Summary
Décrits dans les présentes sont les protocoles de fonctionnement et montage d’une plateforme de criblage microfluidique modulaire pour la caractérisation systématique des synthèses de nanocristaux semi-conducteurs colloïdal. Au moyen d’arrangements de système entièrement réglable, collection très efficace de spectres peut-être être menée dans 4 ordres de grandeur des échelles de temps de réaction dans un espace contrôlé par transfert de masse d’échantillonnage.
Abstract
NANOCRISTAUX SEMICONDUCTEURS colloïdal, appelée quantum dots (QDs), est une catégorie croissante de matériaux dans l’électronique commerciale, tels que la lumière électroluminescentes diodes électroluminescentes (del) et le photovoltaïque (PV). Parmi ce groupe de matériau, pérovskites organiques/inorganiques ont démontré une amélioration significative et potentiel vers la fabrication de PV haut rendement et à faible coût en raison de leurs mobilités de porteur de charge élevée et la durée de vie. Malgré les opportunités de perovskite QDs dans des applications PV et LED à grande échelle, le manque de compréhension fondamentale et complète de leurs voies de croissance a freiné leur adaptation dans les stratégies de nanofabrication continue. Les approches traditionnelles de dépistage basé sur la fiole sont généralement coûteux, fastidieux et imprécis pour caractériser efficacement la paramètre large espace synthèse variété et pertinente à des réactions QD colloïdales. Dans cet ouvrage, une plate-forme entièrement autonome microfluidique est développée pour étudier systématiquement l’espace grand paramètre associé à la synthèse colloïdale de nanocristaux dans un format de flux continu. Grâce à l’application d’un roman, traduction de cellule d’écoulement de trois ports et unités d’extension de réacteur modulaire, le système peut recueillir rapidement les spectres d’absorption et de fluorescence à travers longueur réacteur 3-196 cm. La longueur de réacteur réglable découple non seulement le temps de séjour depuis le transfert de masse dépendant de la vitesse, il améliore aussi considérablement les fréquences d’échantillonnage élevées et la consommation de produits chimiques en raison de la caractérisation des 40 spectres uniques au sein d’un même système équilibré. Taux d’échantillonnage peuvent atteindre jusqu'à 30 000 spectres uniques par jour, et les conditions couvrent 4 ordres de grandeur en résidence fois allant de 100 ms - 17 min. Autres demandes de ce système permettrait d’améliorer sensiblement le taux et la précision de la découverte de matériel et de dépistage à l’avenir des études. Détaillée dans ce rapport sont les matériaux du système et les protocoles de l’Assemblée avec une description générale du logiciel automatisé d’échantillonnage et traitement des données en mode hors connexion.
Introduction
L’avènement des nanocristaux semi-conducteurs, en particulier des points quantiques, a entraîné des progrès importants dans la recherche de matériel électronique et de fabrication. Par exemple, affiche de point quantique LEDs1 ont déjà été appliquées en « QLED » disponible dans le commerce. Plus récemment parmi cette catégorie de semi-conducteurs, pérovskites ont suscité un intérêt substantiel et la recherche vers les technologies PV à haute efficacité et faible coût. Depuis la première démonstration d’un PV de base pérovskite en 2009,2 l’efficacité de conversion énergétique de laboratoire de cellules solaires à base perovskite a augmenté à un rythme inégalé par n’importe quelle technologie PV dans l’histoire. 3 , 4 en plus de l’intérêt conduite axée sur la pérovskite PVs, une variété de méthodes récentes décrivant la synthèse colloïdale facile des nanocristaux de perovskite ont créé l’occasion pour la transformation de phase soluble à faible coût, de perovskite QDs dans électronique commerciale. 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14
Dans l’effort de nanofabrication à grande échelle de perovskite colloïdal QDs, une meilleure compréhension fondamentale des voies de croissance nanocristallins un contrôle effectif des conditions de la réaction tout d’abord il faut développer et. Cependant, des études existantes de ces processus comptent traditionnellement sur les approches axées sur le ballon. Stratégies de synthèse lot présentent une variété de limites inhérentes en matière de production et caractérisation des matériaux, mais surtout, techniques axées sur la fiole sont très inefficaces lors de dépistage de consommation de temps et précurseur et démontrer Propriétés de transfert de masse selon la taille ballon, qui inhibent la cohérence de la synthèse. 15 pour étudier efficacement les voies de la croissance des nanocristaux semiconducteurs colloïdale à travers la grande variété de procédures de synthèses rapportées et dans l’espace large échantillon pertinentes, une technique de dépistage plus efficace est nécessaire. Les deux dernières décennies, un éventail de stratégies microfluidiques ont été développées pour l’étude des nanocristaux colloïdaux s’appuyant sur la consommation de produits chimiques sensiblement plus basses, l’accessibilité des méthodes de criblage à haut débit et le potentiel pour une implémentation du contrôle de processus dans les systèmes de synthèse continue. 12 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20
Dans ce travail, nous rapportons la conception et le développement d’une plateforme automatisée microfluidiques pour le haut débit sur place les études des nanocristaux semiconducteurs colloïdal. Un roman traduisant la cellule d’écoulement, une conception hautement modulaire et l’intégration des réacteurs tubulaires sur étagère et raccords fluidiques former une plate-forme reconfigurable unique et adaptable avec des applications directes dans la découverte, le criblage et l’optimisation des NANOCRISTAUX colloïdaux. Capitalisant sur la capacité de translation de notre technique de détection (par exemple, une cellule de trois ports de flux), pour la première fois, nous démontrons que le découplage systématique des échelles de temps de mélange et de la réaction, tout en améliorant l’échantillonnage taux de rendement et collection rapport aux approches traditionnelles de flux stationnaire cellule. L’utilisation de cette plateforme permet à l’ingénierie de haut-débit et précis bande interdite de synthèses de nanocristaux colloïdaux vers des stratégies de nanofabrication continue.
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Protocol
1. assemblage du réacteur
Figure 1 . Une illustration étape par étape d’un processus d’assemblage de plate-forme échantillon. Les panneaux montre une illustration étape par étape d’un processus d’assemblage de plate-forme échantillon détaillant (i) l’accord initial de la scène de la traduction et les titulaires de poste optique sur le pain de montage large, (ii) le montage du tube précurseur stade de montage et le flux des cellules sur les postes optiques, (iii) la fixation du tube à la jonction croisée personnalisée qui relève de la transparence pour révéler des voies de circulation, (iv) la sécurisation de la tubulure de précurseur tout en positionnant simultanément la première unité d’échantillonnage, microfluidique (v) la connexion ultérieure d’unités d’échantillonnage supplémentaires avec le tube réacteur parcourent chaque module, des unités d’extension (vi) la voie de la tuyauterie du réacteur et (vii) l’obtention de l’unité d’échantillonnage final pour soutenir la structure et les postes optiques. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Remarque : En raison de la vaste gamme de configurations possibles, le processus d’assemblage exact de la plate-forme microfluidique peut varier ; Cependant, les méthodes générales sont les mêmes pour tous les arrangements. Détaillées dans la Figure 1 est le processus d’assemblage de plate-forme pour un format de deux précurseurs, multiphase flow avec une unité d’extension unique après le port de la 14ème d’échantillonnage.
- Sécuriser l’étape de traduction et poster les détenteurs de la carte de test optique. Connecter la cellule de scène et flux de montage jonction aux poteaux et fixez-les à la plate-forme.
- Raccorder les tuyaux de réacteur et précurseur nourrir des lignes à la jonction croisée personnalisée et alimenter le tube à travers les canaux dans la scène surélevée. Veiller à ce que chaque segment de tuyau est coupé sur une longueur pouvant atteindre confortablement le flacon pompe ou collection de seringue respectifs.
- Connecter la première unité de port de prélèvement d’échantillons à l’étape de jonction et fixer le couvercle de ligne de précurseur à la phase de montage surélevé, sécurisation de tous les composants tubulaires et la première unité d’échantillonnage en place.
- Ajouter des unités supplémentaires de réacteur modulaire en exécutant le tube réacteur via le composant désiré et en reliant les segments au reste de la structure de l’assemblé. Construire des unités de la jonction jusqu'à obtention de la longueur désirée et l’agencement.
NOTE : Le tuyau réacteur doit être fermement insérée au sein de chaque unité. Déformations dans la tubulure (étirement, sertissage, etc.) affectent de manière significative la force du signal optique. - Fixer la structure de soutien à la sortie du dernier segment d’échantillonnage et obtenir le soutien pour les postes optiques liés à la maquette.
- Connecter les lignes d’alimentation du système de débit à la pompe de seringue informatisé et se nourrissent de la sortie du réacteur dans un flacon de collection azote gaz sous pression (~ 12 lb/po2).
- 3 cordons fibre optique jusqu’aux ports de cellule 3 déroulement et fixez les extrémités opposées du spectromètre, LED et source lumineuse deutérium-halogène (DH) respectivement. S’assurer que les câbles sont capables de se déplacer en douceur avec toute la longueur de l’étape de traduction et sans aucune contrainte inutile sur leur lien avec la cellule de flux pour compléter l’assemblage de la plate-forme (comme illustré à la Figure 2).
2. préparation du précurseur
Remarque : La réaction de système de contrôle peut être appliquée à la synthèse de nanocristaux de semi-conducteurs colloïdal divers ; Toutefois, aux fins de développement de la plate-forme et validation, une synthèse de pérovskite CsPbBr3 , adapté de Wei et al. 6 pour mieux satisfaire les analyses de flux, a été utilisé comme une réaction de l’étude de cas. Le processus de préparation du précurseur est détaillé ci-dessous.
- Préparer 15 mL de précurseur de bromure de 0,013 M en combinant 109 mg de bromure de tetraoctylammonium, 1 mL d’acide oléique et 14 mL de toluène dans un flacon de 20 mL scellé.
- Agiter vigoureusement le mélange à température ambiante jusqu'à l’obtention d’une solution claire.
- Préparation de 48 mL de précurseur de césium-plomb M 0,0021 par première combinant 0,6 mmol d’hydroxyde de césium, 0,6 mmol d’oxyde de plomb (II) et 3 mL d’acide oléique dans un flacon de 8 mL scellé avec un septum.
- Percer la cloison avec une aiguille pour la ventilation et chauffer la solution à 160 ° C dans un bain d’huile et remuez vigoureusement jusqu'à ce qu’une forme de solution claire (environ 15 minutes).
- Déplacer le flacon et l’aiguille d’un four et réchauffer à 120 ° C pendant 1 h, puis retirer l’aiguille de l’aération et laissez agir la solution refroidir à température ambiante à l’air libre.
- Ajouter 0,5 mL du mélange forte concentration en césium-plomb à 47,5 mL de toluène dans un flacon de 50 mL scellé et remuez vigoureusement.
- Charger le précurseur de bromure et diluer le précurseur de césium-plomb dans leurs seringues respectifs et commencez le processus de caractérisation automatique en coulant les deux précurseurs ensemble dans les conditions souhaitées (voir étape 3).
Remarque : Pour les expériences détaillées sous la rubrique Représentant résultats, rapports volumétriques injection de 6.4:1 de plomb du bromure de césium et 1:1 de la phase de transporteur de gaz liquide net servaient à débits variables en total.
3. interface d’opération
Note : L’ensemble de la collecte des données s’effectue via la plate-forme automatisée de réaction après que l’utilisateur spécifie une série de conditions d’écoulement à tester. Les procédures générales pour le fonctionnement de l’interface utilisateur au cours de cette période initiale d’entrée sont détaillées ci-dessous.
- Ouvrez le logiciel de fonctionnement automatisé pour afficher le panneau frontal d’interface utilisateur (illustré à la Figure 3).
- Déplacer le panneau paramètres de spectromètre et commencer à remplir toutes les entrées.
- Collez le chemin d’accès de fichier pour les données désirées sauver le dossier dans la zone racine du fichier de données .
- Sous le VISA du spectromètre, sélectionnez l’adresse de connexion USB pour le spectromètre. Si on ne connaît pas l’adresse d’USB de spectromètre, identifier son emplacement dans la page Gestionnaire de périphériques de l’ordinateur de bureau.
- Sélectionnez le temps d’intégration, le nombre des spectres en moyenne par échantillonet le nombre de spectres à économiser par l’État pour l’absorption (Abs) et la fluorescence (grippe). Dans le cas de la synthèse détaillée à l’étape 2, sélectionnez un temps d’intégration des 12 États membres pour l’absorption et 4 ms pour la fluorescence en moyenne plus de 10 spectres.
- Si caractérisant le courant monophasé, passez à l’étape suivante, en laissant le bouton Multiphase off. Si caractérisant l’écoulement multiphase, cliquez sur le bouton polyphasique et définir la longueur minimale de l’échantillon pour qu’environ 2 oscillations de gaz-liquide complets peuvent passer le point de prélèvement. Affectez ensuite le nombre d’échantillons à prendre au sein de cette fenêtre d’échantillonnage.
NOTE : Le temps-résolution d’échantillonnage dans une phase de multiples flux peut être limitée par les paramètres de spectromètre et ajustements peuvent être nécessaires si la recherche d’une résolution plus élevée.
- Déplacez-vous sur le panneau de configuration de la pompe et commencer à remplir toutes les entrées.
- COM 1 seringue, seringue 2 COM, et Double pompe COM, attribution d’adresses de communication USB pour toutes les pompes. Voir l’étape 3.2.2 pour le processus d’identification des adresses.
- Définir les diamètres intérieurs de seringue, qui peut être présent sur l’interface de pompe ou dans les manuels de la seringue, pour toutes les seringues en cours d’utilisation. Pour les configurations n’appliquent ne pas toutes les seringues, laissez les diamètres de seringue étrangères aux valeurs par défaut.
- Si collecte des spectres d’absorption référence, identifier une solution acceptable à blanc, chargez-le dans une seringue jointe et figurant le respectifs dans la seringue respectif à un débit modéré (environ 300 µL/min) boîte de Vitesse d’écoulement de Ref .
- Déplacez-vous sur le panneau de configuration du système et commencer à remplir toutes les entrées.
- Si l’emplacement de la scène ont été optimisés et s’affichent correctement dans des postes de Stage, cliquez sur le bouton Utilisez la position précédente et passer à l’étape suivante. Si les emplacements du stade n’ont pas été optimisés, attribuer une taille de fenêtre de position scène et lier les positions scène approximative (dans le secteur de la poste) à l’aide d’un vecteur de .csv et la zone chemin d’accès . Laissez la zone de scène incrément à 0,5 mm et la boîte de Démarrage passe à 8.
- Calculer le volume du segment réacteur à partir du centre de la jonction au port d’échantillonnage final et entrer cette valeur dans la zone de volume du système . Laisser le temps d’équilibre Minimum à 10 s.
- Vérifiez l’exactitude de toutes les entrées et sélectionnez le bouton exécuter dans la partie supérieure gauche de l’interface.
NOTE : Entrées sur le panneau avant ne peuvent pas être modifiées une fois que le logiciel a commencé son opération. - Dans la fenêtre enregistrer les spectres de référence , sélectionnez Oui si les spectres de référence seront sauvegardés ou non si elles ne le seront pas.
- Dans la fenêtre définir les débits condition , sélectionnez jusqu'à 30 configurations de taux de débit souhaité pour tester, laissant toutes les entrées inutilisées seringue vide.
- Sélectionnez OK et permettre au système de fonctionner jusqu'à ce que toutes les conditions voulues ont été échantillonnées ; le système s’arrête sur ses propres. Si le système doit être interrompue pour une raison quelconque, cliquez sur le bouton arrêter tôt et permettre au processus à arrêter.
ATTENTION : À l’aide Abort bouton en haut à gauche de l’interface ne permet pas le système arrêter les pompes ou les sources lumineuses, potentiellement endommager l’équipement et/ou présentant un risque important pour la santé via l’exposition aux rayons ultraviolets.
4. Pathlength Corrections
- Pour obtenir la corrélation pathlength de correction pour chaque port, tout d’abord injecter une solution stable de pérovskites dispersées dans le toluène dans le segment du réacteur jusqu'à ce que le tube du réacteur est rempli uniformément.
- Exécuter le processus de prélèvement automatique sur cette solution uniforme pour 4 passes complètes du flux de cellules (Voir l’étape 3 pour la procédure opératoire).
- Appliquer les corrections de base pour la fluorescence et de spectres d’absorption, puis en moyenne dans l’ensemble pour les passes de l’emplacement du port. Normaliser toutes les courbes en ce qui concerne les intensités de longueur d’onde à 455 nm et 485 nm pour l’absorption et de fluorescence respectivement (voir Figure 4).
- Utiliser le facteur de normalisation calculé à chaque port à l’échelle proportionnellement les courbes de tous les spectres ultérieures.
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Representative Results
Les spectres de l’échantillon : Utilisant la plate-forme microfluidique discuté, les étapes de nucléation et croissance des nanocristaux semiconducteurs colloïdale à la température de synthèse peuvent être étudiés directement en surveillant l’évolution temporelle des spectres d’absorption et de fluorescence de la NANOCRISTAUX formé sous l’uniforme des conditions de mélange. Figure 5 A montre une série d’exemple de spectres obtenus dans un seul passage de la cellule de trois ports de flux. Alors que les distributions de longueurs d’onde d’émission seules renseignent précieux vers les applications en LED de haute qualité de fabrication, de montage les énergies d’absorption et d’émission de bande interdite au sein des modèles validés expérimentalement d’Approximation de la masse Effective permettrait une surveillance permanente des distributions granulométriques de nanoparticules dans les synthèses. 14 ensembles équivalentes des spectres ont été obtenus à débits variables et longueurs de réacteur, qui a permis pour une collecte de données dans résidence fois s’étendant sur 100 ms - 17 min.
Nanocristaux cinétiquement accordable: les patrons de recirculation axisymétrique formés dans les segments liquides d’écoulement multiphase permet la commande de transfert de masse dépendant de la vitesse. 21 une étude de l’échelle de temps mélange dépendant de la vitesse de temps de résidence a démontré l’accordabilité cinétique dans les voies de croissance des nanocristaux semiconducteurs pour les pérovskite QDs (voir Figure 5B). Notre plateforme modulaire développé permet, pour la première fois, une étude systématique de l’effet du temps de mélange précoce sur les propriétés optiques finales des nanocristaux formé. Par le biais de variations dans la vitesse de la limace réactive, tout en maintenant tous les autre paramètres constant, une différence de crête d’émission longueurs d’onde aussi grandes que 25 nm à un temps de résidence équivalente a été observée. Autres évaluations du système colloïdal illustrent que la différence observée dans la longueur d’onde d’émission a été maintenue à résidence plus long temps, ayant pour résultat des nanocristaux stables, cinétiquement accordables. 15
Figure 2 . PREMONTE réaction automatisée, plateforme de criblage. Ce chiffre montre une réaction automatique entièrement Assemblée dépistage plate-forme avec une unité d’extension de réacteur unique entre le 14ème et 15ème orifice d’échantillonnage. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 3 . Interface utilisateur pour le fonctionnement de la plate-forme automatisée. Ce panneau affiche l’interface utilisateur, qui permet le contrôle et réglage des paramètres tels que les débits de seringue, conditions de spectromètre de mesure et d’échantillonnage de position, pour la caractérisation à travers une large gamme de semiconducteurs colloïdal synthèse de nanocristaux semiconducteurs. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 4 . Procédé de correction de pathlength. Ce panneau indique le processus de correction pathlength de port en utilisant A. les spectres d’absorption recueilli plus de 20 ports d’échantillonnage avec B. les spectres normalisés à l’égard de l’absorbance à 455 nm sur une solution colloïdale CsPbBr3 pérovskites dispersée dans le toluène et C. spectres respectifs photoluminescence (PL) D. normalisés à l’intensité du signal 485 nm. Adapté de Epps et al. 15 avec la permission de la Royal Society of Chemistry. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 5. Les spectres de l’échantillon et la démonstration d’accordabilité cinétique. Ces panneaux montrent A. l’absorption (A) et les spectres de fluorescence (I) collectées dans un seul passage de la cellule de débit sur un système perovskite de3 CsPbBr multiphasique, réactif se déplaçant à une vitesse moyenne de limace d’environ 0,2 cm/s et B. la longueur d’onde du fluorescence de crête (λP) en fonction de la durée séjour tracées pour 11 vitesses différentes limace moyenne variant entre 0,6 et 130 mm/s avec les spectres de fluorescence échantillon montré à résidence fois et limaces des vitesses de 200 s et 1,0 mm/s (en haut) , 0,9 s et 75 mm/s (au milieu) et 0,9 s et 130 mm/s (en bas). Adapté de Epps et al. 15 avec la permission de la Royal Society of Chemistry. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 6 . Organigramme de processus pour le processus de collecte de données générales contrôlé par logiciel. Cela inclut l’initialisation de la quincaillerie de processus, les progressions d’échantillonnage récursive et l’arrêt définitif de la plate-forme. Adapté de Epps et al. 15 avec la permission de la Royal Society of Chemistry. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 7 . Automation logiciel processus organigramme pour la méthode de cession emplacement port. Tout d’abord, l’algorithme s’exécute un nombre spécifié de stabiliser les passes de la cellule de flux suivie d’une détection de port optimale grâce à la lecture de spectromètre de l’intensité du signal LED. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 8 . Isolement de spectres de plusieurs phases de l’échantillon. Ces panneaux montrent l’isolement de spectres de plusieurs phases d’échantillon pour A. fluorescence à 500 nm et B. absorbance à 380 nm au fil du temps pour une solution de pérovskites dispersée dans le toluène. La région verte indique la plage de temps d’échantillonnage idéal. Groupe C. montre les spectres d’absorption (solution fluorescéine) Comparaison des méthodes d’échantillonnage à plusieurs phases en ce qui concerne la vitesse de la limace. « Det » indique que l’algorithme de détection de bouchon a été appliquée, et « Avg » indique que les échantillons ont été pris en charge le même intervalle de temps et en moyenne l’ensemble. Notez que la méthode de détection plug appliqué à plus lent mouvement limaces produits équivalent spectres comme la simple moyenne du système la vitesse plus élevée. Adapté de Epps et al. 15 avec la permission de la Royal Society of Chemistry. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 9 . Démonstration de la stabilité de la mesure sur scène passe. Il s’agit d’une démonstration de la stabilité de mesure partout au stade passes en utilisant A. l’intensité du signal d’absorption à 500 nm et B. l’intensité de fluorescence à 380 nm sur une référence de toluène normalisée par l’emplacement du port et en moyenne plus de 30 passes complets de la cellule de flux. Les barres d’erreur indiquent un intervalle de confiance de 95 %, et aucune valeur ne dévié au-delà de ± 1 % de la moyenne en lecture. Adapté de Epps et al. 15 avec la permission de la Royal Society of Chemistry. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
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Discussion
Système de prélèvement automatique : Le fonctionnement autonome de la plateforme de criblage est effectué avec une machine à états finis contrôle central. Déplacement entre ces États se produit successivement avec plusieurs segments récursive pour permettre le fonctionnement à travers un nombre variable de conditions d’échantillonnage. Les contrôles de système général peuvent être divisées en 3 étapes de base. Tout d’abord, le système commence par une étape d’initialisation, qui établit des communications dans le cadre de chaque composante de contrôle USB, automatiquement définit le fichier de sauvegarde des voies et vous invite pour les entrées de l’utilisateur initial. Ensuite, le programme s’exécute à travers le processus d’échantillonnage pour chaque condition de réaction entrée jusqu'à ce que toutes les données ont été collectées. Enfin, un processus de terminaison retourne tout le matériel à la position de départ avant la fin de l’opération de script. Le mouvement général au sein de ce logiciel est détaillé à la Figure 6.
Détection de port : Dans le cadre d’automation principales sont plusieurs sous-fonctions critiques qui permettent des caractérisations de réaction efficace et efficient. Tout d’abord, la Figure 7 montre une partie du segment « Initialisation » où les positions de port d’échantillonnage sont définies pour l’étape de traduction. La fonction de détection de port stabilise tout d’abord le segment du réacteur en imitant le mouvement cellulaire écoulement le long du réacteur pour 8 passes complets. Ensuite, il détecte l’emplacement du port optimal en échantillonnant l’intensité de fluorescence à travers une fenêtre de 1 mm autour de l’endroit estimé et sélectionner la position de l’intensité maximale. Cet endroit est enregistré pour chaque port et utilisé comme les positions de la scène au cours de procédures d’échantillonnage subséquent.
Source lumineuse basculant : Les spectres d’absorption et de fluorescence efficaces d’échantillonnage au sein de la cellule de trois ports débit s’effectue avec une source de lumière automatique, activation/désactivation du système. En arrivant à l’orifice d’échantillonnage, 10 spectres pour les deux absorbance à un temps d’intégration de 15 ms et fluorescence à un 4-ms de temps d’intégration peuvent être collectées dans aussi peu que 400 Mme lors de déplacement entre lieux d’échantillonnage, les LED et lampe de DH sont basculé au loin. En arrivant au port d’échantillonnage souhaitée, la lampe de DH est déclenchée sur, et les conditions de prélèvement d’échantillons d’absorbance sont définies sur le spectromètre, suivi de prélèvement d’échantillons. La lampe de DH est ensuite basculée au loin, alors que la LED est basculée sur. Le processus d’échantillonnage est répété pour les conditions de fluorescence, et les deux voyants sont éteints puis.
Slug détection : Dans les systèmes d’écoulement multiphase, prélèvement efficace exige une combinaison de techniques d’échantillonnage, qui dépendent de la vitesse de la limace mobile. La vélocité de limace de seuil où un algorithme de détection devient moins efficace que la simple moyenne a été trouvée à environ 11 mm/s. Dans le cas des systèmes de vitesse inférieure, spectres unique d’échantillonnage est effectué à intervalles uniformes sur toute la longueur estimée de 2 limaces fluides (environ 1 cm). Dans les spectres obtenus par le biais de ce processus d’échantillonnage, les 10 spectres optimales dans le centre de liquide en vrac de la limace sont isolées à l’aide d’un écart de cinq points locaux d’une longueur d’onde donnée au fil du temps - 400 nm pour la fluorescence et 380 nm pour l’absorbance - comme le montre Figure 8. Au sein des systèmes de vitesse du fluide plus élevées, toutefois, la fenêtre d’échantillonnage d’une limace mobile unique dépasse le taux d’échantillonnage efficace du spectromètre. Dans ces cas, avec une moyenne d’ensemble 10 spectres collectés sur des intervalles uniformes s’est avérée suffisant.
Spécifications du système : Grâce à l’application de plusieurs unités d’extension de 87 cm, échantillonnage ports peut-être être positionné à des longueurs de tube réacteur variant 3-196 cm. La combinaison du mouvement de la cellule d’écoulement et de débits variables permet in situ la caractérisation spectrale à résidence fois allant de 100 ms - 17 minutes avec une fréquence d’échantillonnage plus élevée que 30 000 spectres par jour. En outre, chaque spectre d’absorption ou de fluorescence a été obtenue avec notamment faible consommation de produits chimiques, qui exige seulement 2 µL par spectres au moment de l’échantillonnage et 20 µL par spectra ensemble (à partir de démarrage à l’arrêt). Cette fréquence d’échantillonnage élevée et l’efficacité peuvent être attribuées à la collection de jusqu'à 40 spectres uniques au sein d’un seul système équilibré à travers la cellule traduction de flux. Après avoir appliqué la stabilisation du réacteur, alignement de port et les processus de correction pathlength, c’est la plate-forme qui s’est avérée exact pour plus de 30 passes complets de la cellule de débit (Figure 9). Une caractérisation des intensités du signal source lumineuse respectifs sur une référence de toluène, il a été constaté que l’erreur dans la numération d’une longueur d’onde donnée pour chaque port est resté moins de 1 % dans l’ensemble de toutes les passes de 30 dans les signaux de la fluorescence et de l’absorption. Cette stabilité dans le système de mesure de réacteur activé matière découverte, contrôle et optimisation des études approfondies à mener avec une interférence minimale manuelle, résultant dans la collecte de données plus cohérente provenant du même lot de précurseurs.
Étendue spatiale d’échantillonnage : La relation entre temps de vitesse et de la résidence fluide a souvent été confondue en synthèse existante, des études de dépistage. Pour caractérisations mise en œuvre d’une cellule d’écoulement stationnaire, par exemple, temps de séjour variable sont obtenus en ajustant des vitesses de fluide nets. Toutefois, comme indiqué lors de l’évaluation décrite précédemment de cinétique accordabilité en croissance de nanocristaux semiconducteurs, cette méthode de caractérisation de la réaction est probablement insuffisant pour les études d’un large éventail de synthèses colloïdaux semi-conducteurs avec nucléation rapide et cinétique de croissance. Découplage du temps de séjour de la vitesse du fluide en appliquant un système d’échantillonnage portable élargit l’espace d’échantillonnage d’une manière qui n’a pas été explorée auparavant. Ainsi, la technologie modulaire permet de découverte et études préparatoires de la prochaine génération des nanomatériaux colloïdale avec précision sensiblement renforcée et de contrôle sur les conditions de synthèse.
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Disclosures
North Carolina State University a déposé une demande de brevet provisoire (#62/558 155) sur la plate-forme microfluidique discuté.
Acknowledgments
Les auteurs remercient le soutien financier apporté par la North Carolina State University. Milad Abolhasani et Robert W. Epps remercient le soutien financier de la subvention de l’Initiative de possibilités de recherche 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
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