Fabbricazione di microsfere di polimeri per risonatore ottico e applicazioni laser
Summary
Sono presentati i protocolli per la sintesi di microsfere da polimeri, la manipolazione delle microsfere e le misure di micro-fotoluminescenza.
Abstract
Questo articolo descrive tre metodi per la preparazione di microsfere fluorescenti che comprendono polimeri π-coniugati o non coniugati: diffusione del vapore, precipitazione dell'interfaccia e mini-emulsione. In tutti i metodi, le sfere di dimensioni micrometriche ben definite sono ottenute da un processo di auto-assemblaggio in soluzione. Il metodo di diffusione del vapore può provocare sfere con la più alta sfericità e superficie liscia, tuttavia i tipi di polimeri in grado di formare queste sfere sono limitate. D'altra parte, nel metodo di mini-emulsione, le microsfere possono essere fatte da vari tipi di polimeri, anche da polimeri altamente cristallini con coplanari, π-coniugati spine. Le proprietà fotoluminescenti (PL) da singole microsfere isolate sono inusuali: il PL è confinato all'interno delle sfere, si propaga alla circonferenza delle sfere attraverso la riflessione interna totale all'interfaccia polimero / aria e si auto-interferisce per mostrare una resonante forte e periodica Linee PL. Questi resonatiLe modalità g sono le cosiddette "modalità gallerie sussurrate" (WGMs). Questo lavoro illustra come misurare WGM PL da singole sfere isolate utilizzando la tecnica della micro-fotoluminescenza (μ-PL). In questa tecnica, un raggio laser concentrato irradia un'unica microsfera, e la luminescenza viene rilevata da uno spettrometro. Una tecnica di micromanipolazione viene quindi usata per collegare le microsfere una per una e per dimostrare la propagazione PL e la conversione del colore da microsfere accoppiate su eccitazione al perimetro di una sfera e rilevazione di PL dall'altra microsfera. Queste tecniche, μ-PL e micromanipolazione, sono utili per gli esperimenti sull'applicazione micro-ottica utilizzando materiali polimerici.
Introduction
Le particelle di nano polimero / micro-dimensioni sono ampiamente utilizzate per una varietà di applicazioni, tra cui supporto per catalizzatore, riempitivi di cromatografia a colonna, agenti di somministrazione di farmaci, sonde fluorescenti per il monitoraggio delle celle, supporti ottici e così via 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 . In particolare, i polimeri π-coniugati presentano proprietà intrinseche luminescenti e di carica che beneficiano di applicazioni ottiche, elettroniche e optoelettroniche usando sfere polimeriche 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , in particolare applicazioni laser usando organi softMateriali anici 15 , 16 , 17 . Ad esempio, l'integrazione tridimensionale di sfere con centinaia di diametri di nanometro forma cristalli colloidali, che mostrano lacune di banda fotonica ad una determinata lunghezza d'onda 18 , 19 . Quando la luce è confinata nella struttura periodica dell'interscono, l'azione di lucentezza appare al centro della fascia di arresto. D'altra parte, quando le dimensioni delle sfere aumentano alla scala multi-micrometrica, la luce è confinata all'interno di un'unica microsfera attraverso la riflessione interna totale all'interfaccia polimero / aria 20 . La propagazione dell'onda di luce alla circonferenza massima provoca interferenze, portando alla comparsa di una modalità risonante con linee di emissione nitide e periodiche. Queste modalità ottiche sono le cosiddette "modalità gallerie sussurrate" (WGMs). Il termine "sussurra la galleria" ha origine daCattedrale di St. Paul a Londra, dove le onde sonore si propagano lungo la circonferenza del muro, permettendo di sentire gli sussurri da una persona dall'altra parte della galleria. Poiché la lunghezza d'onda della luce è sulla scala sub-micrometra, che è molto più piccola delle onde sonore, una grande cupola non è necessaria per il WGM della luce: piccole navi micrometriche e ben definite, come microsfere, microdisc , E microcristalli, soddisfano le condizioni WGM.
L'equazione 1 è una forma semplice della condizione risonante WGM 21 :
Nπd = lλ (1)
Dove n è l'indice di rifrazione del risonatore, d è il diametro, l è il numero intero e λ è la lunghezza d'onda della luce. La parte sinistra di (1) è la lunghezza del percorso ottico attraverso una propagazione di cerchio. Quando il percorso ottico coincide con ilIntero multiplo della lunghezza d'onda, si verifica una risonanza, mentre all'altra lunghezza d'onda l'onda di luce si riduce all'arrotondamento.
Questo documento introduce diversi metodi sperimentali per preparare microsfere per i risonatori WGM da polimeri coniugati in soluzione: diffusione del vapore 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 29 , 30 , mini-emulsione 31 e precipitazione d'interfaccia 32 . Ogni metodo ha caratteristiche uniche; Per esempio, il metodo di diffusione del vapore fornisce microsfere ben definite con sfericità molto elevata e superfici lisce, ma solo polimeri a bassa cristallinità possono formare queste microsfere. D'altra parte, per la mini-emulsioneMetodo, diversi tipi di polimeri coniugati, compresi i polimeri ad alta cristallina, possono formare sfere, ma la morfologia superficiale è inferiore a quella ottenuta dal metodo di diffusione del vapore. Il metodo di precipitazione dell'interfaccia è preferibile per la creazione di microsfere di polimeri non coniugati con coloranti. In tutti i casi, la selezione del solvente e del non solvente svolge un ruolo importante nella formazione della morfologia sferica.
Nella seconda metà di questo documento sono state presentate tecniche μ-PL e micro-manipolazione. Per la tecnica μ-PL, le microsfere sono disperse su un substrato e un fascio laser concentrato, tramite un obiettivo microscopico, viene utilizzato per irradiare una singola microsfera isolata 24 . Il PL generato da una sfera viene rilevato da uno spettrometro attraverso l'obiettivo del microscopio. Lo spostamento della fase di campionamento può variare la posizione del punto di eccitazione. Il punto di rilevamento è anche variabile inclinando l'ottica del collimatore dell'exciFascio laser rispetto all'asse ottico del percorso di rilevazione 28 , 32 . Per studiare la propagazione della luce intersferale e la conversione della lunghezza d'onda, è possibile utilizzare la tecnica di micro-manipolazione 32 . Per collegare diverse microsfere con differenti proprietà ottiche, è possibile prelevare una sfera usando un microsago e posizionandolo su un'altra sfera. In combinazione con le tecniche di micromanipolazione e il metodo μ-PL, possono essere eseguite varie misurazioni ottiche usando sfere polimeriche coniugate, che vengono preparate con un semplice metodo di autoassemblaggio. Questa carta video sarà utile ai lettori che desiderano utilizzare materiali polimerici morbidi per applicazioni ottiche.
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
Questo lavoro è stato sostenuto in parte da KAKENHI (25708020, 15K13812, 15H00860, 15H00986, 16H02081) dal JSPS / MEXT Japan, dalla Fondazione Asahi Glass e dall'iniziativa pre-strategica dell'Università di Tsukuba, "Ensemble della luce con le questioni e la vita".
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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