Summary
Gedetailleerde hierin zijn de werking en vergadering protocollen van een modulaire microfluidic screening platform voor de systematische karakterisering van colloïdale semiconductor nanocrystal syntheses. Door middel van volledig aanpasbare systeem regeling kan hoogefficiënte spectra verzamelen over 4 ordes van grootte reactietijd schalen binnen een ruimte die massa overdracht-gecontroleerde steekproeven worden uitgevoerd.
Abstract
Colloïdale halfgeleider nanokristallen, bekend als quantum dots (QDs), een snel groeiende klasse van materialen in de commerciële elektronica, zoals licht uitstoten elektroluminescerende dioden en fotovoltaïsche zonne-energie (PVs). Onder deze materiaalsoorten, hebben anorganische/organische perovskites aangetoond significante verbetering en potentieel naar hoogrenderende, goedkope PV fabricage vanwege hun hoge kosten vervoerder mobiliteiten en levensduur. Ondanks de kansen voor perovskiet QDs in grootschalige PV en LED-toepassingen, heeft het gebrek aan begrip van de fundamentele en verregaande van opleidingstrajecten in hun groei geremd hun aanpassing binnen continu nanoproductie strategieën. Screening van traditionele kolf gebaseerde benaderingen zijn over het algemeen duur, arbeidsintensief en onnauwkeurig voor effectief het karakteriseren van de brede parameter ruimte en synthese verscheidenheid relevante colloïdale QD reacties. In dit werk, is een volledig autonome microfluidic platform ontwikkeld om systematisch het bestuderen van de ruimte van de grote parameter de colloïdale synthese van nanokristallen in een continue stroom-indeling is gekoppeld. Door de toepassing van een roman die drie-poort stroom cel en modulaire reactor extensie eenheden vertalen, kan het systeem snel Verzamel fluorescentie- en absorptiespectra uit de reactor lengtes variërend van 3-196 cm. De verstelbare reactor lengte niet alleen de verblijftijd van de snelheid-afhankelijke massaoverdracht loskoppelt, het verbetert ook aanzienlijk de samplingfrequenties en chemische consumptie als gevolg van de karakterisering van 40 unieke spectra binnen één geëquilibreerd systeem. Bemonsteringsfrequenties oplopen tot maximaal 30.000 unieke spectra per dag, en de voorwaarden omvatten 4 ordes van grootte in residentie tijden variërend van 100 ms - 17 min. Verdere toepassingen van dit systeem zou aanzienlijke verbetering van de snelheid en nauwkeurigheid van de materiële ontdekking en screening in de toekomst studies. Gedetailleerde in dit verslag zijn de systeem materialen en assemblage protocollen met een algemene beschrijving van de geautomatiseerde bemonstering software en off line verwerking van de gegevens.
Introduction
De komst van halfgeleider nanokristallen, met name quantumdots, heeft gedreven aanzienlijke vooruitgang in elektronische materialen onderzoek en productie. Quantum dot LEDs1 , al zijn doorgevoerd in de handel verkrijgbare "QLED" wordt bijvoorbeeld weergegeven. Meer recentelijk onder deze klasse van halfgeleiders, perovskites aanleiding hebben gegeven tot aanzienlijke belangstelling en onderzoek naar hoogrenderende en goedkope PV technologieën. Sinds de eerste demonstratie van een PV perovskiet gebaseerde in 2009,2 het omzettingsrendement van lab-schaal macht van zonnecellen perovskiet gebaseerde toegenomen tempo door een ongeëvenaarde door alle PV-technologie in de geschiedenis. 3 , 4 naast de drijvende belangstelling perovskiet gebaseerde PVs, een verscheidenheid van recente methoden met een beschrijving van de facile colloïdale synthese van perovskiet nanokristallen hebben de gelegenheid geschapen voor goedkope, oplossing-fase verwerking van perovskiet QDs in commerciële elektronica. 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14
In het streven naar grootschalige nanoproductie van colloïdale perovskiet QDs, een beter fundamenteel begrip van de nanocrystal groei trajecten en een effectieve controle van de reactie voorwaarden moeten eerst worden ontwikkeld. Echter hebben traditioneel bestaande studies van deze processen vertrouwd op flask gebaseerde benaderingen. Batch synthese strategieën presenteren een aantal inherente beperkingen in termen van materiële karakterisering en productie, maar het belangrijkst is, kolf gebaseerde technieken zijn uiterst inefficiënt bij bevolkingsonderzoek tijd en voorloper consumptie, en tonen kolf massaoverdracht grootte-afhankelijke eigenschappen die de synthese consistentie remmen. 15 effectief studeren de trajecten van de groei van colloïdale halfgeleider nanokristallen over de grote verscheidenheid van gerapporteerde syntheses procedures en binnen de brede relevante monster-ruimte, een meer efficiënte techniek van de screening is vereist. In de afgelopen twee decennia, een reeks microfluidic strategieën hebben ontwikkeld voor studies van colloïdale nanokristallen leveraging de aanzienlijk lagere chemische consumptie, de toegankelijkheid van high-throughput screeningmethoden en het potentieel voor een proces controle uitvoering in continue synthese systemen. 12 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20
In dit werk rapporteren we het ontwerp en de ontwikkeling van een geautomatiseerd microfluidic-platform voor de high-throughput in situ studies van colloïdale halfgeleider nanokristallen. Een roman vertalen stroom cel, een zeer modulair ontwerp en de integratie van off-the-shelf buisvormige reactoren en fluidic verbindingen vormen een unieke en flexibele herconfigureerbare platform met directe toepassingen in de ontdekking, screening en optimalisatie van colloïdale nanokristallen. Inspelend op het translationeel vermogen van onze detectie-techniek (dat wil zeggen, een drie-poort stroom cel) voor de eerste keer, wij laten zien dat de systematische ontkoppeling van mengen en reactie tijdschalen, terwijl het tegelijkertijd het verbeteren van de bemonstering efficiëntie en collectie tarieven over traditionele stationaire flow cel benaderingen. Het gebruik van dit platform kan de hoge gegevensdoorvoer en nauwkeurige band-gap engineering van colloïdale nanocrystal syntheses richting continu nanoproductie strategieën.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. reactor vergadering
Figuur 1 . Stap voor stap illustratie van een monster platform assemblage proces. De panelen toont een stap voor stap illustratie van een monster platform assemblage proces waarin (i) de eerste rangschikking van het stadium van de vertaling en de optische functionarissen op de montage brood breed, (ii) de montage van de voorloper buis montage fase en de stroom cel op optische posten, (iii) de bevestiging van de microfluidic slang naar de aangepaste Kruis-kruising die onder doorzichtigheid te onthullen stroom trajecten, (iv) het veilig stellen van de voorloper slang terwijl gelijktijdig de positie van de eerste eenheid van de steekproef, (v) de daaropvolgende aansluiting van extra proefvlakken met de slang van de reactor doorlopen elke module, (vi) het traject van de buis van de reactor extensie eenheden en (vii) het veilig stellen van de eenheid van de uiteindelijke steekproef ter ondersteuning van de structuur en de optische posten. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Opmerking: Als gevolg van de brede waaier van mogelijke configuraties, de exacte montage proces van het microfluidic platform kan variëren; echter, de algemene methoden zijn hetzelfde voor alle regelingen. Gedetailleerde hieronder en in Figuur 1 is het proces van de montage platform voor een twee-voorloper, multi-phase flow-formaat met een eenmalige verlenging eenheid na de poort 14th bemonstering.
- Beveilig de fase van de vertaling en post houders om het optische breadboard. De toneel- en stroom-cel voor de montage voor junction verbinden met de posten en zet ze vast aan het platform.
- De draad van de reactor buizen en voorloper feed lijnen naar de aangepaste Kruis-junctie en de slang via de kanalen in de verhoogde fase voeden. Zorg ervoor dat elk segment van de buis wordt verlaagd tot een lengte die de respectieve spuit pomp of collectie flacon comfortabel kan bereiken.
- De eerste bemonstering poort apparaat aansluiten op de kruising fase en zet vast de cover lijn voorloper naar de fase van verhoogde montage, beveiligen van alle buisvormige onderdelen en de eerste eenheid van de steekproef in plaats.
- Voeg extra modulaire reactor eenheden toe door het uitvoeren van de reactor slang via de gewenste component en de segmenten verbinden met de rest van de geassembleerde structuur. Bouwen uit de eenheden van de kruising totdat de gewenste lengte en de rangschikking wordt verkregen.
Opmerking: De reactor-buis moet stevig passen binnen elke eenheid. Vervormingen in de buis (stretching, crimping, etc.) heeft grote invloed op de sterkte van het optische signaal. - Zet vast de draagstructuur aan de uitlaat van het laatste segment van de bemonstering en het veiligstellen van de steun aan de optische berichten verbonden met het breadboard.
- De feed lijnen van de stroomsysteem verbinden met de computer-gestuurde injectiespuit pompen en de reactor outlet worden meegenomen bij een stikstof gas onder druk (~ 12 psig) collectie flacon.
- 3 fiber optic patch snoeren sluit aan op de poorten van de cel 3 stroom en hechten de tegenovergestelde einden aan de spectrometer, LED, en de lichtbron deuterium-hallogeen (DH) respectievelijk. Ervoor zorgen dat de kabels kunnen te bewegen soepel met de volledige lengte van de etappe van de vertaling en zonder alle geen onnodige spanning op hun verbinding met de stroom cel te voltooien Platformvergadering (zoals weergegeven in Figuur 2).
2. voorloper voorbereiding
Opmerking: De reactie screening systeem kan worden toegepast op de synthese van verschillende colloïdale halfgeleider nanokristallen; echter, met het oog op platform ontwikkelings- en valideringsfase, een CsPbBr3 perovskiet synthese, aangepast van Wei et al. 6 beter aanpassen aan stroom analyses, werd gebruikt als een case-study-reactie. Het voorbereidingsproces voorloper is hieronder.
- 15 mL 0.013 M bromide voorloper voor te bereiden door het combineren van 109 mg tetraoctylammonium bromide (en), 1 mL oliezuur en 14 mL tolueen in een gesloten flesje van 20 mL.
- Roer het mengsel krachtig bij kamertemperatuur tot een duidelijke oplossing wordt verkregen.
- Bereiden van 48 mL van 0.0021 M voorloper van het cesium-voorsprong door eerste 0,6 mmol cesium natriumhydroxide, 0,6 mmol lead(II) oxide en 3 mL oliezuur in een verzegelde 8-mL flesje te combineren met een tussenschot.
- Het septum te doorboren met een naald voor ventilatie en verwarm de oplossing bij 160 ° C in een oliebad en krachtig roer het tot een duidelijke oplossing vormen (ongeveer 15 minuten).
- De flacon en naald verplaatsen naar de oven en verwarm ze bij 120 ° C gedurende 1 uur, de ontluchting naald haal hem eruit en laat de oplossing afkoelen tot kamertemperatuur in open lucht.
- Voeg 0,5 mL van het mengsel van de cesium-lead hoge concentratie aan 47.5 mL tolueen in een verzegelde 50 mL flesje en roer krachtig.
- Laden van de voorloper van bromide (en) en Verdun de voorloper van het cesium-lood in hun respectieve spuiten en beginnen met het proces van geautomatiseerde karakterisering door stromen van de twee voorlopers samen op de gewenste voorwaarden (zie stap 3).
Opmerking: Voor de experimenten gedetailleerde onder Vertegenwoordiger resultaten, volumetrische injectie verhoudingen van 6.4:1 van cesium-voorsprong naar bromide (en) en 1:1 van vervoerder gasfase tot netto vloeistof werden gebruikt op variabele totale debiet.
3. de interface gebruiken
Opmerking: Het geheel van de gegevensverzameling wordt uitgevoerd via het platform van de geautomatiseerde reactie nadat de gebruiker een reeks van stromingscondities geeft te beproeven. De algemene procedures voor het bedienen van de gebruikersinterface tijdens deze beginperiode input zijn hieronder.
- Open de software automatische bewerking om de user interface voorkant (afgebeeld in Figuur 3) weer te geven.
- Ga naar het instellingenpaneel van Spectrometer en beginnen vullen alle ingangen.
- Plak het bestandspad voor de gewenste gegevens opslaan map in het vak bestand root voor gegevens .
- Selecteer onder Spectrometer visum, het adres van de USB-verbinding voor de spectrometer. Als de spectrometer USB adres niet bekend is, haar locatie via de desktop Device Manager pagina aangeven.
- Selecteer de tijd van de integratie, het aantal spectra gemiddelde per monsteren het aantal spectra opslaan per voorwaarde voor zowel absorptie (Abs) en fluorescentie (griep). In het geval van de synthese gedetailleerd beschreven in stap 2, stel een tijd van de integratie van 12 ms voor de absorptie en 4 ms voor de fluorescentie gemiddeld meer dan 10 spectra.
- Als karakteriseren Enkelfasige stroom, gaan naar de volgende stap, verlaten de meerfasige knop uit. Als het karakteriseren van multi-phase flow, meerfasige selecteren en instellen van de lengte minimaal een steekproef , zodat ongeveer 2 compleet gas-vloeistof oscillaties laatstgenoemde deze het monsterpunt doorgeven kunnen. Wijs het aantal monsters te nemen binnen dat venster bemonstering.
Opmerking: De sampling tijd-resolutie binnen een multi-phase flow kan worden beperkt door de spectrometer-instellingen en aanpassingen kunnen nodig zijn als op zoek naar een hogere resolutie.
- Ga naar het deelvenster pomp configuratie en beginnen vullen alle ingangen.
- Onder spuit 1 COM, spuit 2 COM, en Dubbele pomp COM, kunt u het USB-communicatie adressen toewijzen door alle pompen. Zie stap 3.2.2 voor het proces van identificatie.
- Stel de spuit innerlijke diameters, die kan worden gevonden op de pomp-interface of binnen de spuit handboeken, voor alle spuiten in gebruik. Voor configuraties niet ten uitvoer leggen van alle spuiten, laat de vreemde spuit diameters op de standaardwaarden.
- Als referentie absorptiespectra verzamelen, identificeren een aanvaardbare blanco-oplossing, laden in een bijgevoegde spuit en stelt u de respectieve injectiespuit op een gematigde debiet (ongeveer 300 µL/min) in de respectieve Ref debiet vak.
- Ga naar het systeemconfiguratie scherm en beginnen met het vullen van alle ingangen.
- Als de fase-locaties zijn geoptimaliseerd en goed onder podium posities weergegeven worden, de vorige positie selecteren en verplaatsen naar de volgende stap. Als de fase-locaties zijn niet geoptimaliseerd, toewijzen van een fase positie window-grootte en koppelen de posities van de geschatte fase (binnen het positiebereik) met behulp van een CSV-vector en het vak bestandspad . Laat het vak fase increment op 0.5 mm en het vak Opstarten stadia op 8.
- Berekenen van het volume van het segment van de reactor vanuit het midden van de kruising op de definitieve bemonstering poort en ingang die waarde in het vak van het systeemvolume . Laat de Minimumtijd evenwicht op 10 s.
- Controleer of de nauwkeurigheid van alle ingangen en selecteer de knop draaien in de top links van de interface.
Opmerking: Ingangen op het voorpaneel kunnen niet worden gewijzigd zodra de software is begonnen met de werking ervan. - Selecteer Ja als de referentie-spectra worden opgeslagen of Nee als ze niet in het venster Save referentie spectra .
- Selecteer in het venster instellen van voorwaarde debiet maximaal 30 gewenste stroom tarief configuraties te testen, alle ingangen van de ongebruikte spuit leeg te laten.
- Selecteer OK en laat het systeem uit te voeren totdat alle gewenste voorwaarden hebt zijn bemonsterd; het systeem wordt afgesloten op eigen. Als het systeem worden gestopt moet, selecteert u de knop stoppen vroeg en laat het proces af te sluiten.
Let op: Gebruik de Abort toestaat knop op de linkerbovenhoek van de interface niet het systeem afsluiten van de pompen of lichtbronnen, mogelijk beschadiging van de apparatuur en/of een belangrijke gezondheid risico via blootstelling aan UV licht.
4. Pathlength correcties
- Voor het verkrijgen van de correlatie van de correctie pathlength voor elke poort, injecteren eerst een stabiele oplossing van perovskites verspreid in tolueen in het segment van de reactor totdat de reactor buis gelijkmatig is gevuld.
- Run het proces geautomatiseerd bemonstering op deze uniforme oplossing voor 4 volledige doorgangen van de stroom cel (zie stap 3 voor de operatie procedure).
- Toepassen van basislijn correcties voor zowel fluorescentie- en absorptiespectra, dan gemiddelde over het geheel genomen voor de passen door haven locatie. Normaliseren alle krommen met betrekking tot de intensiteiten van de golflengte op 455 nm en 485 nm voor absorptie en fluorescentie respectievelijk (Zie Figuur 4).
- Gebruik de normalisatie factor berekend in elke haven aan de rondingen van alle daaropvolgende spectra proportioneel te schalen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Sample spectra: Gebruik makend van de besproken microfluidic platform, de nucleatie en groei stadia van colloïdale halfgeleider nanokristallen op de temperatuur van de synthese kunnen rechtstreeks bestudeerd worden door het toezicht op de tijdsevolutie van de absorptie en fluorescentie spectra van de gevormde nanokristallen onder uniforme voorwaarden te mengen. Figuur 5 A toont een reeks voorbeeld van spectra verkregen binnen een enkele pass van de drie-poort stroom-cel. Terwijl de emissie golflengte distributies alleen waardevol naar toepassingen in kwalitatief hoogwaardige LED fabricage inzicht, montage van de absorptie en emissie bandgap energieën binnen experimenteel gevalideerde effectieve massa onderlinge aanpassing modellen zouden de continue monitoring van nanoparticle grootte distributies gedurende de syntheses. 14 gelijk sets van spectra werden verkregen bij verschillende debieten en lengtes van de reactor, waardoor voor een verzameling van gegevens over verblijfplaats tijden verspreid over 100 ms - 17 min.
Kinetisch afstembare nanokristallen: de Axiaalsymmetrische recirculatie patronen gevormd binnen de vloeibare segmenten van multi-phase flow velocity-afhankelijke massaoverdracht controle mogelijk maakt. 21 een studie van de snelheid-afhankelijke mengen tijdschaal verblijftijd aangetoond de kinetische tunability in nanocrystal groei trajecten voor de perovskiet QDs (Zie Figuur 5B). Onze ontwikkeld modulair platform voorziet, de eerste keer, een systematische studie van het effect van mengen tijd van beginnende op de laatste optische eigenschappen van gevormde nanokristallen. Door variaties in de snelheid van reactieve slak, met behoud van alle andere parameters constant, een verschil in piek emissie golflengten zo groot als 25 nm bij een gelijkwaardig verblijftijd werd waargenomen. Verdere evaluaties van de colloïdaal systeem geïllustreerd dat het geobserveerde verschil in uitstoot golflengte is gehandhaafd op langer verblijf tijden, wat resulteert in stabiele, kinetisch afstembare nanokristallen. 15
Figuur 2 . Volledig geassembleerd geautomatiseerde reactie screening platform. Deze afbeelding ziet u een volledig geassembleerde geautomatiseerde reactie screening platform met een interne reactor-verlenging eenheid tussen de 14th en 15th bemonstering poort. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 3 . Gebruikersinterface voor geautomatiseerde besturingsomgeving. Dit paneel toont de gebruikersinterface, die zorgt voor de controle en afstemming van parameters zoals het debiet van de spuit, spectrometer meetomstandigheden, en bemonstering van positie, voor de karakterisering van het over een breed scala van colloïdale halfgeleider nanocrystal syntheses. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 4 . Proces voor pathlength correctie. Dit paneel toont het proces voor een correctie van de pathlength door de poort met behulp van A. Absorptiespectra verzamelde meer dan 20 monsternemingen poorten met B. de spectra genormaliseerd ten opzichte van de absorptie bij 455 nm op een oplossing van colloïdale CsPbBr3 perovskites gedispergeerd in tolueen en C. respectieve fotoluminescentie (PL) spectra D. genormaliseerd naar de 485 nm signaal intensiteit. Aangepast van Epps et al. 15 met toestemming van de Royal Society of Chemistry. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 5. Spectra van het monster en de demonstratie van kinetische tunability. Deze panelen show A. de absorptie (A) en fluorescentie (I) spectra verzameld in een enkele pass van de cel van de stroom op een multifase, reactieve CsPbBr3 perovskiet systeem verplaatsen met een gemiddelde slak snelheid van ongeveer 0,2 cm/s, en B. de piek fluorescentie golflengte (λP) als een functie van de verblijftijd uitgezet voor 11 verschillende gemiddelde slak snelheden variërend van 0,6 tot 130 mm/s met monster fluorescentie spectra weergegeven in residence keer en naaktslakken snelheden van 200 s en 1.0 mm/s (boven) , 0.9 s en 75 mm/s (midden) en 0.9 s en 130 mm/s (onder). Aangepast van Epps et al. 15 met toestemming van de Royal Society of Chemistry. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 6 . Proces-stroomdiagram voor het algemene software gestuurde gegevensverzamelingsprocedure. Het gaat hierbij om de initialisatie van de hardware van het proces, de recursieve bemonstering progressies en de definitieve afsluiting van het platform. Aangepast van Epps et al. 15 met toestemming van de Royal Society of Chemistry. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 7 . Automatisering software proces-stroomdiagram voor de poort methode voor de toewijzing van de locatie. Het algoritme voor het eerst uitvoert een opgegeven aantal doorgangen van de cel van de stroom gevolgd door een optimale poort detectie via de spectrometer lezing van de signaalsterkte van de LED te stabiliseren. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 8 . Proeven van multi-phase spectra isolatie. Deze panelen tonen het monster multi-phase spectra isolement voor A. fluorescentie bij 500 nm en B. absorptie bij 380 nm na verloop van tijd voor een oplossing van perovskites gedispergeerd in tolueen. De groene regio geeft het bereik van de ideale bemonsteringstijdstippen. Deelvenster C. toont de Absorptiespectra (fluoresceïne oplossing) vergelijken multi-phase bemonsteringsmethoden met betrekking tot de slak snelheid. "Det" geeft aan dat de plug detectie algoritme werd toegepast, en "Avg" geeft aan dat de monsters werden zelfs intervallen van tijd overgenomen en gemiddeld samen. Merk op dat de plug detectiemethode op langzamer bewegen slakken geproduceerd gelijkwaardig spectra als het eenvoudig gemiddelde van de hogere snelheid systeem toegepast. Aangepast van Epps et al. 15 met toestemming van de Royal Society of Chemistry. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 9 . Demonstratie van meting stabiliteit over podium passeert. Dit is een demonstratie van de stabiliteit van de meting over fase passen met behulp van A. de signaalsterkte van de absorptie bij 500 nm en B. de intensiteit van de fluorescentie op 380 nm op een verwijzing van tolueen genormaliseerd door de poort locatie en gemiddeld meer dan 30 volledige doorgangen van de stroom-cel. De foutbalken geven een betrouwbaarheidsinterval van 95%, en geen waarden afgeweken dan ± 1% van het gemiddelde lezen. Aangepast van Epps et al. 15 met toestemming van de Royal Society of Chemistry. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Geautomatiseerde monsternemingssysteem voor: De autonome werking van het platform van de screening wordt uitgevoerd met een eindige toestandsmachine centrale controle. Verkeer tussen deze Staten treedt op opeenvolgend met verschillende recursieve segmenten toe voor de bewerking over een wisselend aantal monsterneming. De besturingselementen van het algemeen stelsel kunnen worden onderverdeeld in 3 fasen van de kern. Ten eerste, het systeem begint met een initialisatie stap, waarmee communicatie via elke component USB bestuurde vaststelt, automatisch definieert bestand opslaan van trajecten, waarin wordt gevraagd voor de oorspronkelijke gebruiker ingangen. Het programma wordt uitgevoerd door het proces van de bemonstering voor elke ingevoerde reactie aandoening totdat alle gewenste gegevens heeft verzameld. Tot slot een beëindiging proces geeft als resultaat alle hardware naar de uitgangspositie vóór het einde van de werking van het script. Het algemene verkeer binnen deze software wordt toegelicht in Figuur 6.
Port detection: In het kader van de belangrijkste automatisering zijn verschillende kritische deelfuncties waarmee effectieve en efficiënte reactie karakterisaties. Ten eerste Figuur 7 ziet u een deel van het "Initialisatie"-segment waar de bemonstering poort posities zijn gedefinieerd voor de fase van de vertaling. De poort detectie functie eerst stabiliseert de reactor-segment door het nabootsen van stroom cel beweging langs de reactor voor 8 volledige passeert. Het detecteert vervolgens de locatie van de optimale poort door bemonstering van de intensiteit van de fluorescentie in een venster van de 1-mm rond de geschatte locatie en het selecteren van de positie van de maximale intensiteit. Deze locatie wordt opgeslagen voor elke poort en gebruikt als het podium posities tijdens latere bemonsteringsprocedures.
Lichtbron schakelen: De efficiënte absorptie en fluorescentie spectra bemonstering binnen de cel drie-poort flow is uitgevoerd met een geautomatiseerde lichtbron schakelen systeem. Bij het bereiken van de haven van bemonstering, kunnen 10 spectra voor beide absorptie bij een 15-ms integratie tijd en fluorescentie 4-ms integratie tegelijk worden geïnd in zo weinig als 400 ms. wanneer verplaatsen tussen monster locaties, zowel de DH Lamp als LED zijn gevoorzid. De DH-Lamp wordt geactiveerd op bij het bereiken van de gewenste sampling-poort, en de extinctie bemonstering voorwaarde is ingesteld op de spectrometer, gevolgd door sample collectie. De DH-Lamp wordt vervolgens gevoorzid, terwijl de LED op van een knevel wordt gevoorzid. De bemonstering proces wordt herhaald voor de fluorescentie-voorwaarden, en beide lampjes zijn dan uitgeschakeld.
Slak detectie: In multi-phase flow systemen vereist efficiënte sample collectie een combinatie van de bemonsteringstechnieken, die afhangen van de snelheid van de bewegende slug. De drempel slak snelheid waar een detectie algoritme minder effectief dan eenvoudige gemiddeld wordt werd gevonden op ongeveer 11 mm/s. In het geval van lagere snelheid systemen, één spectra bemonstering is tussenpozen uitgevoerd uniform over de geschatte lengte van 2 vloeistof slakken (ongeveer 1 cm). Binnen de spectra verkregen door middel van dit proces van de bemonstering, de 10 optimale spectra in het midden bulk vloeistof van de slak zijn geïsoleerd met behulp van een lokale afwijking van de vijf-punts met een bepaalde golflengte na verloop van tijd - 400 nm voor fluorescentie en 380 nm voor extinctie - zoals in Figuur 8. Binnen de hogere snelheid van de vloeistof systemen, echter, overtreft het venster beschikbare bemonstering van een enkele bewegende slak de effectieve sampling rate van de spectrometer. In deze gevallen, gemiddeld samen 10 spectra verzameld over uniforme intervallen bleek te zijn voldoende.
Systeem specs: Door de toepassing van meerdere 87 cm extensie eenheden, kan bemonstering van havens bij reactor buis lengtes variërend van 3-196 cm worden geplaatst. De combinatie van verschillende debieten en stroom-cel verkeer kunt in situ spectraal karakterisatie in residence tijden variërend van 100 ms - 17 minuten met een sampling rate van maar liefst 30.000 spectra per dag. Bovendien is elke absorptie of fluorescentie-spectrum verkregen met met name lage chemische consumptie, waarvoor slechts 2 µL per spectra ten tijde van de bemonsterings- en 20 µL per spectra algemene (vanuit voorsprong voor shutdown). Deze hoge sampling-snelheid en efficiëntie kunnen worden toegeschreven aan de collectie van maximaal 40 unieke spectra binnen één equilibrated systeem via de vertalen stroom-cel. Na het toepassen van de reactor stabilisatie, poort uitlijning en pathlength correctie processen, het platform bleek te zijn accuraat voor meer dan 30 volledige doorgangen van de stroom cel (Figuur 9). In een karakterisering van de respectieve lichtbron signaal intensiteit op een verwijzing van tolueen bleek dat de fout bij het graven van een bepaalde golflengte voor elke poort bleef binnen 1% over alle 30 passen in zowel de fluorescentie en absorptie signalen. Deze stabiliteit in het meetsysteem reactor ingeschakeld uitgebreide materiële ontdekking, screening, en optimalisatie studies worden uitgevoerd met minimale handmatige interferentie, wat resulteert in meer consistente gegevens verzamelen uit dezelfde batch van precursoren.
Uitgebreid bemonstering ruimte: De relatie tussen vloeistof snelheid en verblijf tijd heeft vaak verward zijn in bestaande synthese screening studies. Voor karakterisaties uitvoering van een stationaire stroming cel, bijvoorbeeld worden variabele residentie keer verkregen door net vloeibare snelheden aan te passen. Zoals uitgelegd door de eerder besproken evaluatie van kinetische tunability in de groei van de nanocrystal, deze methode van karakterisering van de reactie is echter waarschijnlijk onvoldoende voor studies van een breed scala van colloïdale halfgeleider syntheses met snelle nucleatie en kinetiek van de groei. Ontkoppeling van de verblijftijd van de vloeistof snelheid door het toepassen van een draagbare monsternemingssysteem breidt de bemonstering ruimte op een manier die niet eerder werden onderzocht. Aldus, de ontwikkelde modulaire technologie kan ontdekking en verkennende studies van de volgende generatie van colloïdale nanomaterialen met aanzienlijk verbeterde precisie en controle over de voorwaarden van de synthese.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
North Carolina State University heeft ingediend een voorlopige patent (#62/558,155) op de besproken microfluidic platform.
Acknowledgments
De auteurs mijn dankbaarheid uitspreken voor de financiële steun van de North Carolina State University. Milad Abolhasani en Robert W. Epps mijn dankbaarheid uitspreken voor financiële steun uit de toekenning van het onderzoeksinitiatief van de kansen 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).
