Optik Rezonatör ve Lazer Uygulamalarında Polimer Mikrokürelerin Üretimi
Summary
Polimerlerden mikro kürelerin sentezi için protokoller, mikro kürelerin manipülasyonu ve mikro fotolüminesans ölçümleri sunulmaktadır.
Abstract
Bu yazıda, π-konjuge veya konjuge polimerlerden oluşan flüoresan mikrosferlerin hazırlanması için üç yöntem açıklanmaktadır: buhar difüzyon, arayüz çökeltme ve mini emülsiyon. Tüm yöntemlerde, iyi tanımlanmış mikrometre boyutlu küreler, çözeltideki kendi kendine montaj sürecinden elde edilir. Buhar difüzyon yöntemi, en yüksek sferikliğe ve yüzey düzgünlüğüne sahip kürlere neden olabilir, ancak bu küreleri oluşturabilen polimer türleri sınırlıdır. Öte yandan, mini emülsiyon yönteminde, mikroküreler çeşitli düzeneklerden, hatta eş düzlemli, π-konjuge omurgalı çok kristalli polimerlerden yapılabilir. Tekli izole mikro küreciklerdeki fotolüminesan (PL) özellikleri sıradışıdır: PL, kürlerin içinde sınırlanır, polimer / hava arayüzünde toplam iç yansıma yoluyla kürelerin çevresine yayılır ve keskin ve periyodik rezonant göstermek için kendi kendine müdahale eder PL hatları. Bu rezonansG modlarına "fısıldayan galeri modları" denir (WGM'ler). Bu çalışma, mikro-fotolüminesans (μ-PL) tekniğini kullanarak tek izole edilmiş kürelerden WGM PL'nin nasıl ölçüleceğini göstermektedir. Bu teknikte, odaklanmış bir lazer ışını tek bir mikrokürede ışıma yapar ve lüminesans bir spektrometre ile tespit edilir. Daha sonra bir mikromanipülasyon tekniği, mikroküreleri birer birer bağlamak ve bir kürenin çevresindeki uyarılma üzerine bağlanmış mikrosferlerden kalsiyum PL yayılımı ve renk dönüşümünü göstermek ve diğer mikrosferden PL bulgulamak için kullanılır. Bu teknikler, μ-PL ve mikromanipülasyon, polimer materyalleri kullanarak mikro-optik uygulama deneyleri için yararlıdır.
Introduction
Polimer nano / mikro boyutlu parçacıklar, katalizör desteği, kolon kromatografı dolum maddeleri, ilaç verme maddeleri, hücre izlemesi için flüoresan sondalar, optik ortamlar ve benzeri 1 , 2 , 3 , 4 , 5 gibi çeşitli uygulamalar için yaygın olarak kullanılmaktadır. , 6 , 7 , 8 , 9 . Özellikle, π-konjüge polimerleri, polimer küreler 10 , 11 , 12 , 13 , 14'ü kullanan optik, elektronik ve optoelektronik uygulamalara yönelik özellikle lüminesen ve şarj iletken özelliklere sahiptir, özellikle yumuşak organ kullanımı lazer uygulamalarıAnik materyal 15 , 16 , 17 . Örneğin, kürelerin birkaç yüz nanometre çaplı üç boyutlu entegrasyonu, belirli bir dalga boyunda 18 , 19 fotonik bant boşlukları gösteren kolloidal kristalleri oluşturur. Işıklar, alanlar arası periyodik yapıda sınırlandığında, durma bandının ortasında lasing eylemi görülür. Öte yandan, kürelerin boyutu birkaç mikrometre skala kadar arttığında, ışık, polimer / hava arayüzü 20'de toplam iç yansıma yoluyla tek bir mikrokürede sınırlanır. Maksimum çevredeki ışık dalgasının yayılması parazite neden olur ve keskin ve periyodik emisyon çizgileri olan bir rezonant modun ortaya çıkmasına neden olur. Bu optik modlara "fısıldayan galeri modları" denir (WGM'ler). "Fısıltılı galeri" terimi,Londra'daki St. Paul Katedrali'nde ses dalgaları duvarın çevresinde dolaşıyor ve galerinin diğer tarafında bir kişi tarafından fısıltıların duyulmasını sağlıyor. Işık dalgaboyu, ses dalgalarına göre çok daha küçük alt mikrometre ölçeğinde olduğundan, WGM ışığı için böyle büyük bir kubbe gerekli değildir: küçük, mikrometre ölçekli, mikroküreler, mikrodiskler gibi iyi tanımlanmış kaplar , Ve mikro kristaller, WGM koşullarını yerine getirir.
Eşitlik 1, WGM rezonant koşulunun basit bir biçimidir 21 :
Nπd = lλ (1)
Burada n , rezonatörün kırılma indisidir, d , çaptır, l , tam sayıdır ve λ , ışığın dalga boyudur. (1) 'in sol kısmı, bir daire yayılımı boyunca optik yol uzunluğudur. Optik yol,Rezonans oluşur, diğer dalga boyunda ışık dalgası yuvarlama üzerine azalır.
Bu yazıda, çözeltide konjuge polimerlerden WGM rezonatörleri için mikroküreler hazırlamak için birkaç deneysel yöntem sunulmaktadır: buhar difüzyonu 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 29 , 30 , mini emülsiyon 31 ve ara yüz çöktürme 32 . Her yöntemin kendine özgü özellikleri vardır; Örneğin, buhar difüzyon yöntemi, çok yüksek küresellik ve pürüzsüz yüzeyler ile iyi tanımlanmış mikro küreler verir, ancak bu mikro küreleri yalnızca düşük kristalli polimerler oluşturabilir. Öte yandan, mini emülsiyon içinYönteminde yüksek kristalli polimerler de dahil olmak üzere çeşitli konjuge polimerler küreler oluşturabilir ancak yüzey morfolojisi buhar difüzyon metodundan daha düşüktür. Arayüz çökeltme yöntemi, boya katkılı, konjuge olmayan polimerlerden mikro küre oluşturmak için tercih edilir. Her durumda, çözücünün ve çözücü olmayan madde seçimi küresel morfolojinin oluşumunda önemli bir rol oynamaktadır.
Bu yazının ikinci yarısında μ-PL ve mikro manipülasyon teknikleri sunulmuştur. Μ-PL tekniği için mikrosferler bir alt tabaka üzerine dağılır ve mikroskop mercekleri vasıtasıyla odaklanmış bir lazer ışını, tek izole edilmiş bir mikrosfer 24'ü ışınlamak için kullanılır. Bir küreden üretilen PL, mikroskop mercekleri aracılığıyla bir spektrometre ile tespit edilir. Numune kademesinin hareket ettirilmesi, uyarma noktasının konumunu değiştirebilir. Algılama noktası, ayrıca, exci'nin kolimatör optiklerinin eğilmesi ile de değişkendirAlgılama yolunun ( 28 , 32) optik eksenine göre optik tayfa lazer ışını. İnterphere ışık yayılımını ve dalga boyu dönüşümünü araştırmak için mikro manipülasyon tekniği kullanılabilir 32 . Farklı optik özelliklere sahip birkaç mikrosfer bağlamak için bir mikro iğne kullanarak bir küre alıp başka bir küre üzerine koymak mümkündür. Mikromanipülasyon teknikleri ve μ-PL yöntemi ile birlikte, çeşitli optik ölçümler, basit bir kendi kendini düzenleme yöntemiyle hazırlanan konjuge polimer küreler kullanılarak gerçekleştirilebilir. Bu video kağıdı, optik uygulamalar için yumuşak polimer malzemeler kullanmak isteyen okuyucular için yararlı olacaktır.
Protocol
Representative Results
Discussion
The selection of a good solvent and non-solvent is very important for the self-assembly of well-defined microspheres. If the solubility of a polymer is too high, precipitation will not occur. Also, in general, π-conjugated polymers are hydrophobic, so polar non-solvents, such as MeOH, acetonitrile, and acetone, are often used in the vapor diffusion method to minimize the surface energy required to form a spherical shape. The interface precipitation method is often adopted for the preparation of dye-doped polymer mic…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma kısmen JSPS / MEXT Japonya, Asahi Cam Vakfı ve Tsukuba Üniversitesi Öncelikli stratejik girişim "Önemli ve hayatlı ışık topluluğu" ndan KAKENHI (25708020, 15K13812, 15H00860, 15H00986, 16H02081) tarafından desteklendi.
Materials
| polystyrene | Aldrich | 132427-25G | |
| sodium dodecylsulfate | Kanto Kagaku | 372035-31 | |
| tetrahydrofuran | Wako | 206-08744 | |
| chloroform | Wako | 038-18495 | |
| methanol | Wako | 139-13995 | |
| Poly(9,9-di-n-octylfluorenyl-2,7-diyl) | Aldrich | 571652-500MG | |
| Poly[2-methoxy-5-(3′,7′-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylenevinylene] (MDMOPPV) | Aldrich | 546461-1G | |
| poly[(9,9-dioctylfluorene-2,7-diyl)-alt-(5-octylthieno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione-1,3-diyl)] (P1) | synthesized | – | reference 28 |
| poly[(N-(2-heptylundecyl)carbazole-2,7-diyl)-alt-(4,8-bis[(dodecyl)carbonyl]benzo[1,2-b:4,5-b′]dithiophene-2,6-diyl)] (P2) | synthesized | – | reference 28 |
| fluorescent dye (boron dipyrrin; BODIPY) | synthesized | – | reference 32 |
| Optical Microscope | Nicon | Eclipse LV-N | |
| laser_405 nm | Hutech | DH405-10-5 | |
| laser_355 nm | CNI | MPL-F-355-10ｍW | |
| Spectrometer | Lambda Vision | LV-MC3/T | |
| Homogenizer | Microtech Nichion | Physcotron NS-360D | |
| micromanipulation | Microsupport | Quick Pro QP-3RH |
References
- Ford, W. T., Chandran, R., Turk, H. Catalysts Supported on Polymer Colloids. Pure Appl. Chem. 60 (3), 395-400 (1988).
- Chen, C. -. W., Chen, M. -. Q., Serizawa, T., Akashi, M. In Situ Synthesis And the Catalytic Properties of Platinum Colloids on Polystyrene Microspheres with Surface-Grafted Poly(N-isopropylacrylamide). Chem. Commun. , 831-832 (1998).
- Suzuki, K., Yumura, T., Mizuguchi, M., Tanaka, Y., Chen, C. -. W., Akashi, M. Poly(N-isopropylacrylamide)-Grafted Silica as a Support of Platinum Colloids: Preparation Method, Characterization, and Catalytic Properties in Hydrogenation. J. Appl. Polym. Sci. 77, 2678-2684 (2000).
- Zhang, S., Chen, L., Zhou, S., Zhao, D., Wu, L. Facile Synthesis of Hierarchically Ordered Porous Carbon via in Situ Self-Assembly of Colloidal Polymer and Silica Spheres and Its Use as a Catalyst Support. Chem. Mater. 22, 3433-3440 (2010).
- Kataoka, K., Harada, A., Nagasaki, Y. Block Copolymer Micelles for Drug Delivery: Design Characterization And Biological Significance. Adv. Drug Deliv. Rev. 47, 113-131 (2001).
- Otsuka, H., Nagasaki, Y., Kataoka, K. P. EGylated Nanoparticles for Biological And Pharmaceutical Applications. Adv. Drug Deliv. Rev. 55, 403-419 (2003).
- Nishiyama, N., Kataoka, K. Current State, Achievements, And Future Prospects of Polymeric Micelles as Nanocarriers for Drug and Gene Delivery. Pharmacol. Ther. 112, 630-648 (2006).
- Velev, O. D., Kaler, E. W. In Situ Assembly of Colloidal Particles into Miniaturized Biosensors. Langmuir. 15 (11), 3693-3698 (1999).
- Techawanitchai, P., Yamamoto, K., Ebara, M., Aoyagi, T. Surface Design with Self-Heating Smart Polymers for On-Off Switchable Traps. Sci. Technol. Adv. Mater. 12, 044609 (2011).
- Lange, U., Roznyatovskaya, N. V., Mirsky, V. M. Conducting Polymers in Chemical Sensors And Arrays. Anal. Chim. Acta. 614, 1-26 (2008).
- Rajesh, T., Kumar, D. Recent Progress in the Development of Nano-Structured Conducting Polymers/Nanocomposites for Sensor Applications. Sens. Actuators B. 136, 275-286 (2009).
- Wu, C., Szymanski, C., Cain, Z., McNeill, J. Conjugated Polymer Dots for Multiphoton Fluorescence Imaging. J. Am. Chem. Soc. 129, 12904-12905 (2007).
- Feng, L., Zhu, C., Yuan, H., Liu, L., Lv, F., Wang, S. Conjugated Polymer Nanoparticles: Preparation, Properties, Functionalization And Biological Applications. Chem. Soc. Rev. 42, 6620-6634 (2013).
- Pecher, J., Mecking, S. Nanoparticles of Conjugated Polymers. Chem. Rev. 110, 6260-6279 (2010).
- McGehee, M. D., Heeger, A. J. Semiconducting (Conjugated) Polymers as Materials for Solid-State Lasers. Adv. Mater. 12, 1655-1668 (2000).
- Samuel, I. D. W., Turnbull, G. A. Organic Semiconductor Lasers. Chem. Rev. 107, 1272-1295 (2007).
- Kuehne, A. J. C., Gather, M. C. Organic Lasers: Recent Developments on Materials, Device Geometries, and Fabrication Techniques. Chem. Rev. 116, 12823-12864 (2016).
- Furumi, S., Kanai, T., Sawada, T. Widely Tunable Lasing in a Colloidal Crystal Gel Film Permanently Stabilized by an Ionic Liquid. Adv. Mater. 23, 3815-3820 (2011).
- Mikosch, A., Ciftci, S., Kuehne, A. J. C. Colloidal Crystal Lasers from Monodisperse Conjugated Polymer Particles via Bottom-Up Coassembly in a Sol-Gel Matrix. ACS Nano. 10, 10195-10201 (2016).
- Oraevsky, A. N. Whispering-Gallery Waves. Quant Electron. 32 (5), 377-400 (2002).
- Yamamoto, Y. Spherical Resonators from π-Conjugated Polymers. Polym. J. 48, 1045-1050 (2016).
- Adachi, T., et al. Spherical Assemblies from π -Conjugated Alternating Copolymers: Toward Optoelectronic Colloidal Crystals. J. Am. Chem. Soc. 135, 870-876 (2013).
- Tong, L., et al. Tetramethylbithiophene in π-Conjugated Alternating Copolymers as an Effective Structural Component for the Formation of Spherical Assemblies. Polym. Chem. 5, 3583-3587 (2014).
- Tabata, K., et al. Self-Assembled Conjugated Polymer Spheres as Fluorescent Microresonators. Sci. Rep. 4, 5902 (2014).
- Kushida, S., et al. Whispering Gallery Resonance from Self-Assembled Microspheres of Highly Fluorescent Isolated Conjugated Polymers. Macromolecules. 48, 3928-3933 (2015).
- Kushida, S., Braam, D., Lorke, A., Yamamoto, Y. Whispering Gallery Mode Photoemission From Self-Assembled Poly-Paraphenylenevinylene Microspheres. AIP Conf. Proc. ICCMSE. 1702, 090046 (2015).
- Braam, D., et al. Optically Induced Mode Splitting in Self-Assembled, High Quality-Factor Conjugated Polymer Microcavities. Sci. Rep. 6, 19635 (2016).
- Kushida, S., et al. Conjugated Polymer Blend Microspheres for Efficient Long-Range Light Energy Transfer. ACS Nano. 10, 5543-5549 (2016).
- Kushida, S., et al. Self-Assembled Polycarbazole Microspheres as Single-Component, White-Colour Resonant Photoemitters. RSC Adv. 6, 52854-52857 (2016).
- Aikyo, Y., et al. Enwrapping Conjugated Polymer Microspheres with Graphene Oxide Nanosheets. Chem. Lett. 45, 1024-1026 (2016).
- Landfester, K., et al. Semiconducting Polymer Nanospheres in Aqueous Dispersion Prepared by a Miniemulsion Process. Adv. Mater. 14, 651-655 (2002).
- Okada, D., et al. Color-Tunable Resonant Photoluminescence and Cavity-Mediated Multistep Energy Transfer Cascade. ACS Nano. 10, 7058-7063 (2016).
- Pecher, J., Mecking, S. Nanoparticles of Conjugated Polymers. Chem. Rev. 110, 6260-6279 (2010).
- Gather, M. C., Yun, S. H. Single-Cell Biological Lasers. Nat. Photon. 5, 406-410 (2011).
- Schubert, M., et al. Lasing within Live Cells Containing Intracelluler Optical Microresonators for Barcode-Type Cell Tagging and Tracking. Nano Lett. 15, 5647-5652 (2015).
