Summary
Hier detailliert sind die Bedienung und Montage Protokolle der eine modulare mikrofluidische Screening-Plattform für die systematische Charakterisierung von kolloidalen Halbleiter Nanocrystal Synthesen. Durch einstellbaren System Arrangements kann hocheffiziente Spektren Sammlung Skalen 4 Größenordnungen Reaktionszeit innerhalb eines Transfer-gesteuerte Probenahme durchgeführt werden.
Abstract
Eine schnell wachsende Klasse von Materialien in kommerziellen Elektronik, wie Licht emittieren kolloidalen Halbleiter-Nanokristallen, bekannt als Quantum dots (QDs), Dioden (LEDs) und Photovoltaik (PVs). Unter dieser Materialgruppe haben anorganische/organische Perovskites deutliche Verbesserung und Potenzial für eine hocheffiziente und kostengünstige PV-Fertigung aufgrund ihrer hohen Ladung Träger Mobilitäten und Lebenszeiten nachgewiesen. Trotz der Möglichkeiten für Perowskit QDs in großflächige Photovoltaik- und LED-Anwendungen hat der Mangel an grundlegenden und umfassendes Verständnis von deren Wachstum wegen deren Anpassung in kontinuierlichen Nanofertigung Strategien gehemmt. Traditionelle Kolben-basierten Screening Ansätze sind in der Regel teuer, arbeitsintensiv und ungenau für effektiv charakterisieren die breiten Parameter Raum und Synthese Vielfalt für kolloidale QD Reaktionen relevant. In dieser Arbeit ist eine vollständig autonome mikrofluidischen Plattform entwickelt, um große Parameterraum der kolloidalen Synthese von Nanokristallen in einem kontinuierlichen Fluss Format zugeordnet systematisch zu untersuchen. Durch die Anwendung eines Romans drei Anschlüssen Durchflusszelle und modulare Erweiterung Reaktorblöcke zu übersetzen kann das System schnell Fluoreszenz und Absorptionsspektren über Reaktor Längen 3-196 cm sammeln. Die einstellbare Reaktor Länge nicht nur entkoppelt die Verweilzeit von der Geschwindigkeit abhängigen Stoffaustausch, die Sampling-Raten und Chemikalienverbrauch durch die Charakterisierung von 40 einzigartige Spektren innerhalb einer einzigen auch wesentlich verbessert ausgewogenen System. Sample-Raten bis zu 30.000 einzigartige Spektren pro Tag erreichen können, und die Bedingungen decken 4 Größenordnungen in Residenz Zeiten bis 100 ms - 17 min hin. Weitere Anwendungen dieses Systems würde die Rate und die Präzision der materiellen Entdeckung und screening-Untersuchungen in Zukunft erheblich verbessern. In diesem Bericht detailliert sind die System-Materialien und Montage Protokolle mit einer allgemeinen Beschreibung der automatisierten Probenahme Software und offline-Datenverarbeitung.
Introduction
Das Aufkommen von Halbleiter-Nanokristallen, besonders Quantenpunkte, hat bedeutende Fortschritte in der elektronischen Materialien Forschung und Fertigung angetrieben. Beispielsweise zeigt Quantenpunkt LED1 bereits in kommerziell erhältlichen "QLED" eingeführt worden. Vor kurzem haben die Perovskites unter dieser Klasse von Halbleitern, erhebliches Interesse und Forschung in Richtung High-Efficiency und kostengünstige PV-Technologien ausgelöst. Seit die erste Demonstration einer Perowskit-basierte PV im Jahr 2009 hat2 Labormaßstab-Wirkungsgrad von Perowskit-basierte Solarzellen mit einer Rate von keiner PV-Technologie in der Geschichte beispiellose erhöht. 3 , 4 zusätzlich das treibende Interesse an Perowskit-basierte PVs, eine Vielzahl von aktuellen Methoden beschreiben die facile kolloidale Synthese von Perowskit-Nanokristallen haben die Möglichkeit geschaffen für Low-Cost-, Lösungsphase Verarbeitung von Perowskit QDs in kommerzielle Elektronik. 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14
In die Bemühungen um eine groß angelegte Nanofertigung von kolloidalen Perowskit QDs müssen zunächst ein besseres grundlegenden Verständnis der Wege, Nanocrystal Wachstum und eine wirksame Kontrolle der Reaktionsbedingungen entwickelt werden. Vorhandene Studien dieser Prozesse haben jedoch bisher auf Kolben-basierte Ansätze verlassen. Batch Synthesestrategien präsentieren eine Vielzahl von Einschränkungen in Bezug auf die Materialcharakterisierung und Produktion, aber erheblich, Kolben-basierte Techniken sind höchst ineffizient in screening-Zeit und Vorläufer Verbrauch und zeigen Küvette größenabhängige Stoffaustausch Eigenschaften, die die Konsistenz der Synthese zu hemmen. 15 um die Wachstums-Wege von kolloidalen Halbleiter-Nanokristallen effektiv über die Vielzahl der gemeldeten Synthesen Verfahren und innerhalb der breiten relevanten Probenraum zu studieren, ist ein effizienteres Screening-Verfahren erforderlich. In den letzten zwei Jahrzehnten eine Reihe von mikrofluidischen Strategien wurden entwickelt für Studien der kolloidale Nanokristalle nutzt die wesentlich geringeren Chemikalienverbrauch, die Zugänglichkeit von Hochdurchsatz-Screening-Verfahren und das Potenzial für eine Prozessimplementierung Steuerung kontinuierliche Synthese Systeme. 12 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20
In dieser Arbeit berichten wir das Design und die Entwicklung einer automatisierten mikrofluidischen Plattform für die Hochdurchsatz- in Situ -Untersuchungen von kolloidalen Halbleiter-Nanokristallen. Ein Roman übersetzen Durchflusszelle, sehr modular aufgebaut und die Integration der handelsübliche Rohrreaktoren und fluidische Anschlüsse bilden eine einzigartige und flexible rekonfigurierbare Plattform mit direkten Anwendungen bei der Entdeckung, Screening und Optimierung der kolloidale Nanokristalle. Aufbauend auf die translationale Fähigkeit unserer Erkennung Technik (d.h. einer Durchflusszelle mit drei Anschlüssen), zum ersten Mal, zeigen wir die systematische Entkopplung der Misch- und Reaktion Fristen, bei gleichzeitiger Verbesserung der Probenahme Effizienz und Sammlung Preise gegenüber herkömmlichen stationären Strömung Zelle Ansätzen. Die Nutzung dieser Plattform ermöglicht hohen Durchsatz und präzise Bandlücke Engineering kolloidalen Nanocrystal Synthesen in Richtung kontinuierliche Nanofertigung Strategien.
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Protocol
1. Reaktor Montage
Abbildung 1 . Detaillierte Darstellung der Montage Beispielprozess Plattform. Die Paneele zeigt ein Schritt für Schritt Beispiel für ein Probe-Plattform Montageprozess Detaillierung (i) die ursprüngliche Anordnung der Verschiebetisch und optische pfostenhalter auf Montage Brot breit, (Ii) die Montage der Vorstufe Röhre Montage Stadium und die Flow cell auf optische Beiträge, (Iii) die Anlage des mikrofluidischen Schläuche zu den benutzerdefinierten Kreuz-Übergang unter Transparenz Reveal Fluss Wege, (iv) die Sicherung der Vorläufer Schläuche während gleichzeitig Positioniereinheit die erste Probenahme, (V) die nachfolgende Verbindung von zusätzlichen Stichprobeneinheiten mit dem Reaktor Schlauch durchlaufen jedes Modul, (vi) den Schlauch Weg des Reaktors Nebenstellen und (Vii) die endgültige Stichprobeneinheit zur Unterstützung der Struktur und optische Beiträge zu sichern. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Anmerkung: Aufgrund der Vielzahl möglicher Konfigurationen kann die exakte Montage der mikrofluidischen Plattform abweichen; die allgemeinen Methoden sind jedoch identisch für alle Arrangements. Detaillierte unterhalb und in Abbildung 1 ist die Plattform-Montage für eine zwei-Vorläufer, mehrphasige Fluss-Format mit einer einzigen Erweiterungseinheit nach 14th Probenahme-Port.
- Sichern der Verschiebetisch und post-Inhaber, die optische Surfboard. Verbinden Sie die Kreuzung Montage Bühne und Flow Zelle an den Pfosten und befestigen sie auf der Plattform.
- Verdrahten Sie die Reaktor-Schläuche und Vorläufer Zuleitungen, der benutzerdefinierte Kreuz-Kreuzung und füttern die Schläuche durch die Kanäle in die erhöhte Bühne. Stellen Sie sicher, dass jedes Rohr-Segment auf eine Länge geschnitten wird, die die jeweiligen Spritze Pumpe oder Sammlung Fläschchen bequem erreichen kann.
- Verbinden Sie die ersten Stichprobeneinheit Hafen an der Kreuzung Bühne und befestigen Sie die Vorläufer Linie Abdeckung auf die erhöhte Montage-Bühne, Sicherung der Rohrkomponenten und die erste Probenahme-Einheit im Ort.
- Fügen Sie zusätzliche modulare Reaktorblöcke durch Ausführen der Reaktor-Schlauch durch die gewünschte Komponente und die Segmente mit dem Rest der zusammengesetzten Struktur verbinden. Bauen Sie die Einheiten von der Kreuzung bis die gewünschte Länge und Anordnung ergibt.
Hinweis: Die Reaktor-Schläuche sollten fest in jeder Einheit passen. Verformungen im Schlauch (stretching, Crimp, etc.) wirken sich erheblich auf die Stärke des optischen Signals. - Befestigen Sie die Stützkonstruktion an den Auslass des letzten Segments Probenahme und sichern Sie die Unterstützung für die optische Beiträge auf dem Steckbrett verbunden.
- Schließen Sie die Zuleitungen des Fluss-Systems an die computergesteuerte Spritzenpumpen und fließen Sie die Reaktor-Steckdose in einem Stickstoff Gas unter Druck (~ 12 Psig) Sammelbehälter ein.
- Schließen Sie 3 Fiber optic Patchkabel an die 3 Flow Zelle Ports an, und legen Sie die gegenüberliegenden Enden auf die Spektrometer, LED und Deuterium-Halogen (DH) Lichtquelle bzw.. Stellen Sie sicher, dass die Kabel sich reibungslos mit der vollen Länge der Übersetzung Bühne und ohne jede unnötige Belastung auf ihre Verbindung mit der Durchflusszelle bewegen um zu Plattform montieren (siehe Abbildung 2).
2. Vorläufer Vorbereitung
Hinweis: Die Reaktion screening-System kann auf die Synthese von verschiedenen kolloidalen Halbleiter-Nanokristallen angewendet werden; jedoch für die Zwecke der Plattform-Entwicklung und Validierung einer CsPbBr3 Perowskit Synthese, adaptiert von Wei Et al. 6 entsprechend besser fließen Analysen, diente als Fallstudie Reaktion. Der Vorbereitungsprozess Vorläufer ist unten aufgeführt.
- Bereiten Sie 15 mL 0,013 M Bromid Vorstufe durch Kombination von 109 mg Tetraoctylammonium-Bromid, 1 mL der Ölsäure und 14 mL Toluol in einem versiegelten 20-mL-Fläschchen vor.
- Rühren Sie die Mischung kräftig bei Raumtemperatur, bis eine klare Lösung entsteht.
- Bereiten Sie 48 mL 0,0021 M Cäsium-Blei Vorläufer von ersten 0,6 Mmol Cäsium-Hydroxid, 0,6 Mmol lead(II) oxid und 3 mL Ölsäure in einem versiegelten 8-mL-Fläschchen mit einer Scheidewand kombiniert.
- Durchbohren Sie das Septum mit einer Nadel für Lüftung und Wärme die Lösung bei 160 ° C in einem Ölbad und kräftig durchrühren, bis eine klare Lösung-Formen (ca. 15 Minuten).
- Verschieben Sie die Fläschchen und Nadel zu einem Ofen und Wärme sie bei 120 ° C für 1 h, dann die Entlüftung Nadel entfernen und die Lösung auf Raumtemperatur im freien abkühlen lassen.
- 47,5 mL Toluol in einem versiegelten 50-mL-Fläschchen 0,5 mL der hohe Konzentration Cäsium-Blei-Mischung hinzufügen und kräftig rühren.
- Laden den Bromid-Vorläufer und verdünnen den Cäsium-Blei-Vorläufer in ihren jeweiligen Spritzen und die automatisierte Charakterisierung beginnen durch zusammenfließen der beiden Vorläufer zu den gewünschten Konditionen (siehe Schritt 3).
Hinweis: Für die Experimente unter Vertreter Ergebnissedetailliert, dienten Volumetrische Injektion Verhältnisse der 6.4:1 von Cäsium-Blei zu Bromid und 1:1 der Gasphase Träger zu net flüssig bei Variablen insgesamt Flussraten.
(3) Schnittstellenbetrieb
Hinweis: Die Gesamtheit der Datenerhebung durch die automatisierte Reaktion-Plattform erfolgt nach der Benutzer angibt, eine Reihe von Bedingungen getestet werden. Die allgemeinen Verfahren für den Betrieb der Benutzeroberfläche während dieser Anfangsphase Eingabe sind nachfolgend aufgeführt.
- Öffnen Sie die automatisierten Betrieb-Software zum Anzeigen der Benutzer Schnittstelle Frontplatte (siehe Abbildung 3).
- Stellen Sie an der Spektrometer-Einstellungen -Panel und beginnen Sie alle Eingänge zu füllen.
- Fügen Sie den Dateipfad für die gewünschten Daten Ordner im Feld Datei Root für Daten speichern.
- Wählen Sie unter Spektrometer VISAdie Adresse des USB-Anschlusses für das Spektrometer. Wenn die Spektrometer USB-Adresse nicht bekannt ist, identifizieren Sie seine Lage über dem Desktop- Geräte-Manager -Seite.
- Wählen Sie die Integrationszeit, die Anzahl der Spektren durchschnittlich je Probeund die Anzahl der Spektren pro Zustand speichern für Absorption (Abs) und Fluoreszenz (Grippe). Bei der Synthese detailliert Schritt 2, stellen Sie für die Aufnahme eine Integrationszeit von 12 ms und 4 ms für die Fluoreszenz gemittelt über 10 Spektren.
- Wenn einphasige Strömung charakterisieren, fahren Sie mit dem nächsten Schritt, verlassen die Schaltfläche " Multiphase " ab. Wenn Multi-Phasen-Strömung charakterisieren, wählen Sie die Schaltfläche " Multiphase " und stellen Sie die minimale Sample-Länge so ein, dass ca. 2 komplette Gas-Flüssigkeits-Schwingungen der Entnahmestelle passieren können. Weisen Sie dann die Anzahl der Samples innerhalb dieses Zeitfensters Stichproben nehmen.
Hinweis: Die Probenahme Zeitauflösung innerhalb einer Multi-Phase Flow kann eingeschränkt werden durch die Spektrometer-Einstellungen und Anpassungen erforderlich sein, wenn eine höhere Auflösung zu suchen.
- Bewegen Sie zum Fenster Konfiguration zu Pumpen und beginnen Sie alle Eingänge zu füllen.
- Weisen Sie USB-Kommunikationsadressen unter Spritze 1 COM, Spritze 2 COM und Dual Pump COM zu, alle Pumpen. Siehe Punkt 3.2.2 für den Identifikationsprozess Adresse.
- Legen Sie die Spritze Innendurchmesser, die auf der Pumpe-Schnittstelle oder innerhalb der Spritze Handbücher für alle Spritzen im Einsatz gefunden werden kann. Für Konfigurationen nicht implementieren alle Spritzen lassen die überflüssige Spritze Durchmesser mit den Standardeinstellungen.
- Wenn Referenz Absorptionsspektren sammeln, identifizieren eine akzeptable Lösung leere, laden Sie es in einer angehängten Spritze und legen die jeweiligen Spritze zu einem moderaten Volumenstrom (ca. 300 µL/min) in den jeweiligen Durchflussmenge Ref -Feld.
- Nach System Konfigurations -Panel und beginnen Sie füllen alle Eingänge zu.
- Wenn die Bühne Standorte optimiert wurden und richtig unter Stufe stellenangezeigt werden, klicken Sie auf vorherige gebrauchsposition und zum nächsten Schritt. Wenn die Bühne Standorte nicht optimiert wurden, weisen Sie Fenster Bühnengröße Position und verknüpfen Sie die ungefähre Bühne Positionen (innerhalb der Position) mit einer CSV-Vektor und Feld Dateipfad zu. Lassen Sie Feld Bühne Inkrement bei 0,5 mm und Feld Startup Pässe am 8.
- Berechnen Sie das Volumen des Segments Reaktor von der Mitte der Kreuzung mit dem letzten Probenahme Anschluss und geben Sie diesen Wert im Feld System-Volume . Lassen Sie die Minimum Gleichgewichtszeit bei 10 s.
- Überprüfen Sie die Richtigkeit aller Eingänge und wählen Sie die Schaltfläche Ausführen , in der Spitze der Schnittstelle Links.
Hinweis: Eingänge auf der Vorderseite können nicht geändert werden, nachdem die Software seinen Betrieb begonnen hat. - Wählen Sie im Fenster Speichern Referenz Spektren Ja wenn die Referenz-Spektren gespeichert werden soll oder nicht , wenn sie nicht.
- Die Bedingung Flussraten festlegen wählen Sie im Fenster bis zu 30 gewünschte Fördermenge Rate Konfigurationen zu testen, alle Eingänge der unbenutzten Spritze leer lassen.
- Wählen Sie "OK" und lassen Sie das System laufen lassen, bis alle gewünschte Bedingungen probiert worden; das System heruntergefahren wurde eigenständig. Wenn das System aus irgendeinem Grund nicht beendet werden muss, wählen Sie die Schaltfläche Stopp früh und des Prozess heruntergefahren.
Achtung: Mit dem Abbrechen ermöglicht Button oben links der Schnittstelle nicht das System Herunterfahren, Pumpen oder Lichtquellen, potenziell schädlich Ausrüstung und/oder stellen ein erhebliches Gesundheitsrisiko durch UV-Licht Exposition.
4. Pathlength Korrekturen
- Um die Pathlength Korrektur Korrelation für jeden Port zu erhalten, zunächst injizieren Sie eine stabile Lösung des Perovskites in Toluol in das Segment der Reaktor verteilt, bis die Reaktor-Schläuche gleichmäßig gefüllt ist.
- Lauf die automatisierte Bemusterung auf diese einheitliche Lösung für 4 volle Pässe des Flow cell (siehe Schritt 3 für die Vorgehensweise).
- Grundlinie Korrekturen für Fluoreszenz und Absorptionsspektren, dann durchschnittlich insgesamt für die Pässe von Anschlussort. Normalisieren alle Kurven in Bezug auf die Wellenlänge Intensitäten bei 455 nm und 485 nm für Absorption und Fluoreszenz bzw. (siehe Abbildung 4).
- Die Normalisierungsfaktor an jedem Port proportional skalieren die Kurven der alle nachfolgenden Spektren berechnet.
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Representative Results
Spektren zu probieren: Mit Hilfe der diskutierten mikrofluidischen Plattform, die Keimbildung und das Wachstum Phasen von kolloidalen Halbleiter-Nanokristallen bei der Synthese-Temperatur können direkt untersucht werden durch die Überwachung der Zeitentwicklung der Absorption und Fluoreszenz Spektren von der gebildeten Nanokristalle unter einheitlichen Bedingungen mischen. Abbildung 5 A zeigt einen Beispiel-Satz von Spektren in einem einzigen Durchgang der drei Anschlüssen Durchflusszelle erhalten. Während die Emission Wellenlänge Verteilungen allein wertvolle Einblicke in Richtung Anwendungen in qualitativ hochwertige LED bieten-Fertigung, die Absorption und Emission Bandgap-Energien in experimentell validierter effektive Masse Annäherung Modelle passend würde es ermöglichen die kontinuierliche Überwachung der Größenverteilung der Nanopartikel in die Synthese. 14 gleichwertigen Sätze von Spektren stammen bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten und Reaktor Längen, die für eine Datensammlung über Residenz Zeiten überspannt 100 ms - 17 min erlaubt.
Kinetisch abstimmbaren Nanokristalle: die axialsymmetrisch Rezirkulation Muster gebildet innerhalb der flüssigen Segmente des Multi-Phasen-Strömung ermöglicht eine Geschwindigkeit-abhängige Stoffaustausch. 21 eine Studie der Geschwindigkeit abhängigen mischen Zeitskala, Verweilzeit bewiesen die kinetische Einstellbarkeit in Nanocrystal Wachstum Bahnen für die Perowskit QDs (siehe Abbildung 5B). Unsere entwickelte modulare Plattform ermöglicht zum ersten Mal eine systematische Studie über die Wirkung der Frühphasen-Mischzeit auf die endgültige optischen Eigenschaften der gebildeten Nanokristallen. Durch Variationen in der reaktiven Slug-Geschwindigkeit unter Beibehaltung aller anderen Parameter konstant, einen Unterschied in der Emission Spitzenwellenlängen so groß wie 25 nm bei einer entsprechenden Verweilzeit wurde beobachtet. Weitere Auswertungen des kolloidalen Systems verdeutlicht, dass die beobachtete Differenz in Emissionswellenlänge länger Residence Zeiten, wodurch stabile, kinetisch abstimmbaren Nanokristalle beibehalten wurde. 15
Abbildung 2 . Komplett montiert automatisierte Reaktion screening-Plattform. Die Abbildung zeigt eine komplett montierte automatisierte Reaktion screening-Plattform mit einem einzigen Reaktor-Erweiterungseinheit zwischen 14th und 15th Probenahme Port. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 3 . Benutzeroberfläche für automatisierte Plattform-Betrieb. Dieses Panel zeigt die Benutzerschnittstelle, die ermöglicht die Kontrolle und Abstimmung der Parameter wie die Spritze Durchflussmengen Spektrometer Messbedingungen und Probenahme Position, für die Charakterisierung in einem breiten Spektrum von kolloidalen Halbleiter NanoCrystal Synthesen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 4 . Verfahren zur Korrektur der Pathlength. Dieses Fenster zeigt den Prozess für eine Pathlength Korrektur von Port mit A. Absorptionsspektren gesammelt über 20 Probenahme Ports mit B. die Spektren normalisiert in Bezug auf die Extinktion bei 455 nm auf eine Lösung der kolloidalen CsPbBr3 Perovskites dispergiert in Toluol und C. jeweiligen Photolumineszenz (PL) Spektren D. auf die 485 nm Signalintensität normalisiert. Adaptiert von Epps Et al. 15 mit freundlicher Genehmigung von The Royal Society of Chemistry. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 5. Probe-Spektren und Demonstration der kinetischen Einstellbarkeit. Diese Tafeln zeigen A. die Absorption (A) und Fluoreszenz (I) Spektren gesammelt in einem einzigen Durchgang der Messzelle auf eine mehrphasige, reaktive CsPbBr3 Perowskit-System bei einer durchschnittlichen Slug-Geschwindigkeit von ca. 0,2 cm/s und B. die Fluoreszenz Spitzenwellenlänge (λP) als Funktion der Verweilzeit geplottet für 11 unterschiedliche durchschnittliche Slug Geschwindigkeiten von 0,6 bis 130 mm/s mit Probe-Fluoreszenz-Spektren gezeigt im Residence Zeiten und Geschwindigkeiten von 200 Schnecken s und 1,0 mm/s (oben) , 0,9 s und 75 mm/s (Mitte) und 0,9 s und 130 mm/s (unten). Adaptiert von Epps Et al. 15 mit freundlicher Genehmigung von The Royal Society of Chemistry. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 6 . Prozess-Flow-Chart für die gesamte Software-gesteuerte Datensammlungsprozess. Dazu gehören die Initialisierung des Prozess-Hardware, die rekursive Probenahme Progressionen und die endgültige Abschaltung der Plattform. Adaptiert von Epps Et al. 15 mit freundlicher Genehmigung von The Royal Society of Chemistry. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 7 . Automation Software Prozess Flussdiagramm für die Port-Location-Zuordnung-Methode. Der Algorithmus läuft zuerst eine bestimmte Anzahl Durchläufe der Durchflusszelle gefolgt von eine optimale Port Erkennung durch das Spektrometer lesen die LED Signalintensität zu stabilisieren. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 8 . Probieren Sie mehrphasige Spektren Isolierung. Diese Tafeln zeigen die Probe mehrphasige Spektren Isolation für A. Fluoreszenz bei 500 nm und B. Extinktion bei 380 nm im Laufe der Zeit für eine Lösung des Perovskites in Toluol verteilt. Die grüne Region zeigt den Bereich der ideale Abtastzeiten. Feld C. zeigt die Absorptionsspektren (Fluorescein-Lösung) vergleicht man mehrphasige Probenahmeverfahren im Zusammenhang mit der Schnecke-Geschwindigkeit. "Det" bedeutet, dass der Stecker Erkennungsalgorithmus angewendet wurde, und "Avg" zeigt an, dass Proben wurden sogar Zeitintervallen übernommen und zusammen gemittelt. Beachten Sie, dass die Stecker Nachweismethode langsamer gleitender Schnecken produziert entsprechende Spektren als der einfache Durchschnitt der höheren Geschwindigkeit-System angewendet. Adaptiert von Epps Et al. 15 mit freundlicher Genehmigung von The Royal Society of Chemistry. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 9 . Demonstration der Messstabilität über Bühne übergibt. Dies ist eine Demonstration der Messung Stabilität über Bühne Pässe mit A. die Absorption Signalintensität bei 500 nm und B. die Fluoreszenzintensität bei 380 nm auf Toluol Referenz von Portadresse normalisiert und im Durchschnitt über 30 vollständige Pässe der Messzelle. Die Fehlerbalken zeigen eine 95 %-Konfidenzintervall, und keine Werte über ± 1 % des Durchschnitts lesen abgewichen. Adaptiert von Epps Et al. 15 mit freundlicher Genehmigung von The Royal Society of Chemistry. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
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Discussion
Automatische Probenahme-System: Autonome Betrieb der Screening-Plattform erfolgt mit einer Zentralsteuerung finite State Machine. Bewegung zwischen diesen Zuständen erfolgt sequentiell mit mehrere rekursive Segmente für Betrieb über eine unterschiedliche Anzahl von Stichproben Bedingungen zu ermöglichen. Das allgemeine Systemsteuerelemente können in 3 Kern Stufen unterteilt werden. Zunächst beginnt das System mit einer Initialisierung Schritt, schafft Kommunikation über jede USB-gesteuerte Komponente automatisch definiert Datei spart Wege und fragt nach anfänglichen Benutzereingaben. Das Programm läuft dann durch die Blutentnahme für jeden eingegebenen Reaktion Zustand bis alles, was die gewünschten Daten gesammelt wurden. Schließlich gibt ein Kündigung Prozess alle Hardware in die Ausgangsposition vor dem Ende der Skript-Betrieb zurück. Die allgemeine Bewegung innerhalb dieser Software ist in Abbildung 6dargestellt.
Port-Erkennung: Im Rahmen der wichtigsten Automatisierung sind mehrere kritische Unterfunktionen, die effektive und effiziente Reaktion Charakterisierungen zu ermöglichen. Abbildung 7 zeigt zunächst, einen Teil des Segments "Initialisierung" wo die Probenahme-Port-Positionen für die Verschiebetisch definiert sind. Die Port-Detection-Funktion stabilisiert zunächst das Reaktor-Segment durch die Nachahmung von Zelle Fließbewegung entlang des Reaktors für 8 volle Pässe. Es erkennt dann die optimale Anschlussort Probenahme der Fluoreszenzintensität über ein 1-mm-Fenster um die geschätzte Position und wählen die Position der maximalen Intensität. Diesen Standort für jeden Port gespeichert und während der anschließenden Stichprobenverfahren als Bühne Positionen verwendet.
Lichtquelle umschalten: Die effiziente Absorption und Fluoreszenz Spektren innerhalb der drei-Port-Durchflusszelle Probenahme erfolgt mit einer automatisierten Lichtquelle System umschalten. Nach dem Erreichen des Probenahme-Ports, können 10 Spektren für beide Extinktion bei einem 15-ms Integrationszeit und Fluoreszenz bei einer 4-ms Integrationszeit in weniger als 400 Ms. gesammelt werden, beim Verschieben zwischen Probe Standorte, DH Lampe und LED aus umgeschaltet werden. Bei Erreichen des gewünschten Probenahme-Ports, die DH-Lampe auf ausgelöst, und die Extinktion Probenahme Bedingungen richten sich auf das Spektrometer, gefolgt von Sample-Sammlung. Die DH-Lampe ist dann Weg, umschalten, während die LED auf umgeschaltet wird. Die Blutentnahme ist für die Fluoreszenz-Bedingungen wiederholt, und beide Lichter sind dann deaktiviert.
Slug Erkennung: In Multi-Phasen-Strömung-Systemen erfordert effiziente Musterkollektion eine Kombination von Sampling-Techniken, die die Geschwindigkeit der bewegten Slug abhängen. Die Schwelle Slug Geschwindigkeit wo einen Erkennungsalgorithmus weniger wirksam als einfache Mittelwertbildung wird erwies sich bei ca. 11 mm/s auftreten. Bei niedriger Geschwindigkeit-Systemen einzelne Spektren Probenahme erfolgt in gleichmäßigen Abständen über die voraussichtliche Länge des 2 Fluid Schnecken (ca. 1 cm). In den Spektren erhalten durch dieses samplingverfahren, die 10 optimale Spektren in der Masse Flüssigkeit Mitte der Slug sind isoliert mit einer fünf-Punkte lokale Abweichung von einer bestimmten Wellenlänge im Laufe der Zeit - 400 nm für Fluoreszenz und 380 nm für Absorption - siehe Abbildung 8. In höheren fluidgeschwindigkeit Systeme übertrifft jedoch Fenster verfügbaren Probenahme für eine einzelne bewegliche Schnecke die effektive Sampling-Rate des Spektrometers. In diesen Fällen durchschnittlich zusammen 10 Spektren in gleichmäßigen Abständen gesammelt erwies sich ausreichen.
System-Spezifikationen: Durch den Einsatz von Triebzügen 87 cm Verlängerung kann Probenahme Häfen am Reaktor Schläuche Längen 3-196 cm positioniert werden. Die Kombination von unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten und Durchflusszelle Bewegung ermöglicht in Situ spektrale Charakterisierung im Residence Zeiten reichen 100 ms - 17 Minuten mit einer Sampling-Rate so hoch wie 30.000 Spektren pro Tag. Darüber hinaus wurde jede Absorption oder Fluoreszenz-Spektrum mit besonders geringen Chemikalienverbrauch, erfordert nur 2 µL pro Spektren zum Zeitpunkt der Probenahme und 20 µL pro Spektren insgesamt (vom Start zum Herunterfahren) erhalten. Diese hohe Abtastrate und Effizienz können die Sammlung von bis zu 40 einzigartige Spektren in einem ausgewogenen System durch die Übersetzung Durchflusszelle zugeschrieben werden. Nach dem Auftragen der Reaktor Stabilisierung, Port Ausrichtung und Pathlength Korrektur Prozesse, zeigte sich die Plattform für über 30 vollständige Pässe der Messzelle (Abbildung 9) genau zu sein. In einer Charakterisierung der die jeweilige Lichtquelle Signalintensitäten auf Toluol Referenz wurde festgestellt, dass der Fehler in einer bestimmten Wellenlänge für jeden Port zählt weniger als 1 % über alle 30 Pässe in die Fluoreszenz und die Absorption Signale blieb. Diese Stabilität in den Reaktor-Mess-System ermöglichte umfangreiche Entdeckung, Screening und Optimierung Materialstudien mit minimalen manuellen Eingriff, was bei konsequenter Erfassung von Daten aus der gleichen Charge von Vorstufen durchgeführt werden.
Probenahme Raum erweitert: Die Beziehung zwischen flüssigen Geschwindigkeit und Residenz hat oft in bestehenden Synthese screening-Studien verwechselt worden. Für die Durchführung einer stationären Durchflusszelle Charakterisierungen z. B. Variable Verweilzeiten erhält man durch net flüssig Geschwindigkeiten einstellen. Wie bei der zuvor besprochenen Auswertung von kinetischen Einstellbarkeit in Nanocrystal Wachstum, diese Methode der Charakterisierung der Reaktion dürfte jedoch nicht ausreichend für Studien über eine Vielzahl von kolloidalen Halbleiter Synthesen mit schnellen Keimbildung und Wachstum Kinetik. Entkopplung der Verweilzeit von der fluidgeschwindigkeit durch die Anwendung einer tragbaren Probenahmesystem erweitert die Probenahme-Raum in einer Weise, die bisher nicht erforscht. Die entwickelte modulare Technologie ermöglicht somit Entdeckung und Explorative Studien der nächsten Generation von kolloidalen Nanomaterialien mit deutlich verbesserter Präzision und Kontrolle der synthesebedingungen.
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Disclosures
North Carolina State University hat eine vorläufige Patent (Nr. 62/558.155) auf der Plattform diskutiert mikrofluidischen eingereicht.
Acknowledgments
Die Autoren erkennen dankbar die finanzielle Unterstützung durch die North Carolina State University. Milad Abolhasani und Robert W. Epps bestätigen dankend finanziellen Unterstützung aus der Gewährung von UNC-Research Initiative "Chancen" (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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