Fabricación de microesferas de polímero para aplicaciones de resonador óptico y láser
Summary
Se presentan protocolos para la síntesis de microesferas a partir de polímeros, la manipulación de microesferas y medidas de micro-fotoluminiscencia.
Abstract
Este documento describe tres métodos de preparación de microesferas fluorescentes que comprenden polímeros conjugados o no conjugados: difusión de vapor, precipitación en interfase y mini-emulsión. En todos los métodos, se obtienen esferas bien definidas de tamaño micrométrico a partir de un proceso de autoensamblaje en solución. El método de difusión de vapor puede dar lugar a esferas con la mayor esfericidad y suavidad superficial, aunque los tipos de polímeros capaces de formar estas esferas son limitados. Por otra parte, en el método de mini-emulsión, las microesferas se pueden fabricar a partir de diversos tipos de polímeros, incluso de polímeros altamente cristalinos con espinas dorsales coplanares, conjugadas con π. Las propiedades fotoluminiscentes (PL) de las microesferas aisladas aisladas son inusuales: la PL está confinada dentro de las esferas, se propaga en la circunferencia de las esferas a través de la reflexión interna total en la interfase polımero / aire y se autointerfiere para mostrar resonancias agudas y periódicas Líneas PL. Estos resonanciaG son los denominados "modos de galería susurrantes" (WGMs). Este trabajo demuestra cómo medir WGM PL a partir de esferas aisladas aisladas utilizando la técnica de micro-fotoluminiscencia (μ-PL). En esta técnica, un rayo láser enfocado irradia una sola microesfera, y la luminescencia es detectada por un espectrómetro. A continuación, se utiliza una técnica de micromanipulación para conectar las microesferas una a una y para demostrar la propagación de la intersphere PL y la conversión de color a partir de microesferas acopladas por excitación en el perímetro de una esfera y detección de PL desde la otra microesfera. Estas técnicas, μ-PL y micromanipulación, son útiles para experimentos en aplicaciones de micro-óptica utilizando materiales poliméricos.
Introduction
Las partículas de nano / micro dimensiones de polímero se usan ampliamente para una variedad de aplicaciones, incluyendo como soporte de catalizador, cargas de cromatografía en columna, agentes de liberación de fármacos, sondas fluorescentes para seguimiento de células, medios ópticos, etcétera 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 . En particular, los polímeros conjugados con π tienen propiedades luminescentes inherentes y propiedades de conducción de carga que son beneficiosas para aplicaciones ópticas, electrónicas y optoelectrónicas que utilizan esferas de polímero 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , especialmente aplicaciones de láser que usan soft orgAnic materials 15 , 16 , 17 . Por ejemplo, la integración tridimensional de esferas con varios cientos de diámetros de nanómetro forma cristales coloidales, que muestran holguras de bandas fotónicas a una cierta longitud de onda 18 , 19 . Cuando la luz está confinada en la estructura periódica de la intersfera, la acción láser aparece en el centro de la banda de parada. Por otra parte, cuando el tamaño de las esferas aumenta a la escala de varios micrómetros, la luz se confina dentro de una sola microesfera a través de la reflexión interna total en la interfaz polımero / aire 20 . La propagación de la onda luminosa en la circunferencia máxima resulta en interferencia, dando lugar a la aparición de un modo resonante con líneas de emisión agudas y periódicas. Estos modos ópticos son los llamados "modos de galería susurrantes" (WGMs). El término "galería susurrante" se originóSt. Paul's Cathedral en Londres, donde las ondas sonoras se propagan a lo largo de la circunferencia de la pared, permitiendo susurros ser escuchado por una persona en el otro lado de la galería. Debido a que la longitud de onda de la luz está en la escala sub-micrométrica, que es mucho más pequeña que las ondas sonoras, una cúpula tan grande no es necesaria para el WGM de la luz: vasos diminutos, micrométricos, bien definidos, como microesferas, microdiscos , Y los microcristales, cumplen las condiciones de WGM.
La ecuación 1 es una forma simple de la condición de resonancia WGM 21 :
Nπd = lλ (1)
Donde n es el índice de refracción del resonador, d es el diámetro, l es el número entero y λ es la longitud de onda de la luz. La parte izquierda de (1) es la longitud de la trayectoria óptica a través de una propagación de un círculo. Cuando la trayectoria óptica coincide con laMúltiplo entero de la longitud de onda, se produce resonancia, mientras que en la otra longitud de onda, la onda luminosa disminuye al redondear.
Este documento presenta varios métodos experimentales para preparar microesferas para resonadores WGM a partir de polímeros conjugados en disolución: difusión de vapor 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 29 , 30 , mini-emulsión 31 y precipitación en interfase 32 . Cada método tiene características únicas; Por ejemplo, el método de difusión de vapor proporciona microesferas bien definidas con esfericidad muy alta y superficies lisas, pero sólo polímeros de baja cristalinidad pueden formar estas microesferas. Por otra parte, para la mini-emulsión, Varios tipos de polímeros conjugados, incluyendo polímeros de alta cristalina, pueden formar esferas, pero la morfología superficial es inferior a la obtenida a partir del método de difusión de vapor. El método de precipitación de interfases es preferible para crear microesferas a partir de polímeros no conjugados dopados con colorante. En todos los casos, la selección del disolvente y del no disolvente juega un papel importante en la formación de la morfología esférica.
En la segunda mitad de este trabajo se presentan técnicas de micro-manipulación y μ-PL. Para la técnica μ-PL, se dispersan microesferas sobre un sustrato, y se utiliza un haz láser enfocado, a través de una lente de microscopio, para irradiar una única microesfera aislada 24 . El PL generado desde una esfera es detectado por un espectrómetro a través de la lente del microscopio. Mover la etapa de muestreo puede variar la posición del punto de excitación. El punto de detección también es variable inclinando la óptica del colimador de la excitaciónTación con respecto al eje óptico de la trayectoria de detección 28 , 32 . Para investigar la propagación de luz intersphere y la conversión de longitud de onda, la técnica de micro-manipulación se puede utilizar [ 32] . Para conectar varias microesferas con diferentes propiedades ópticas, es posible recoger una esfera utilizando una microaguja y colocarla en otra esfera. Conjuntamente con las técnicas de micromanipulación y el método μ-PL, se pueden realizar diversas mediciones ópticas utilizando esferas de polímero conjugado, que se preparan mediante un método de autoensamblaje simple. Este documento de vídeo será útil para los lectores que deseen utilizar materiales poliméricos blandos para aplicaciones ópticas.
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…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue parcialmente apoyado por KAKENHI (25708020, 15K13812, 15H00860, 15H00986, 16H02081) de JSPS / MEXT Japón, la Asahi Glass Foundation y la Universidad de Tsukuba Pre-estratégica iniciativa, "Conjunto de luz con asuntos y vida".
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 |
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