تصنيع المجهرية البوليمر لمرنان البصرية وتطبيقات الليزر
Summary
يتم عرض بروتوكولات لتجميع المجهرية من البوليمرات، والتلاعب من المجهرية، والقياسات الضوئية الدقيقة.
Abstract
وتصف هذه الورقة ثلاث طرق لإعداد المجهرية الفلورية تتألف من البوليمرات π مترافق أو غير مترافق: نشر البخار، وهطول واجهة، ومستحلب صغير. في جميع الأساليب، يتم الحصول على مجالات محددة جيدا، ميكرومتر الحجم من عملية التجميع الذاتي في الحل. طريقة نشر البخار يمكن أن يؤدي إلى المجالات مع أعلى كروية ونعومة السطح، ولكن أنواع البوليمرات قادرة على تشكيل هذه المجالات محدودة. من ناحية أخرى، في طريقة مستحلب صغيرة، ويمكن إجراء المجهرية من أنواع مختلفة من البوليمرات، حتى من البوليمرات البلورية للغاية مع كوبلانار، π مترافق مع العمود الفقري. وخصائص فوتولومينسنت (بل) من المجهرية معزولة واحدة غير عادية: بل يقتصر داخل المجالات، ينتشر في محيط المجالات عبر الانعكاس الداخلي الكلي في واجهة البوليمر / الهواء، والتداخل الذاتي لإظهار حادة ودورية الرنين خطوط بل. هذه ريسوناتينوسائط g هي ما يسمى "وسائط معرض يهمس" (ومز). يوضح هذا العمل كيفية قياس وم بل من المجالات المعزولة واحدة باستخدام تقنية الضوئية الدقيقة (μ-بل). في هذه التقنية، شعاع الليزر تركز إشعاعات ميكروسفهير واحد، ويتم الكشف عن التلألؤ من قبل مطياف. ثم يتم استخدام تقنية ميكرومانيبولاتيون لتوصيل المجهرية واحدا تلو الآخر، وإثبات انتشار بل بين الطبقات وتحويل اللون من المجهرية إلى جانب الإثارة في محيط مجال واحد والكشف عن بل من ميكروسفهير أخرى. هذه التقنيات، μ-بل و ميكرومانيبولاتيون، هي مفيدة للتجارب على تطبيق البصريات الصغيرة باستخدام مواد البوليمر.
Introduction
وتستخدم على نطاق واسع جزيئات البوليمر نانو / الجزئي الحجم لمجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك دعم المحفز، حشو اللوني العمود، وكلاء تسليم المخدرات، وتحقيقات الفلورسنت لتتبع الخلايا، وسائل الإعلام البصرية، وهكذا دواليك 1 ، 2 ، 3 ، 4 ، 5 ، 6 ، 7 ، 8 ، 9 . على وجه الخصوص، البوليمرات π مترافق لديها الانارة المتأصلة وشحن إجراء الخصائص التي هي مفيدة للتطبيقات البصرية والإلكترونية، والبصرية باستخدام مجالات البوليمر 10 ، 11 ، 12 ، 13 ، 14 ، وخاصة تطبيقات الليزر باستخدام الناعمة أورغمواد انيك 15 ، 16 ، 17 . على سبيل المثال، والتكامل ثلاثي الأبعاد من المجالات مع عدة مئات من أقطار نانومتر تشكل بلورات الغروية، والتي تظهر الفجوات الفرقة الضوئية في طول موجة معينة 18 ، 19 . عندما يقتصر الضوء في الهيكل الدوري إنتيرسفير، يظهر العمل لاسينغ في منتصف الفرقة توقف. من ناحية أخرى، عندما يزيد حجم المجالات إلى مقياس ميكرومتر عدة، يقتصر الضوء داخل ميكروسفهير واحد عن طريق الانعكاس الداخلي الكلي في واجهة البوليمر / الهواء 20 . ويؤدي انتشار الموجة الضوئية في المحيط الأقصى إلى التداخل، مما يؤدي إلى ظهور وضع الرنين مع خطوط انبعاث حادة ودورية. هذه الأوضاع البصرية هي ما يسمى "وسائط معرض يهمس" (ومز). مصطلح "معرض يهمس" نشأت منكاتدرائية القديس بولس في لندن، حيث تنتشر موجات صوتية على طول محيط الجدار، مما يسمح للسماس أن يسمع من قبل شخص على الجانب الآخر من المعرض. لأن الطول الموجي للضوء على مقياس ميكرومتر الفرعي، الذي هو أصغر بكثير من الموجات الصوتية، مثل هذه القبة الكبيرة ليست ضرورية ل وم من الضوء: صغيرة، ميكرومتر مقياس، وأوعية محددة جيدا، مثل المجهرية، ميكروديسس ، والبلورات الصغيرة، الوفاء بظروف وم.
المعادلة 1 هي شكل بسيط من حالة مرن وم 21 :
نود = lλ (1)
حيث n هو معامل الانكسار للمرنان، d هو القطر، l هو عدد صحيح، و λ هو الطول الموجي للضوء. الجزء الأيسر من (1) هو طول المسير البصري من خلال انتشار دائرة واحدة. عندما يتزامن المسار البصري مععدد صحيح من الطول الموجي، يحدث الرنين، بينما في الطول الموجي الآخر، يتم تقليل الموجة الخفيفة عند التقريب.
تقدم هذه الورقة عدة طرق تجريبية لإعداد المجهرية لمرنانات وم من البوليمرات المترافقة في الحل: نشر البخار 22 ، 23 ، 24 ، 25 ، 26 ، 27 ، 28 ، 29 ، 30 ، مستحلب صغير 31 ، وهطول واجهة 32 . كل طريقة لها خصائص فريدة من نوعها. على سبيل المثال، توفر طريقة نشر البخار المجهرية محددة جيدا مع كروية عالية جدا والأسطح الملساء، ولكن فقط البوليمرات منخفضة البلورية يمكن أن تشكل هذه المجهرية. من ناحية أخرى، لمستحلب صغير، وأنواع مختلفة من البوليمرات المترافق، بما في ذلك البوليمرات عالية البلورية، يمكن أن تشكل المجالات، ولكن التشكل سطح أقل شأنا من تلك التي تم الحصول عليها من طريقة نشر البخار. ويفضل استخدام طريقة الترسيب البيني في تكوين المجهرية من البوليمرات غير المخدرة الصبغية غير المترافقة. في جميع الحالات، واختيار المذيب وغير المذيبات يلعب دورا هاما في تشكيل التشكل كروية.
في النصف الثاني من هذه الورقة، يتم عرض تقنيات μ-بل والتلاعب الجزئي. بالنسبة إلى تقنية μ-بل، يتم تفريق المجهرية على ركيزة، ويتم استخدام شعاع ليزر مركز، من خلال عدسة المجهر، لإشعاع ميكروسفهير معزول واحد 24 . يتم الكشف عن بل ولدت من المجال من قبل مطياف من خلال عدسة المجهر. نقل مرحلة العينة يمكن أن تختلف الموقف من بقعة إثارة. نقطة الكشف هي أيضا متغيرة عن طريق إمالة البصريات الموازاة من إكسيشعاع الليزر تاتي فيما يتعلق المحور البصري من مسار الكشف 28 ، 32 . للتحقيق في إنتيرسفير انتشار الضوء وتحويل الطول الموجي، وتقنية التلاعب الجزئي يمكن استخدامها 32 . لربط العديد من المجهرية مع خصائص بصرية مختلفة، فمن الممكن لالتقاط المجال واحد باستخدام إبرة الدقيقة ووضعها على مجال آخر. بالتزامن مع تقنيات ميكرومانيبولاتيون وطريقة μ-بل، يمكن إجراء قياسات بصرية مختلفة باستخدام كرات البوليمر مترافق، والتي يتم إعدادها بواسطة طريقة التجميع الذاتي بسيطة. سوف تكون هذه الورقة الفيديو مفيدة للقراء الذين يرغبون في استخدام مواد البوليمر لينة للتطبيقات البصرية.
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
هذا العمل كان مدعوما جزئيا من قبل كاكينهي (25708020، 15K13812، 15H00860، 15H00986، 16H02081) من جسبس / المكسيك اليابان، ومؤسسة أساهي الزجاج، وجامعة تسوكوبا مبادرة ما قبل الاستراتيجية "مجموعة الضوء مع المسائل والحياة".
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).
