפיון רחבה פרמטר space וסינתזה המגוון רלוונטי colloidal QD תגובות. בעבודה זאת, פלטפורמה עצמאית לחלוטין microfluidic מפותחת ללמוד באופן שיטתי את החלל פרמטר גדולים הקשורים הסינתזה colloidal של nanocrystals בתבנית זרימה רציפה. באמצעות היישום של רומן תרגום שלוש יציאות זרימה תא ויחידות הרחבה מודולרית הכור, המערכת עשויה במהירות לאסוף פלורסצנטיות ספקטרום בליעה על פני הכור אורכים החל 3-196 ס מ. אורך מתכוונן הכור לא רק decouples residence מעת ההעברה המוני תלוית מהירות, זה גם משפר באופן ניכר את שיעורי דגימה וצריכת כימי בשל אפיון 40 ספקטרום ייחודי בתוך יחידה מערכת equilibrated. שיעורי דגימה עשוי להגיע עד 30,000 ספקטרום ייחודי ליום, ולכסות התנאים 4 סדרי גודל מגורים פעמים החל 100 ms - 17 דקות. יישומים נוספים של מערכת זו תשפר באופן משמעותי את קצב ודיוק של גילוי גשמי, הקרנת בעתיד מחקרים. מפורטים בדוח זה הן מערכת חומרים והפרוטוקולים הרכבה עם תיאור כללי של דגימה אוטומטית תוכנה, עיבוד נתונים לא מקוונים.
Introduction
כניסתו של מוליכים למחצה nanocrystals, במיוחד נקודות קוונטיות, מונע על התקדמות משמעותית חומרים אלקטרוניים מחקר וייצור. לדוגמה, מציג נקודה קוונטית נוריות1 כבר יושמו ב זמינים מסחרית "QLED". לאחרונה בין מחלקה זו של מוליכים למחצה, perovskites, עוררו עניין משמעותי ומחקר כלפי טכנולוגיות PV יעילות גבוהה, בעלות נמוכה. מאז ההפגנה הראשונה של PV מבוססי פרוביסקיט בשנת 2009,2 מעבדה-סולם כוח יעילות המרה פרוביסקיט מבוססי תאים סולריים גדל בקצב חסר תקדים על ידי כל טכנולוגיה PV בהיסטוריה. 3 , 4 בנוסף האינטרס המניע PVs מבוססי פרוביסקיט, מגוון שיטות האחרונות המתארת את הסינתזה colloidal נתיישב של פרוביסקיט nanocrystals יצרו את ההזדמנות נמוכים, פתרון שלב עיבוד QDs פרוביסקיט ב אלקטרוניקה מסחרית. 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14
במאמץ לקראת nanomanufacturing בקנה מידה גדול של פרוביסקיט colloidal QDs, יסוד הבנה טובה יותר של המסלולים צמיחה nanocrystal ושליטתה האפקטיבית של התנאים התגובה חייב תחילה להתפתח. עם זאת, במחקרים קיימים של תהליכים אלה צריכים לסמוך באופן מסורתי על גישות הבקבוק. אצווה סינתזה אסטרטגיות מציגים מגוון רחב של מגבלות הטבועות מבחינת אפיון חומרים והפקה, אבל באופן משמעותי ביותר, טכניקות מבוססות על הבקבוק הן מאוד לא יעיל של הקרנת קודמן וזמן הצריכה, להדגים הבקבוק העברה המונית תלויי-גודל נכסים, אשר מעכבים סינתזה בעקביות. 15 ללמוד ביעילות של המסלולים צמיחה של מוליכים למחצה colloidal nanocrystals על פני מגוון גדול של הליכים syntheses שדווחו, בתוך החלל רחב מדגם רלוונטי, טכניקה הקרנה יעיל יותר הוא נדרש. בשני העשורים האחרונים, מגוון של אסטרטגיות microfluidic פותחו עבור מחקרים של nanocrystals colloidal מינוף נמוכות משמעותית בצריכת כימיקלים, הנגישות של שיטות ההקרנה תפוקה גבוהה, ואת הפוטנציאל תהליך יישום שליטה במערכות סינתזה רצופה. 12 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20
בעבודה זאת, מדווחים את העיצוב והפיתוח של פלטפורמת microfluidic אוטומטיות להוראת תפוקה גבוהה בחיי עיר nanocrystals colloidal מוליכים למחצה. רומן תרגום תא זרימת העיצוב המודולרי מאוד, השילוב של כורים off-the-shelf צינורי וחיבורים fluidic ליצור פלטפורמה ייחודית וניתנת להתאמה reconfigurable עם ישיר ביישומים גילוי ההקרנה, אופטימיזציה של colloidal nanocrystals. ניצול היכולת translational של הטכניקה לזיהוי שלנו (קרי, תא שלוש יציאות הזרימה), בפעם הראשונה, נדגים את שיטתית סופגת של ערבוב ותגובה צירי זמן, תוך שיפור בו זמנית הדגימה המחירים יעילות ואוסף זרימת נייח מסורתי תא גישות. הניצול של פלטפורמה זו מאפשרת ההנדסה תפוקה גבוהה ומדויקת הלהקה-פער של syntheses colloidal nanocrystal לקראת אסטרטגיות nanomanufacturing מתמשך.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. כור הרכבה
איור 1 . איור שלב אחר שלב של תהליך ההרכבה של פלטפורמה מדגם. הלוחות מראה דוגמה שלב אחר שלב של תהליך ההרכבה פלטפורמה דוגמת המפרט (i) הסידור הראשוני של שלב התרגום ומחזיקים אופטי פוסט על הלחם הרכבה רחב, (ii) הרכבה של הצינור קודמן הרכבה הבמה ו זרימה תא על ההודעות אופטי, (iii) ההחזקה של הצנרת microfluidic לצומת מותאם אישית קרוס-אשר נמצאת תחת שקיפות לחשוף מסלולים זרימה, (iv) הבטחת שלומו של הצנרת קודמן בזמן בו זמנית מיקום יחידת הדגימה הראשונה, (v) הקשר עוקבות של יחידות דגימה נוספות עם הצנרת הכור לרוץ דרך כל מודול יחידות הרחבה (vi) מסלול אבובים של הכור, (vii) הבטחת שלומו של יחידת הדגימה האחרונה כדי לתמוך את המבנה ואת ההודעות אופטי. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
הערה: עקב מגוון רחב של תצורות אפשריות, תהליך ההרכבה המדויק של פלטפורמת microfluidic עשוי להשתנות; עם זאת, שיטות כלליות זהים עבור כל הסידורים. מפורט להלן, באיור 1 הוא תהליך ההרכבה פלטפורמה עבור תבנית זרימה קודמן 2, שלב רב עם יחידת הרחבה יחיד אחרי היציאה הדגימהה 14.
- לאבטח את הבמה תרגום ורשום לבעלי בממרח אופטי. להתחבר לצומת הרכבה התא הבמה ואת זרימת ההודעות, להדק אותם על הבמה.
- תיל לאורך צינור הכור, קודמן להאכיל קווים לצומת-קרוס מותאם אישית ולהאכיל את הצנרור דרך הערוצים על הבמה המוגבהת. ודא כי כל אחד מהמקטעים אבובים הוא חתך לאורך העשוי להגיע בנוחות את המבחנה משאבה או אוסף של מזרק בהתאמה.
- להתחבר היחידה בנמל הדגימה הראשונה הבמה צומת והדקו את הכיסוי קו קודמן לבמה הרכבה מוגבה, אבטחת כל הרכיבים צינורי ויחידת הדגימה הראשונה במקום.
- הוסף נוספים הכור מודולרית יחידות על-ידי הפעלת הצנרת הכור באמצעות הרכיב הרצוי וחיבור המקטעים לשאר המבנה שהורכב. לבנות את היחידות מצומת עד לאורך הרצוי, סידור מתקבל.
הערה: הצנרת הכור יתאימו בחוזקה בתוך כל יחידה. דפורמציות של הצנרת (מתיחה, crimping, וכו ') להשפיע באופן משמעותי על עוצמת האות האופטי. - הדקו את מבנה התמיכה לשקע מקטע הדגימה האחרונה ולאבטח את התמיכה לעמדות אופטי המחובר מאוד לא סביר.
- להתחבר את קווי הזנה של מערכת הזרימה משאבות מזרק מבוקר-מחשב ולהאכיל בשקע המגיב לתוך חנקן גז בלחץ (psig ~ 12) אוסף בקבוקון.
- להתחבר 3 סיבים אופטיים תיקון עצמם ליציאות תא זרימה 3, לצרף את קצוות נגדיים ספקטרומטר LED, מקור האור דאוטריום-הלוגן (DH) בהתאמה. ודא שהכבלים מסוגל לנוע בצורה חלקה עם אורך מלא של השלב תרגום וללא מאמץ מיותר כלשהו על החיבור שלהם עם התא זרימה להשלמת ההרכבה פלטפורמה (כפי שמוצג באיור2).
2. הכנה קודמן
הערה: תגובת מערכת הסינון ניתן להחיל את הסינתזה של nanocrystals מוליכים למחצה colloidal שונים; עם זאת, לצורך פיתוח פלטפורמה אימות, סינתזה פרוביסקיט3 CsPbBr, מ. ווי et al. 6 כדי שיתאים יותר זרימה ניתוחים, שימש לתגובה חקר מקרה. תהליך הכנה מקדים מפורט להלן.
- להכין 15 מ"ל של קודמן ברומיד 0.013 M על-ידי שילוב 109 מ ג של tetraoctylammonium ברומיד 1 מ"ל של חומצה אולאית, מ 14 ל טולואן בבקבוקון 20-mL אטום.
- ומערבבים את התערובת נמרצות בטמפרטורת החדר עד מתקבל פתרון ברור.
- להכין מ 48 ל ז 0.0021 קודמן צסיום-עופרת על ידי הראשון המשלב mmol 0.6 של צסיום הידרוקסיד, 0.6 mmol של תחמוצת lead(II), 3 מ ל חומצה אולאית בקבוקון 8-mL אטום עם מחצה.
- פירס מחצה עם מחט לאוורור, מחממים את הפתרון ב 160 ° C באמבט שמן ומערבבים נמרצות זה עד טפסים פתרון ברור (כ- 15 דקות).
- להעביר את הבקבוקון ואת המחט תנור לחמם אותם ב 120 ° C עבור 1 h, ולאחר מכן הסר את המחט אוורור ומאפשרים לתמיסה להתקרר לטמפרטורת החדר באוויר הפתוח.
- להוסיף 0.5 מ"ל של תערובת צסיום-עופרת ריכוז גבוה מ 47.5 ל טולואן בבקבוקון 50-mL אטום ומערבבים נמרצות.
- לטעון למבשר ברומיד לדלל למבשר צסיום-עופרת לתוך מזרקים בהתאמה שלהם, להתחיל בתהליך אפיון אוטומטית על-ידי זרימת ביחד את שני סימנים מקדימים התנאים הרצויים (ראה שלב 3).
הערה: עבור מפורטים תחת נציג תוצאותהניסויים, יחסי נפח הזרקה של 6.4:1 של צסיום-עופרת ברומיד, 1:1 של שלב המוביל גז לנוזל נטו שימשו במחירים תזרים סה כ משתנה.
3. ממשק מבצע
הערה: מכלול איסוף הנתונים מתבצע באמצעות פלטפורמת תגובה אוטומטית לאחר שהמשתמש מציין שורה של תנאי הזרימה להיבדק. כללי נהלי הפעלה בממשק המשתמש בתקופה זו קלט הראשונית מפורטים להלן.
- פתח את התוכנה אוטומטית כדי להציג למשתמש ממשק הלוח הקדמי (ראה איור3).
- להזיז ללוח ספקטרומטר הגדרות ולהתחיל למלא כל תשומות.
- הדבק את נתיב הקובץ על הנתונים הרצויים שמירת תיקיה בתיבת הקובץ בסיס עבור הנתונים .
- תחת ספקטרומטר ויזה, בחר את הכתובת חיבור USB עבור ספקטרומטר. אם הכתובת USB ספקטרומטר אינו ידוע, לזהות את המיקום שלו דרך שולחן העבודה של מנהל ההתקנים דף.
- בחר זמן אינטגרציה, מספר ספקטרה את הממוצע עבור דגימה, ואת מספר ספקטרה לשמור לכל תנאי הקליטה (Abs) וגם קרינה פלואורסצנטית (שפעת). במקרה של הסינתזה מפורט בשלב 2, להגדיר זמן בלתי-שילוב של 12 מילישניות לקליטה ו ms 4 עבור ידי קרינה פלואורסצנטית בממוצע מעל 10 ספקטרה.
- אם אפיון זרימה חד-פאזי, להתקדם אל השלב הבא, עוזב את לחצן Multiphase . אם אפיון זרימה מרובה שלב, בחר בלחצן ' Multiphase ', להגדיר את משך דגימת המינימלי כך תנודות גז נוזלי מלאה כ- 2 רשאי לעבור נקודת דגימה. לאחר מכן להקצות את מספר הדגימות לקחת בתוך החלון הדגימה.
הערה: הזמן-רזולוציית דגימה בתוך תקופה מרובת זרימה מוגבלים על פי ההגדרות ספקטרומטר ולאחר התאמות עשוי להיות נחוץ אם מחפש רזולוציה גבוהה יותר.
- להזיז ללוח משאבה תצורה ולהתחיל למלא כל תשומות.
- תחת מזרק 1 COM, עם מזרק 2, ו- COM משאבה כפולה, להקצות כתובות תקשורת USB כל משאבות. ראה שלב 3.2.2 בתהליך זיהוי הכתובות.
- הגדר את המזרק קטרים הפנימי, אשר ניתן למצוא על הממשק משאבה או בתוך המדריכים מזרק, עבור מזרקים כל שימוש. עבור תצורות שלא ליישם כל מזרקים, יוצאים על הקוטר מזרק מיותר לערכי ברירת המחדל.
- אם אוסף הקליטה הפניה ספקטרה, לזהות ריק פתרון מקובל לטעון אותה לתוך מזרק מצורף, להגדיר את המזרק בהתאמה לקצב הזרימה מתון (כ-300 µL/דקה) בהתאמה תיבת קצב הזרימה Ref .
- מעבר לחלונית ' ' קביעת תצורת המערכת ולהתחיל מילוי כל תשומות.
- אם המיקומים הבמה מוטבו מוצגים כראוי תחת תפקידים שלב, בחר בלחצן המיקום הקודם השתמש ולעבור לשלב הבא. אם המיקומים הבמה לא מוטבו, הקצה גודל חלון מיקום הבמה וקשר את העמדות הבמה משוער (בטווח עמדה) באמצעות וקטור. csv ותיבת נתיב הקובץ . להשאיר את הבמה קבועה ב- 0.5 מ מ ובתיבה עובר הפעלה ב-8.
- חישוב הנפח של המקטע הכור במרכז הצומת לנמל הדגימה האחרונה, קלט את הערך לתוך תיבת האחסון של המערכת . להשאיר זמן שיווי משקל מינימום 10 s.
- בדוק היטב את הדיוק של כל תשומות, בחר לחצן הפעל בחלק העליון השמאלי של הממשק.
הערה: כניסות בלוח הקדמי לא ניתן לשנות, ברגע התוכנה החלה פעולתו. - בחלון שמור הפניה ספקטרה , בחר כן אם ספקטרום הפניה יישמרו או לא אם כן.
- בחלון להגדיר תנאי זרימה המחירים , בחר תצורות קצב הזרימה הרצויה עד 30 כדי לבדוק, השארת כל מזרק שאינם בשימוש תשומות ריק.
- בחר אישור , תאפשר למערכת להתחיל לפעול עד שיש כבר לטעום כל התנאים הרצויים; המערכת כיבוי בכוחות עצמו. אם המערכת צריכה להיעצר מסיבה כלשהי, בחר בלחצן לעצור מוקדם ולאפשר את תהליך לסגור.
התראה: שימוש לבטל את כפתור בצד שמאל למעלה של הממשק לא תאפשר המערכת לסגור את משאבות או מקורות אור, שעשויות להיות פגיעה ציוד או התחזות מהוות סיכון בריאותי משמעותי באמצעות חשיפה אור UV.
4. Pathlength תיקונים
- כדי להשיג את המתאם תיקון pathlength עבור כל יציאה, תחילה להזריק פתרון יציב של perovskites התפזרו טולואן לתוך המקטע הכור עד הצנרת הכור מתמלא בצורה אחידה.
- בניהול תהליך דגימה אוטומטית על פתרון אחיד זה עבור 4 עובר מלא של הזרם תא (ראה שלב 3 עבור ההליך מבצע).
- להחיל תיקונים בסיסית עבור קרינה פלואורסצנטית והן ספקטרום בליעה, אז הממוצע הכולל עבור עובר לפי מיקום נמל. לנרמל את עקומות כל התייחסות עוצמות גל-455 nm ו 485 nm הקליטה, קרינה פלואורסצנטית בהתאמה (ראה איור 4).
- השתמש פקטור הנירמול מחושב על כל יציאה לשינוי גודל פרופורציונלי העקומות של הספקטרום עוקבות.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
לטעום ספקטרה: ניצול פלטפורמת microfluidic נדונה, השלבים התגרענות וצמיחה של מוליכים למחצה colloidal nanocrystals בטמפרטורה סינתזה יכול ישירות להילמד על ידי ניטור הזמן-האבולוציה של ספקטרום קרינה פלואורסצנטית ורפואה של nanocrystals בנוי מתחת למדים ערבוב תנאים. איור 5 A מציג ערכה דוגמה של ספקטרה שהושג בתוך ממכה אחת של התא זרימה שלוש יציאות. בעוד ההפצות גל פליטה לבד לספק תובנות בעלות ערך כלפי יישומים ב- LED באיכות גבוהה ייצור, הולם את האנרגיות bandgap ורפואה פליטה בתוך מודלים קירוב המסה האפקטיבית השפעול מאומתים תאפשר את ניטור רציף של הפצות בגודל ננו-חלקיק ברחבי syntheses. 14 קבוצות שוות ערך של ספקטרה התקבלו ב כור אורכי, אשר אפשרה עבור אוסף נתונים מעבר מגורים פעמים פורש 100 ms - 17 דקות והתעריפים זרימה משתנה.
Nanocrystals kinetically tunable: הדפוסים axisymmetric recirculation הנוצרת בתוך המקטעים נוזלי של זרימה מרובה שלב מאפשר לשלוט תלוית מהירות העברה המונית. 21 מחקר ציר הזמן ערבוב כדי זמן מגורים תלוית מהירות הפגינו את tunability קינטי במשעולים צמיחה nanocrystal עבור QDs פרוביסקיט (ראה איור 5B). פלטפורמה מודולארית מפותחת שלנו מאפשר, לראשונה, מחקר שיטתי של אפקט הזמן ערבוב בשלב מוקדם על מאפיינים אופטיים הסופי של nanocrystals בנוי. דרך בווריאציות מהירות הקליע תגובתי, תוך שמירה על כל שאר הפרמטרים הקבוע, הבדל שיא פליטת אורכי גל גדול כמו 25 ננומטר בזמן מגורים המקביל נצפתה. הערכות נוספות של מערכת colloidal מאויר ההבדל שנצפה פליטה גל נשמר ב- residence יותר פעמים, וכתוצאה מכך nanocrystals יציב, kinetically tunable. 15
איור 2 . מלא התאספו התגובה האוטומטית הקרנת פלטפורמה. איור זה מציג תגובה אוטומטית שהרכבתם הקרנת פלטפורמה עם יחידת הרחבה כור יחיד בין של 14ה 15th בנמל הדגימה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 3 . ממשק משתמש עבור פעולה פלטפורמה אוטומטית. לוח זה מראה את הממשק למשתמש, המאפשרת שליטה, כוונון של פרמטרים כגון שיעור זרימת מזרק, ספקטרומטר תנאי מדידה, ו דגימה מיקום, לצורך האפיון על פני מגוון רחב של מוליכים למחצה colloidal nanocrystal syntheses. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 4 . תהליך לתיקון pathlength. לוח זה מראה את התהליך עבור תיקון pathlength באמצעות יציאת באמצעות. ספקטרום בליעה אסף דיגום מעל 20 עם B. הספקטרום מנורמל ביחס ספיגת-455 ננומטר על פתרון של colloidal CsPbBr3 perovskites התפזרו טולואן ו- C. ספקטרה בהתאמה פוטולומיניסנציה (PL) D. מנורמל עוצמת האות 485 ננומטר. מ אפס. et al. 15 עם אישור של החברה המלכותית לכימיה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 5. לדוגמה ספקטרה והדגמות על tunability קינטי. לוחות אלה מראים A. הקליטה (א) ואת ספקטרום קרינה פלואורסצנטית (I) אספו בתוך ממכה אחת של התא זרימה טורבולנטית רב פזית, תגובתי CsPbBr3 פרוביסקיט המערכת נע במהירות חילזון בממוצע של 0.2 ס"מ/s ו- B. אורך הגל פלורסצנטיות שיא (λP) כפונקציה של הזמן מגורים המותווים עבור מהירויות שונים חילזון בממוצע 11 ועד 130 מ מ 0.6/s עם ספקטרום קרינה פלואורסצנטית מדגם שמוצג ב- residence פעמים ו עצלנים המהירויות של 200 s ו- 1.0 מ מ/s (למעלה) , 0.9 s 75 מ מ/s (באמצע), ואת 0.9 s ו- 130 מ מ/s (למטה). מ אפס. et al. 15 עם אישור של החברה המלכותית לכימיה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 6 . תרשים זרימה של תהליך עבור תהליך איסוף נתונים תוכנה הכוללת. זה כולל האתחול של החומרה תהליך, בתהליך הדגימה רקורסיבית הכיבוי הסופי של הפלטפורמה. מ אפס. et al. 15 עם אישור של החברה המלכותית לכימיה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 7 . תרשים זרימה של תהליך תוכנה אוטומציה עבור שיטת הקצאת מיקום נמל. האלגוריתם יפעיל לראשונה מספר מסוים של ייצוב עובר של התא זרימה ואחריו זיהוי יציאה אופטימלית באמצעות ספקטרומטר הקריאה של עוצמת האות LED. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 8 . לטעום בידוד שלב רב ספקטרה. לוחות אלה מראים הבידוד שלב רב ספקטרה לדוגמה עבור A. קרינה פלואורסצנטית ב 500 nm ו- B. ספיגת-380 nm לאורך זמן פתרון של perovskites התפזרו טולואן. האזור הירוק מציין את טווח השעות דגימה אידיאלי. לוח ג. מראה ספקטרום בליעה (פתרון fluorescein) השוואת שיטות לדיגום שלב רב בכל הקשור מהירות הקליע. "דט" מציין כי האלגוריתם זיהוי הכנס היה מוחל, "ממוצע" מציין כי הדגימות היו השתלטו במרווחי זמן שווים של זמן, בממוצע ביחד. שימו לב כי שיטת זיהוי הכנס שהוחל ספקטרה המקביל שבלולים המיוצר לנוע לאט יותר כממוצע פשוטה של מערכת מהירות גבוהה יותר. מ אפס. et al. 15 עם אישור של החברה המלכותית לכימיה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 9 . הפגנה של יציבות המדידה על פני הבמה עובר. זוהי הפגנה של יציבות המדידה על פני הבמה עובר באמצעות. עוצמת אות הקליטה ב 500 nm ו- B. עוצמת קרינה פלואורסצנטית ב 380 nm על הפניה טולואן מנורמל לפי מיקום נמל ו בממוצע מעל 30 עובר מלא של התא זרימה. קווי השגיאה מצביעות על סמך של 95%, אין ערכים חרג מעבר ± 1% מהממוצע קריאה. מ אפס. et al. 15 עם אישור של החברה המלכותית לכימיה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
אוטומטי מערכת דגימה: הפעולה האוטונומית של פלטפורמת הסינון מתבצע עם אוטומט נקודות קצה שליטה מרכזית. התנועה בין מצבים אלו מתרחשת ברצף מקטעים רקורסיביים מרובים כדי לאפשר פעולה על פני מספר משתנים התנאים הדגימה. ניתן לחלק את הפקדים מערכת כללי 3 שלבים הליבה. ראשית, המערכת מתחיל שלב האתחול, אשר יוצר תקשורת דרך כל רכיב שבשליטת USB, אוטומטית מגדיר קובץ שמירת מסלולים, ומציג בקשה לקלט משתמש ראשונית. התוכנית פועלת אז דרך תהליך הדגימה עבור כל תנאי התגובה שהוזן עד שכל הנתונים הרצויים שנאספו. לבסוף, לאחר סיום תהליך החזרת כל החומרה לנקודת ההתחלה לפני סיום פעולת ה-script. התנועה הכללית בתוך תוכנה זו מפורט ב איור 6.
פורט זיהוי: במסגרת אוטומציה העיקריים הם מספר subfunctions קריטי המאפשרים אפיוני תגובה אפקטיבי ויעיל. קודם כל, איור 7 מראה חלק קטע "אתחול" איפה העמדות בנמל הדגימה מוגדרים לבמה תרגום. פונקציית זיהוי יציאת מייצבת קודם על קטע הכור מאת מחקה את תנועת התא זרימה לאורך הכור עבור 8 עובר מלא. ואז זה מזהה את המיקום יציאה אופטימלית על ידי דגימה עוצמת קרינה פלואורסצנטית על פני חלון 1 מ מ סביב המיקום המשוער ובחירת המיקום של העוצמה המקסימלית. מיקום זה הוא לשמור עבור כל יציאה, משמש את העמדות הבמה במהלך הליכי הדגימה הבאים.
החלפת מקור אור: ספקטרום ספיגת, קרינה פלואורסצנטית יעיל דגימה בתוך התא שלוש יציאות זרימה מבוצע עם מקור אור אוטומטית החלפת המערכת. בהגיעם לנמל דגימה, ספקטרה 10 עבור שני ספיגת במועד אינטגרציה 15-ms וזריחה בכל פעם לשילוב 4-ms שייאסף בגברת קטנה כמו 400 בעת העברת בין מיקומי הדגימה, המנורה DH והן LED הם לחוץ את. בהגיעם לנמל הדגימה הרצוי, המנורה DH המופעלת על ולאחר קביעת התנאים דגימה ספיגת-ספקטרומטר, ואחריו איסוף הדגימה. המנורה DH אז לחוץ, בעוד ה-LED לחוץ על. תהליך הדגימה שחוזר עבור התנאים פלורסצנטיות, שני אורות ואז כבויים.
להרביץ זיהוי: במערכות זרימה שלב מרובה, איסוף הדגימה יעיל דורש שילוב של טכניקות דגימה, אשר תלויים המהירות של הקליע נע. מהירות הקליע הסף שבו אלגוריתם זיהוי הופך פחות יעיל מאשר בממוצע פשוט נמצאה מתרחשים כ 11 מ מ לשנייה. במקרה של מערכות מהירות נמוכה, ספקטרה יחיד הדגימה מתבצעת במרווחים אחידים על פני אורך משוער של שבלולים נוזלים 2 (כ 1 ס מ). בתוך ספקטרום שהושג בתהליך זה הדגימה, ספקטרום אופטימלית 10 במרכז נוזלים בצובר של התולעת מבודדים באמצעות 5 הנקודות מקומיות שונות של אורך גל מסוים לאורך זמן - 400 nm פלורסצנטיות, 380 nm עבור ספיגת - כפי שמוצג איור 8. בתוך מערכות נוזל מהירות גבוהה יותר, אולם, החלון זמין דגימה של קליע בודד נע עולה קצב הדגימה האפקטיבי ספקטרומטר. במקרים אלה, ממוצע של יחד 10 ספקטרה שנאספו על מרווחי אחיד נמצאה כדי להספיק.
מפרט המערכת: באמצעות היישום של מספר יחידות הרחבה 87 ס מ, דגימה יציאות עשוי להיות מוצב הכור צינורות באורכים משתנים 3-196 ס מ. השילוב של משתנים המחירים זרימה ותנועה זרימה-תא מאפשר בחיי עיר רפאים אפיון-residence פעמים החל 100 ms - 17 דקות עם קצב דגימה גבוה כמו ספקטרה 30,000 ליום. יתר על כן, כל ספקטרום בליעה או קרינה פלואורסצנטית הושג עם ובמיוחד כימי הצריכה הנמוכה, הדורשים µL רק 2 לכל ספקטרום בזמנו של µL מדגם ו- 20 לכל ספקטרום הכללית (מהאתחול לשם כיבוי). זה קצב הדגימה גבוהה ויעילות ניתן לייחס את האוסף של עד 40 ספקטרום ייחודי בתוך מערכת equilibrated יחידה דרך התא זרימה התרגום. לאחר החלת את הכור מייצב, יציאה יישור ותהליכים pathlength תיקון, הוצגה הפלטפורמה מדויק עבור מעל 30 עובר מלא של התא זרימה (איור 9). באפיון של עוצמות האות מקור האור בהתאמה על הפניה טולואן, התברר כי השגיאה בסעיפים של אורך גל מסוים עבור כל יציאה נותר בתוך 1% על פני כל עובר 30 בקרינה פלואורסצנטית והן לקליטת אותות. היציבות במערכת מדידה הכור מופעל מחקרים גשמי מקיפים גילוי ההקרנה, אופטימיזציה יבוצע עם התערבות ידנית מינימלית, וכתוצאה מכך איסוף נתונים עקביים יותר מאותו סוג של סימנים מקדימים.
מורחבת מרחב הדגימה: לעתים קרובות היה הימם את היחס בין מהירות נוזלים וזמן מגורים ב סינתזה הקיים הקרנת מחקרים. על אפיוני יישום תא זרימה נייח, לדוגמה, מגורים משתנה פעמים מתקבלים על-ידי התאמת המהירויות נוזלים נטו. אולם, כמפורט על ידי הערכת הקודמות tunability קינטי בצמיחה nanocrystal, שיטה זו של תגובת איפיון סביר מספיק מחקרים של מגוון רחב של מוליכים למחצה colloidal syntheses עם התגרענות מהר, קינטיקה גידול. Decoupling מגורים מעת המהירות נוזלים על-ידי החלת מערכת ניידת דיגום מרחיב את החלל דגימה באופן כולל לא נחקרו בעבר. לפיכך, מודולרי הטכנולוגיה המפותחת מאפשרת גילוי של מחקרי גישוש של הדור הבא של ננו colloidal עם הדיוק המשופר ושליטה על התנאים סינתזה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
צפון קרוליינה סטייט הגיש פטנט זמני (#62/558,155) על פלטפורמת microfluidic שנדונו.
Acknowledgments
המחברים מאשר בתודה את התמיכה הכספית שסופקו על-ידי צפון קרוליינה סטייט. מילאד Abolhasani, רוברט וו אפסס בהכרת תודה מכיר בכך תמיכה כספית מ המענק ליוזמה הזדמנויות מחקר UNC (UNC-ROI).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Toluene | Fisher Scientific | AC364410010 | 99.85% extra over molecular sieves |
| Oleic acid | Sigma Aldrich | 364525 ALDRICH | technical grade 90% |
| Cesium hydroxide (50 wt% in water) | Sigma Aldrich | 232041 ALDRICH | 50 wt% in water > 99.9% trace metals |
| Lead(II) oxide | Sigma Aldrich | 211907 SIGMA-ALDRICH | > 99.9% trace metals basis |
| Tetraoctylammonium bromide | Sigma Aldrich | 294136 ALDRICH | 98% |
| 1/16" OD, 0.04" ID FEP tubing | MicroSolv | 48410-40 | |
| 1/16" OD, 0.02" ID ETFE tubing | MicroSolv | 48510-20 | |
| 0.02" thru hole PEEK Tee | IDEX Health & Science | P-712 | |
| 1/4-28 ETFE flangeless ferrule for 1/16" | IDEX Health & Science | P-200N | |
| 1/4-28 PEEK flangeless nut for 1/16" | IDEX Health & Science | P-230 | |
| 4-way PEEK L-valve | IDEX Health & Science | V-100L | |
| Syringe pump | Harvard Apparatus | 70-3007 | |
| 8 mL stainless steel syringe | Harvard Apparatus | 70-2267 | |
| 25 mL glass syringe | Scientific Glass Engineering | 25MDF-LL-GT | |
| Optical breadboard | ThorLabs | MB1224 | |
| 300 mm translation stage | ThorLabs | LTS300 | |
| Optical post | ThorLabs | TR2-4 | TR2, TR3, or TR4 |
| Optical post holder | ThorLabs | PH4-6 | PH4 or PH6 |
| 365 nm LED | ThorLabs | M365LP1 | |
| LED driver | ThorLabs | LEDD1B | |
| 600 micron patch cord | Ocean Optics | QP600-1-SR | |
| Deuterium-halogen light source | Ocean Optics | DH-2000-BAL | |
| Miniature spectrometer | Ocean Optics | FLAME-S-XR1-ES | |
| Multifuction I/O device (DAQ) | National Instruments | USB-6001 | |
| Virtual Instrument Software | National Instruments | LabVIEW 2015 SP1 |
References
- Tan, Z. -K., Moghaddam, R. S., et al. Bright light-emitting diodes based on organometal halide perovskite. Nature Nanotechnology. 9 (9), 687-692 (2014).
- Kojima, A., Teshima, K., Shirai, Y., Miyasaka, T. Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells. Journal of the American Chemical Society. 131 (17), 6050-6051 (2009).
- Huang, H., Bodnarchuk, M. I., Kershaw, S. V., Kovalenko, M. V., Rogach, A. L. Lead halide perovskite nanocrystals in the research spotlight: stability and defect tolerance. ACS Energy Letters. 2 (9), 2071-2083 (2017).
- Grätzel, M. The light and shade of perovskite solar cells. Nature Materials. 13, 838 (2014).
- Schmidt, L. C., Pertegás, A., et al. Nontemplate synthesis of CH3NH3PbBr3 perovskite nanoparticles. Journal of the American Chemical Society. 136 (3), 850-853 (2014).
- Wei, S., Yang, Y., Kang, X., Wang, L., Huang, L., Pan, D. Room-temperature and gram-scale synthesis of CsPbX3 (X = Cl, Br, I) perovskite nanocrystals with 50-85% photoluminescence quantum yields. Chemical Communications. 52 (45), 7265-7268 (2016).
- Vybornyi, O., Yakunin, S. V., Kovalenko, M. Polar-solvent-free colloidal synthesis of highly luminescent alkylammonium lead halide perovskite nanocrystals. Nanoscale. 8 (12), 6278-6283 (2016).
- Sun, S., Yuan, D., Xu, Y., Wang, A., Deng, Z. Ligand-mediated synthesis of shape-controlled cesium lead halide perovskite nanocrystals via reprecipitation process at room temperature. ACS Nano. 10 (3), 3648-3657 (2016).
- Jellicoe, T. C., Richter, J. M., et al. Synthesis and optical properties of lead-free cesium tin halide perovskite nanocrystals. Journal of the American Chemical Society. 138 (9), 2941-2944 (2016).
- Tong, Y., Bladt, E., et al. Highly luminescent cesium lead halide perovskite nanocrystals with tunable composition and thickness by ultrasonication. Angewandte Chemie International Edition. 55 (44), 13887-13892 (2016).
- Zhang, D., Eaton, S. W., Yu, Y., Dou, L., Yang, P. Solution-phase synthesis of cesium lead halide perovskite nanowires. Journal of the American Chemical Society. 137 (29), 9230-9233 (2015).
- Lignos, I., Stavrakis, S., Nedelcu, G., Protesescu, L., deMello, A. J., Kovalenko, M. V. Synthesis of cesium lead halide perovskite nanocrystals in a droplet-based microfluidic platform: fast parametric space mapping. Nano Letters. 16 (3), 1869-1877 (2016).
- Wei, S., Yang, Y., Kang, X., Wang, L., Huang, L., Pan, D. Room-temperature and gram-scale synthesis of CsPbX3 (X = Cl, Br, I) perovskite nanocrystals with 50-85% photoluminescence quantum yields. Chemical Communications. 52 (45), 7265-7268 (2016).
- Protesescu, L., Yakunin, S., et al. Nanocrystals of cesium lead halide perovskites (CsPbX 3 , X = Cl, Br, and I): novel optoelectronic materials showing bright emission with wide color gamut. Nano Letters. 15 (6), 3692-3696 (2015).
- Epps, R. W., Felton, K. C., Coley, C. W., Abolhasani, M. Automated microfluidic platform for systematic studies of colloidal perovskite nanocrystals: towards continuous nano-manufacturing. Lab Chip. 23 (17), 4040-4047 (2017).
- Lignos, I., Protesescu, L., et al. Facile droplet-based microfluidic synthesis of monodisperse IV-VI semiconductor nanocrystals with coupled in-line NIR fluorescence detection. Chemistry of Materials. 26 (9), 2975-2982 (2014).
- Park, J., Saffari, A., Kumar, S., Günther, A., Kumacheva, E. Microfluidic synthesis of polymer and inorganic particulate materials. Annual Review of Materials Research. 40 (1), 415-443 (2010).
- Phillips, T. W., Lignos, I. G., Maceiczyk, R. M., deMello, A. J., deMello, J. C. Nanocrystal synthesis in microfluidic reactors: where next. Lab on a Chip. 14 (17), 3172-3180 (2014).
- Lignos, I., Stavrakis, S., Kilaj, A., deMello, A. J. Millisecond-timescale monitoring of PBS nanoparticle nucleation and growth using droplet-based microfluidics. Small. 11 (32), 4009-4017 (2015).
- Abolhasani, M., Coley, C. W., Xie, L., Chen, O., Bawendi, M. G., Jensen, K. F. Oscillatory microprocessor for growth and in situ. characterization of semiconductor nanocrystals. Chemistry of Materials. 27 (17), 6131-6138 (2015).
- Chen, D. L., Gerdts, C. J., Ismagilov, R. F. Using microfluidics to observe the effect of mixing on nucleation of protein crystals. Journal of the American Chemical Society. 127 (27), 9672-9673 (2005).
