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Engineering

Uma tecnologia Microfluidic Modular para estudos sistemáticos de nanocristais semicondutores coloidal

Published: May 10, 2018 doi: 10.3791/57666

Summary

Detalhadas neste documento são os protocolos de operação e montagem de uma plataforma de triagem microfluídicos modular para a caracterização sistemática das sínteses de nanocrystal semicondutor coloidal. Através de dispositivos de sistema totalmente ajustável, coleção de espectros altamente eficiente pode ser efectuada através de escalas de tempo de reação de 4 ordens de grandeza dentro de um espaço de amostragem massa transferência controlada.

Abstract

Nanocristais semicondutores coloidal, conhecido como quantum dots (QDs), é uma classe crescente de materiais em eletrônica comercial, tais como a luz emitindo diodos (LEDs) e energia fotovoltaica (PVs). Entre este grupo de material, perovskites inorgânicos/orgânicos têm demonstrado melhora significativa e potencial para fabricação de PV de alta eficiência, baixo custo devido a suas mobilidades de transportadora de carga elevada e vidas. Apesar das oportunidades de perovskita QDs em aplicações em larga escala de PV e LED, a falta de compreensão fundamental e abrangente de seus caminhos de crescimento tem inibido sua adaptação no âmbito das estratégias nanofabricação contínua. Abordagens tradicionais baseados em balão de rastreio são geralmente caro, trabalhoso e imprecisa para caracterizar efetivamente o parâmetro amplo espaço e síntese variedade relevante para reações de QD coloidais. Neste trabalho, uma plataforma totalmente autónoma microfluídicos é desenvolvida para estudar sistematicamente o espaço de grande parâmetro associado a síntese coloidal de nanocristais em um formato de fluxo contínuo. Através da aplicação de um romance tradução de célula de fluxo de três portas e unidades de extensão do reator modular, o sistema pode rapidamente coletar espectros de absorção e fluorescência através de reator alquilica 3-196 cm. O comprimento ajustável reactor não só dissocia o tempo de permanência de transferência de massa a velocidade-dependente, também substancialmente melhora as taxas de amostragem e consumo químico devido a caracterização dos 40 espectros exclusivos dentro de um único sistema equilibrado. Taxas de amostragem podem chegar a até 30.000 espectros originais por dia, e as condições de cobrem 4 ordens de magnitude em residência vezes variando de 100 ms - 17 min. Outras aplicações deste sistema iria melhorar substancialmente a taxa e a precisão da descoberta de material e estudos de triagem no futuro. Detalhada dentro deste relatório são os protocolos de montagem com uma descrição geral do software automatizado de amostragem e processamento de dados off-line e sistema de materiais.

Introduction

O advento dos nanocristais semicondutores, particularmente pontos quânticos, tem levado a avanços significativos na pesquisa de materiais eletrônicos e fabricação. Por exemplo, exibe ponto quântico LEDs1 já foram implementadas em comercialmente disponível "QLED". Mais recentemente entre esta classe de semicondutores, perovskites têm suscitado interesse substancial e investigação para as tecnologias de PV de alta eficiência e baixo custo. Desde a primeira demonstração de um PV perovskita-baseado em 2009,2 a eficiência de conversão de energia de laboratório-escala de células solares de perovskita-baseado tem aumentado a um ritmo inigualável por qualquer tecnologia PV na história. 3 , 4 além do interesse condução no PVs perovskita-baseado, uma variedade de métodos recentes descrevendo a síntese facile coloidal de perovskita nanocristais criou a oportunidade para o processamento de baixo custo, solução-fase de perovskita QDs em comercial eletrônica. 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14

O esforço no sentido de nanofabricação em grande escala de perovskita coloidal QDs, uma melhor compreensão fundamental das vias de crescimento de nanocrystal e um controlo efectivo das condições de reação devem primeiro ser desenvolvidos. No entanto, os estudos existentes destes processos tradicionalmente têm contado com abordagens baseadas em balão. Estratégias de síntese de lote apresentam uma variedade de limitações inerentes em termos de caracterização de materiais e produção, mas mais significativamente, técnicas baseadas em balão são altamente ineficientes no consumo de tempo e precursor de rastreio e demonstrar Propriedades de transferência de massa do tamanho-dependentes balão, que inibem a consistência de síntese. 15 para efetivamente estudar as vias de crescimento de nanocristais semicondutores coloidal através da grande variedade de procedimentos relatados sínteses e dentro do espaço amplo amostra relevantes, é necessária uma técnica de triagem mais eficiente. Nas últimas duas décadas, uma série de estratégias microfluidic foram desenvolvidos para estudos de nanocristais coloidal aproveitando o substancialmente menor consumo de químico, a acessibilidade dos métodos de seleção da elevado-produção e o potencial para um implementação de controle de processo em sistemas de síntese contínua. 12 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20

Neste trabalho, relatamos a concepção e o desenvolvimento de uma plataforma automatizada microfluidic para os estudos de alta produtividade em situ de nanocristais semicondutores coloidal. Um romance traduzindo célula de fluxo, um projeto altamente modular e a integração dos reatores tubulares criação e conexões fluídico formar uma plataforma reconfigurável única e adaptável com aplicações diretas na descoberta, seleção e otimização de nanocristais coloidal. Capitalizando sobre a capacidade de translação de nossa técnica de deteção (ou seja, uma célula de fluxo de três portas), pela primeira vez, demonstramos que a dissociação sistemática das escalas de tempo de mistura e reação, melhorando simultaneamente a amostragem eficiência e coleção de taxas sobre abordagens de célula de fluxo estacionário tradicional. A utilização desta plataforma permite que a engenharia de alta produtividade e precisão banda-lacuna de sínteses de nanocrystal coloidal para estratégias de nanofabricação contínua.

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Protocol

1. montagem do reator

Figure 1
Figura 1 . Ilustração passo a passo de um processo de montagem de plataforma amostra. Os painéis mostra uma ilustração passo a passo de um processo de montagem da plataforma de amostra detalhando (i) o acordo inicial do estágio da tradução e post óptico titulares no pão montagem amplo, (ii) a montagem do tubo precursor fase de montagem e o fluxo de células para postagens ópticas, (iii) a fixação da tubulação microfluidic até a Cruz-junção personalizada que está sob a transparência para revelar vias de fluxo, (iv) a fixação do tubo de precursor ao posicionamento simultaneamente a primeira unidade de amostragem, (v) a conexão subsequente de unidades de amostragem adicional com a tubagem de reator corre através de cada módulo, unidades de extensão (vi) o percurso da tubulação do reator e (vii) a fixação da unidade de amostragem final para apoiar a estrutura e posts ópticos. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Nota: Devido a grande variedade de configurações possíveis, o processo de montagem exata da plataforma microfluidic pode variar; no entanto, os métodos gerais são as mesmas para todos os arranjos. Detalhados abaixo e na Figura 1 , é o processo de montagem de plataforma para um formato de fluxo de dois-precursor, polifásicos com uma unidade de extensão única após a porta 14th de amostragem.

  1. Segura o estágio da tradução e postar os titulares para a experimentação ótico. Conectar-se a célula de palco e fluxo de montagem do junção aos postes e fixá-las para a plataforma.
  2. O tubo do reator do fio e precursor alimentação linhas até a Cruz-junção personalizada e alimenta o tubo através dos canais na fase levantada. Certifique-se de que cada segmento de tubo é cortado a um comprimento que pode confortavelmente atingir o frasco de bomba ou coleção de seringa respectivos.
  3. Conectar-se a primeira unidade de porta de amostragem para a fase de junção e aperte a tampa de linha precursor para a fase de montagem levantada, protegendo todos os componentes tubulares e a primeira unidade de amostragem no lugar.
  4. Adicione unidades do reator modular adicionais executando o tubo do reator através do componente desejado e conectando os segmentos para o resto da estrutura montada. Construa as unidades de junção até o comprimento desejado e o arranjo é obtido.
    Nota: Os tubos do reator devem se encaixar firmemente dentro de cada unidade. Deformações na tubulação (alongamento, friso, etc) afetam significativamente a força de sinal óptico.
  5. Fixar a estrutura de apoio para a tomada do último segmento amostragem e garantir o apoio aos postes ópticos conectado ao painel de experimentação.
  6. Conectar as linhas de alimentação do sistema de fluxo para bombas de seringa controlado por computador e alimentar a saída do reator em um frasco de recolha do nitrogênio gás pressurizado (~ 12 psig).
  7. Conectar as portas de célula de 3 fluxo 3 fibra óptica patch cords e prenda as extremidades opostas do espectrômetro, LED e luz fonte deutério-halógena (DH) respectivamente. Certifique-se de que os cabos são capazes de mover-se suavemente com o comprimento total da fase de tradução e sem qualquer tensão desnecessária na sua conexão com a célula de fluxo para completar a montagem da plataforma (como mostrado na Figura 2).

2. precursor preparação

Nota: A reação, sistema de rastreio pode ser aplicada à síntese de vários nanocristais semicondutores coloidal; no entanto, com a finalidade de plataforma de desenvolvimento e validação, uma síntese de perovskita CsPbBr3 , adaptado de Wei et al . 6 para atender melhor às análises de fluxo, utilizou-se como um estudo de caso de reação. O processo de preparação do precursor é detalhado abaixo.

  1. Prepare-se 15 mL de precursor de brometo de 0,013 M combinando 109 mg de brometo de tetraoctylammonium, 1 mL de ácido oleico e 14 mL de tolueno em um frasco de 20 mL selado.
  2. Agite a mistura vigorosamente à temperatura ambiente até obter uma solução límpida.
  3. Preparar 48 mL de precursor de césio chumbo 0,0021 M pelo primeiro combinando 0,6 mmol de hidróxido de césio, 0,6 mmol de óxido de lead(II) e 3 mL de ácido oleico em 8 mL frasco selado com um septo.
    1. Furar o septo com uma agulha para ventilação e aquecer a solução a 160 ° C em banho de óleo e mexa vigorosamente até formar uma solução clara (aproximadamente 15 minutos).
    2. Mover o frasco e agulha para um forno e aquecê-los a 120 ° C, durante 1 h, em seguida, remova a agulha de ventilação e deixar a solução arrefecer à temperatura ambiente ao ar livre.
  4. Adicionar 0,5 mL da mistura de alta concentração de césio-chumbo a 47,5 mL de tolueno em um frasco de 50 mL lacrado e agite vigorosamente.
  5. Carregar o precursor de brometo e diluir o precursor de césio-chumbo em suas respectivas seringas e iniciar o processo de caracterização automatizadas fluindo os dois precursores juntos nas condições desejadas (ver passo 3).
    Nota: Para os experimentos detalhados nos Resultados de representante, rácios de injeção volumétrica de 6.4:1 de chumbo para brometo de césio e 1:1 da fase portadora de gás para líquido líquido foram usados em taxas de fluxo total variável.

3. a interface de operação

Nota: A totalidade da coleção de dados é realizada através da plataforma automatizada reação depois que o usuário especifica uma série de condições de fluxo a ser testado. Os procedimentos gerais para o funcionamento da interface do usuário durante este período inicial de entrada estão detalhados abaixo.

  1. Abra o software de operação automatizada para exibir o painel frontal de usuário interface (mostrado na Figura 3).
  2. Mover para o painel de configurações do espectrômetro e começar a encher todas as entradas.
    1. Cole o caminho do arquivo para os dados desejados, salvar a pasta na caixa de raiz do arquivo de dados .
    2. Em Espectrômetro de visto, selecione o endereço de conexão USB para o espectrômetro. Se não for conhecido o endereço do USB espectrômetro, identifica sua localização através da página de área de trabalho Gerenciador de dispositivos .
    3. Selecione o tempo de integração, o número dos espectros a média por amostrae o número dos espectros para salvar por condição para absorção (Abs) e fluorescência (gripe). No caso da síntese detalhada no passo 2, definir um tempo de integração de 12 ms para a absorção e 4 ms para a fluorescência em média mais de 10 espectros.
    4. Se caracterizando fluxo monofásico, passe para a próxima etapa, deixando o botão multifásico . Se caracterizando fluxo Multifase, selecione o botão de várias fases e definir o comprimento mínimo da amostra para que aproximadamente 2 oscilações completas do gás-líquido podem passar o ponto de amostragem. Em seguida, atribua o número de amostras para levar dentro dessa janela de amostragem.
      Nota: O tempo de amostragem-resolução dentro de uma fase multi fluxo pode ser limitado pelas configurações do espectrômetro, e ajustes podem ser necessários se buscando uma resolução mais alta.
  3. Mover para o painel de configuração de bomba e começar a encher todas as entradas.
    1. Sob COM 1 seringa, seringa 2 COM e COM bomba dupla, atribua endereços de comunicação USB para todas as bombas. Consulte a etapa 3.2.2 para o processo de identificação de endereço.
    2. Defina os diâmetros internos de seringa, que pode ser encontrado na interface de bomba ou dentro dos manuais de seringa, para todas as seringas em uso. Para configurações não implementar todas as seringas, deixe os diâmetros externos seringa os valores padrão.
    3. Se coletando espectros de referência de absorção, identificar uma solução aceitável em branco, carregá-lo em uma seringa anexada e definir a respectiva seringa para uma taxa de fluxo moderado (aproximadamente 300 µ l/min) na respectiva caixa de taxa de fluxo de Ref .
  4. Mover para o painel de configuração do sistema e começar a encher todas as entradas.
    1. Se os locais de estágio foram otimizados e são exibidos corretamente em posições de estágio, selecione o botão de posição anterior de uso e mover para a próxima etapa. Se os locais de estágio não foram otimizados, atribua um tamanho de janela de posição do palco e vincular as posições de estágio aproximado (dentro do intervalo de posição) usando um vetor de CSV e a caixa do caminho do arquivo . Deixe a caixa de incremento de palco a 0,5 mm e caixa Inicialização Passes às 8.
    2. Calcular o volume do segmento do reator no centro da junção para o porto de amostragem final e que o valor de entrada na caixa de volume do sistema . Deixar o tempo de equilíbrio mínimo em 10 s.
  5. Verifica a exatidão de todas as entradas e selecione o botão executar no canto superior esquerdo da interface.
    Nota: Entradas no painel frontal não podem ser alteradas depois que o software iniciou sua operação.
  6. Na janela salvar espectros de referência , selecione Sim se os espectros de referência serão salvo ou não , se eles não vão.
  7. Na janela definir taxas de fluxo de condição , selecione configurações de taxa de fluxo desejada até 30 para testar, deixando todas as entradas não utilizadas da seringa em branco.
  8. Selecione Okey e permitir que o sistema funcione até tem sido amostradas todas as condições desejadas; o sistema desliga por conta própria. Se o sistema precisa ser parado por qualquer motivo, selecione o botão de parar cedo e permitir que o processo fechar.
    Cuidado: Usando a abortar botão no canto superior esquerdo da interface não permitirá que o sistema desligar as bombas ou fontes de luz, potencialmente danificar o equipamento e/ou podem representar um risco significativo para a saúde através de exposição a luz UV.

4. Pathlength correções

  1. Para obter a correlação de correção pathlength para cada porta, primeiro Injete uma solução estável de perovskites dispersada em tolueno no segmento de reator, até que o tubo do reator é uniformemente preenchido.
  2. Executar o processo de amostragem automatizada nesta solução uniforme para 4 passes completo do fluxo de celular (consulte a etapa 3 para o procedimento de operação).
  3. Aplicar correções de linha de base para fluorescência e espectros de absorção e, em seguida, média geral para as passagens pela localização do porto. Normalizar todas as curvas em referência as intensidades de comprimento de onda em 455 nm e 485 nm para absorção e fluorescência respectivamente (ver Figura 4).
  4. Use o fator de normalização, calculado em cada porto para dimensionar proporcionalmente as curvas de todos os espectros subsequentes.

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Representative Results

Espectros da amostra: Utilizando a plataforma microfluidic discutido, os estágios de nucleação e crescimento de nanocristais semicondutores coloidal na temperatura de síntese podem ser diretamente estudados, monitorando a evolução temporal dos espectros de absorção e fluorescência do nanocristais formado sob condições de mistura de uniforme. Figura 5 A mostra um exemplo de conjunto dos espectros obtidos dentro de uma única passagem da célula de fluxo de três portas. Enquanto que as distribuições de comprimento de onda de emissão sós fornecem informações valiosas para aplicações em LED de alta qualidade de fabricação, cabendo as absorção e emissão bandgap energias dentro de modelos de aproximação de massa efetiva experimentalmente validados permitiria que o monitoramento contínuo das distribuições de tamanho de nanopartículas em toda as sínteses. 14 conjuntos equivalentes de espectros foram obtidos em diferentes taxas de fluxo e comprimentos de reator, o que permitiu uma coleta de dados em toda a residência vezes abrangendo 100 ms - 17 min.

Nanocristais cineticamente sintonizável: os padrões de recirculação axissimétrico formados dentro dos segmentos líquidos de fluxo Multifase permite controle dependente da velocidade de transferência de massa. 21 um estudo do calendário misturando dependente da velocidade de tempo de residência demonstrou o cinético pré-definido em vias de crescimento de nanocrystal para as perovskita QDs (consulte a Figura 5B). Nossa plataforma modular desenvolvida permite, pela primeira vez, um estudo sistemático do efeito do tempo de mistura do cedo-estágio na finais propriedades óticas de nanocristais formada. Através de variações na velocidade da lesma reativa, mantendo todos os outro constante de parâmetros, uma diferença no pico de emissão comprimentos de onda tão grandes como 25 nm em um tempo de residência equivalente foi observada. Novas avaliações do sistema coloidal ilustrado que a diferença observada no comprimento de onda de emissão foi mantida na residência mais vezes, resultando em nanocristais estável, cinètica ajustáveis. 15

Figure 2
Figura 2 . Montado inteiramente automatizada reação plataforma de triagem. Esta figura mostra uma reação automatizada totalmente montada triagem plataforma com uma unidade de extensão de reator único entre os 14th e 15th porta de amostragem. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3 . Interface do usuário para operação de plataforma automatizada. Este painel mostra a interface do usuário, que permite o controle e ajuste de parâmetros, tais como as taxas de fluxo de seringa, condições de medição do espectrômetro e amostragem de posição, para a caracterização de uma vasta gama de semicondutores coloidal sínteses de nanocrystal. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4 . Processo para correção de pathlength. Este painel mostra o processo para uma correção de pathlength pela porta usando A. espectros de absorção coletados mais de 20 portos de amostragem com B. os espectros normalizados em relação a absorvância a 455 nm em uma solução coloidal CsPbBr3 perovskites dispersos em tolueno e C. espectros de fotoluminescência respectivos (PL) D. normalizados para a intensidade de sinal 485 nm. Adaptado de Epps et al 15 com permissão de The Royal Society of Chemistry. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 5
Figura 5. Espectros de amostra e demonstração de cinética pré-definido. Estes painéis mostram A. os espectros de fluorescência (I) e absorção (A) coletaram dentro de uma única passagem da célula de fluxo em um multifásico reativo CsPbBr3 perovskita sistema se movendo a uma velocidade de lesma médio de aproximadamente 0,2 cm/s e B. o pico da fluorescência de comprimento de onda (λP) em função do tempo de residência plotados para 11 velocidades diferentes lesma média, variando de 0,6 a 130 mm/s com espectros de fluorescência do exemplo mostrado na residência vezes e lesmas velocidades de 200 e 1,0 mm/s (topo) , 0,9 0,9 e 75 mm/s (médio) e s s e 130 mm/s (parte inferior). Adaptado de Epps et al 15 com permissão de The Royal Society of Chemistry. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 6
Figura 6 . Fluxograma de processo para o processo de coleta de dados controlados por software geral. Isso inclui a inicialização do hardware o processo, as progressões de amostragem recursiva e o desligamento final da plataforma. Adaptado de Epps et al 15 com permissão de The Royal Society of Chemistry. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 7
Figura 7 . Carta de fluxo de processo de software de automação para o método de atribuição de localização porto. O algoritmo primeiro é executado um número especificado de passes da célula de fluxo, seguido por uma detecção de Porto ideal através da leitura de espectrômetro da intensidade de sinal LED de estabilização. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 8
Figura 8 . Isolamento de espectros de várias fases da amostra. Estes painéis mostram o isolamento de espectros de várias fases de amostra para um. fluorescência a 500 nm e B. absorvância a 380 nm, ao longo do tempo para uma solução de perovskites dispersos em tolueno. A região verde indica o intervalo de tempos de amostragem ideal. Painel de C. mostra os espectros de absorção (solução de fluoresceína) comparando métodos de amostragem de várias fases, no que se refere à velocidade de lesma. "Det" indica que o algoritmo de detecção de plug foi aplicado, e "Avg" indica que as amostras foram assumidas mesmo intervalos de tempo e em média juntos. Observe que o método de deteção de plug aplicado ao lento movimento lesmas produzidos equivalente espectros como a média simples do sistema de velocidade mais alta. Adaptado de Epps et al 15 com permissão de The Royal Society of Chemistry. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 9
Figura 9 . Demonstração da estabilidade de medição palco passa. Isto é uma demonstração da estabilidade da medição através de passagens de fase usando A. a intensidade de sinal de absorção a 500 nm e B. a intensidade de fluorescência em 380 nm em uma referência de tolueno normalizado pela localização do porto e uma média de mais de 30 passes completo da célula de fluxo. As barras de erro indicam um intervalo de confiança de 95%, e valores não desviaram-se para além de ± 1% da média da leitura. Adaptado de Epps et al 15 com permissão de The Royal Society of Chemistry. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

Sistema de amostragem automático: A operação autónoma da plataforma de triagem é realizada com uma máquina de estado finito de controle central. Movimento entre estes Estados ocorre sequencialmente com vários segmentos recursiva para permitir a operação através de um número variável das condições de colheita. Os controles de sistema geral podem ser divididos em 3 estágios do núcleo. Primeiro, o sistema começa com um passo de inicialização, que estabelece comunicação através de cada componente controlado por USB, automaticamente define arquivo salvar caminhos e os prompts de entradas do usuário inicial. O programa então atravessa o processo de amostragem para cada condição de reação entrou até que todos foram coletados os dados desejados. Finalmente, um processo de terminação retorna todo o hardware para a posição inicial antes de terminar a operação de script. O movimento geral dentro deste software é detalhado na Figura 6.

Porta deteção: No âmbito da automação principais são várias subfunções críticas que permitem caracterizações de reação eficaz e eficiente. Primeiro, a Figura 7 mostra uma parte do segmento de "Inicialização", onde as posições de porta de amostragem são definidas para a fase de tradução. A função de deteção de Porto primeiro estabiliza o segmento de reator imitando o movimento de célula de fluxo ao longo do reator para 8 passes completo. Então detecta a localização ideal do Porto através de uma janela de 1 mm por volta a localização estimada de amostragem a intensidade de fluorescência e selecionando a posição da intensidade máxima. Esta localização é salvo para cada porta e usada como as posições de estágio durante os procedimentos de amostragem subsequentes.

Ao alternar a fonte de luz: Os espectros de absorção e fluorescência eficientes de amostragem dentro da célula de fluxo de três portas é realizado com uma fonte de luz automatizada, alternando o sistema. Ao atingir a porta de amostragem, 10 espectros para ambos absorvância a um tempo de integração de 15 ms e fluorescência em um momento de integração 4-ms podem ser recolhidos em tão pouco como 400 MS. quando movendo-se entre as localidades de amostra, a lâmpada de DH e o LED está desativada. Ao chegar ao porto de amostragem desejada, a lâmpada DH é acionada na, e as condições de amostragem de absorbância são definidas no espectrômetro, seguido pela coleta de amostra. A lâmpada de DH é então desativada, enquanto o LED é ativado. O processo de amostragem é repetido para as condições de fluorescência, e ambas as luzes então estão desligadas.

Slug deteção: Em sistemas de fluxo de várias fases, coleta de amostra eficiente requer uma combinação de técnicas de amostragem, que dependem da velocidade da lesma em movimento. A velocidade de lesma do limiar onde um algoritmo de deteção torna-se menos eficaz do que a média simples foi encontrada para ocorrer em aproximadamente 11 mm/s. No caso de sistemas de baixa velocidade, único espectros de amostragem é efectuadas a intervalos uniformes em todo o comprimento estimado de 2 fluidos lesmas (aproximadamente 1 cm). Dentro os espectros obtidos através deste processo de amostragem, os 10 espectros ideais no centro de fluido em massa da lesma são isolados usando uma variação local de cinco pontos de um determinado comprimento de onda ao longo do tempo - 400 nm para fluorescência e 380 nm de absorvância - como mostrado em Figura 8. Dentro de sistemas superior da velocidade do fluido, no entanto, a janela de amostragem disponível de uma lesma em movimento única supera a taxa de amostragem eficaz do espectrómetro. Nestes casos, uma média de 10 espectros coletados ao longo de intervalos uniformes juntos foi encontrada para ser suficiente.

Especificações do sistema: Através da aplicação de várias unidades de extensão de 87 cm, portos de amostragem pode ser posicionado em comprimentos de tubagem de reator variando de 3-196 cm. A combinação de diferentes taxas de fluxo e movimentação de pilha de fluxo permite que em situ caracterização espectral na residência vezes variando de 100 ms - 17 minutos, com uma taxa de amostragem tão alto quanto 30.000 espectros por dia. Além disso, cada espectro de absorção ou fluorescência foi obtido com notavelmente baixo consumo químico, exigindo apenas 2 µ l por espectros no momento da amostragem e 20 µ l por espectros globais (a partir de inicialização para desligamento). Esta alta taxa de amostragem e eficiência podem ser atribuídas à coleção de até 40 espectros exclusivos dentro de um sistema equilibrado através da célula de fluxo a tradução. Depois de aplicar o pathlength correção processos, alinhamento de porta e estabilização do reator, a plataforma foi mostrada para ser exato para mais de 30 passes completo da célula de fluxo (Figura 9). Em uma caracterização das intensidades de sinal a respectiva fonte de luz em uma referência de tolueno, verificou-se que o erro nas contagens de um determinado comprimento de onda para cada porta manteve-se dentro de 1% em todos os 30 passes em sinais de fluorescência e absorção. Esta estabilidade no sistema de medição de reator habilitado Estudos extensivos materiais de detecção, análise e otimização para efectuar com mínima interferência manual, resultando na coleta de dados mais consistente do mesmo lote de precursores.

Prolongado espaço de amostragem: A relação entre tempo de velocidade e residência fluido tem muitas vezes sido confundida em síntese existente, estudos de triagem. Para caracterizações implementando uma pilha de fluxo estacionário, por exemplo, tempos de residência variável são obtidos ajustando-se velocidades de fluido líquidas. No entanto, conforme detalhado pela avaliação de cinética pré-definido em crescimento nanocrystal discutida anteriormente, este método de caracterização de reação é provável insuficiente para estudos de uma vasta gama de sínteses de semicondutores coloidal com nucleação rápida e cinética de crescimento. Dissociação entre o tempo de permanência da velocidade do fluido através da aplicação de um sistema portátil de amostragem expande o espaço de amostragem de uma forma que não tem sido explorado anteriormente. Assim, a tecnologia modular desenvolvida permite a descoberta e estudos exploratórios da próxima geração de nanomateriais coloidais com precisão significativamente aprimorado e controle sobre as condições de síntese.

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Disclosures

North Carolina State University arquivou uma patente provisória (#62/558.155) na plataforma microfluidic discutido.

Acknowledgments

Os autores reconhecem com gratidão o apoio financeiro fornecido pela North Carolina State University. Milad Abolhasani e Robert W. Epps com gratidão reconheceram o apoio financeiro da concessão a iniciativa de oportunidades de pesquisa 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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