טכנולוגיה Microfluidic מודולרי עבור מחקרים שיטתיים של מוליכים למחצה Colloidal Nanocrystals

Summary

מפורט במסמך זה הם הפרוטוקולים מבצע והרכבה של פלטפורמה ההקרנה microfluidic מודולרי עבור האפיון שיטתית של מוליכים למחצה colloidal nanocrystal syntheses. דרך מערכת מתכוונן במלואו הסדרים, אוסף ספקטרה יעילים ביותר עשוי להתבצע על פני 4 סדרי גודל סולמות זמן התגובה בתוך מרחב הדגימה שבשליטת העברת מסה.

Abstract

Nanocrystals colloidal מוליכים למחצה, המכונה קוונטית נקודות (QDs), הם שיעור בצמיחה של חומרים בתחום האלקטרוניקה המסחרי, כגון אור פולטות דיודות (נוריות), photovoltaics (PVs). בקרב קבוצה זו גשמי, perovskites אי-אורגנית/אורגני הראו שיפור משמעותי ופוטנציאל לעבר ייצור PV יעילות גבוהה, בעלות נמוכה בשל תשלום גבוה המוביל mobilities ואורך שלהם. למרות הזדמנויות פרוביסקיט QDs ביישומים PV ל- LED בקנה מידה גדול, חוסר הבנה בסיסי ומקיף של מסלולים הצמיחה שלהם יש עכבות ההסתגלות שלהם בתוך nanomanufacturing רציף אסטרטגיות. גישות ההקרנה מסורתי המבוסס על הבקבוק הם בדרך כלל יקרים, עתירי עבודה, מדויק עבור ביעילות אפיון רחבה פרמטר space וסינתזה המגוון רלוונטי colloidal QD תגובות. בעבודה זאת, פלטפורמה עצמאית לחלוטין microfluidic מפותחת ללמוד באופן שיטתי את החלל פרמטר גדולים הקשורים הסינתזה colloidal של nanocrystals בתבנית זרימה רציפה. באמצעות היישום של רומן תרגום שלוש יציאות זרימה תא ויחידות הרחבה מודולרית הכור, המערכת עשויה במהירות לאסוף פלורסצנטיות ספקטרום בליעה על פני הכור אורכים החל 3-196 ס מ. אורך מתכוונן הכור לא רק decouples residence מעת ההעברה המוני תלוית מהירות, זה גם משפר באופן ניכר את שיעורי דגימה וצריכת כימי בשל אפיון 40 ספקטרום ייחודי בתוך יחידה מערכת equilibrated. שיעורי דגימה עשוי להגיע עד 30,000 ספקטרום ייחודי ליום, ולכסות התנאים 4 סדרי גודל מגורים פעמים החל 100 ms - 17 דקות. יישומים נוספים של מערכת זו תשפר באופן משמעותי את קצב ודיוק של גילוי גשמי, הקרנת בעתיד מחקרים. מפורטים בדוח זה הן מערכת חומרים והפרוטוקולים הרכבה עם תיאור כללי של דגימה אוטומטית תוכנה, עיבוד נתונים לא מקוונים.

Introduction

כניסתו של מוליכים למחצה nanocrystals, במיוחד נקודות קוונטיות, מונע על התקדמות משמעותית חומרים אלקטרוניים מחקר וייצור. לדוגמה, מציג נקודה קוונטית נוריות¹ כבר יושמו ב זמינים מסחרית "QLED". לאחרונה בין מחלקה זו של מוליכים למחצה, perovskites, עוררו עניין משמעותי ומחקר כלפי טכנולוגיות PV יעילות גבוהה, בעלות נמוכה. מאז ההפגנה הראשונה של PV מבוססי פרוביסקיט בשנת 2009,² מעבדה-סולם כוח יעילות המרה פרוביסקיט מבוססי תאים סולריים גדל בקצב חסר תקדים על ידי כל טכנולוגיה PV בהיסטוריה. ^{3 , 4} בנוסף האינטרס המניע PVs מבוססי פרוביסקיט, מגוון שיטות האחרונות המתארת את הסינתזה colloidal נתיישב של פרוביסקיט nanocrystals יצרו את ההזדמנות נמוכים, פתרון שלב עיבוד QDs פרוביסקיט ב אלקטרוניקה מסחרית. ^{5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14}

במאמץ לקראת nanomanufacturing בקנה מידה גדול של פרוביסקיט colloidal QDs, יסוד הבנה טובה יותר של המסלולים צמיחה nanocrystal ושליטתה האפקטיבית של התנאים התגובה חייב תחילה להתפתח. עם זאת, במחקרים קיימים של תהליכים אלה צריכים לסמוך באופן מסורתי על גישות הבקבוק. אצווה סינתזה אסטרטגיות מציגים מגוון רחב של מגבלות הטבועות מבחינת אפיון חומרים והפקה, אבל באופן משמעותי ביותר, טכניקות מבוססות על הבקבוק הן מאוד לא יעיל של הקרנת קודמן וזמן הצריכה, להדגים הבקבוק העברה המונית תלויי-גודל נכסים, אשר מעכבים סינתזה בעקביות. ¹⁵ ללמוד ביעילות של המסלולים צמיחה של מוליכים למחצה colloidal nanocrystals על פני מגוון גדול של הליכים syntheses שדווחו, בתוך החלל רחב מדגם רלוונטי, טכניקה הקרנה יעיל יותר הוא נדרש. בשני העשורים האחרונים, מגוון של אסטרטגיות microfluidic פותחו עבור מחקרים של nanocrystals colloidal מינוף נמוכות משמעותית בצריכת כימיקלים, הנגישות של שיטות ההקרנה תפוקה גבוהה, ואת הפוטנציאל תהליך יישום שליטה במערכות סינתזה רצופה. ^{12 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20}

בעבודה זאת, מדווחים את העיצוב והפיתוח של פלטפורמת microfluidic אוטומטיות להוראת תפוקה גבוהה בחיי עיר nanocrystals colloidal מוליכים למחצה. רומן תרגום תא זרימת העיצוב המודולרי מאוד, השילוב של כורים off-the-shelf צינורי וחיבורים fluidic ליצור פלטפורמה ייחודית וניתנת להתאמה reconfigurable עם ישיר ביישומים גילוי ההקרנה, אופטימיזציה של colloidal nanocrystals. ניצול היכולת translational של הטכניקה לזיהוי שלנו (קרי, תא שלוש יציאות הזרימה), בפעם הראשונה, נדגים את שיטתית סופגת של ערבוב ותגובה צירי זמן, תוך שיפור בו זמנית הדגימה המחירים יעילות ואוסף זרימת נייח מסורתי תא גישות. הניצול של פלטפורמה זו מאפשרת ההנדסה תפוקה גבוהה ומדויקת הלהקה-פער של syntheses colloidal nanocrystal לקראת אסטרטגיות nanomanufacturing מתמשך.

Protocol

1. כור הרכבה

איור 1 . איור שלב אחר שלב של תהליך ההרכבה של פלטפורמה מדגם. הלוחות מראה דוגמה שלב אחר שלב של תהליך ההרכבה פלטפורמה דוגמת המפרט (i) הסידור הראשוני של שלב התרגום ומחזיקים אופטי פוסט על הלחם הרכבה רחב, (ii) הרכבה של הצינור קודמן הרכבה הבמה ו זרימה תא על ההודעות אופטי, (iii) ההחזקה של הצנרת microfluidic לצומת מותאם אישית קרוס-אשר נמצאת תחת שקיפות לחשוף מסלולים זרימה, (iv) הבטחת שלומו של הצנרת קודמן בזמן בו זמנית מיקום יחידת הדגימה הראשונה, (v) הקשר עוקבות של יחידות דגימה נוספות עם הצנרת הכור לרוץ דרך כל מודול יחידות הרחבה (vi) מסלול אבובים של הכור, (vii) הבטחת שלומו של יחידת הדגימה האחרונה כדי לתמוך את המבנה ואת ההודעות אופטי. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

הערה: עקב מגוון רחב של תצורות אפשריות, תהליך ההרכבה המדויק של פלטפורמת microfluidic עשוי להשתנות; עם זאת, שיטות כלליות זהים עבור כל הסידורים. מפורט להלן, באיור 1 הוא תהליך ההרכבה פלטפורמה עבור תבנית זרימה קודמן 2, שלב רב עם יחידת הרחבה יחיד אחרי היציאה הדגימה^ה 14.

1. לאבטח את הבמה תרגום ורשום לבעלי בממרח אופטי. להתחבר לצומת הרכבה התא הבמה ואת זרימת ההודעות, להדק אותם על הבמה.
2. תיל לאורך צינור הכור, קודמן להאכיל קווים לצומת-קרוס מותאם אישית ולהאכיל את הצנרור דרך הערוצים על הבמה המוגבהת. ודא כי כל אחד מהמקטעים אבובים הוא חתך לאורך העשוי להגיע בנוחות את המבחנה משאבה או אוסף של מזרק בהתאמה.
3. להתחבר היחידה בנמל הדגימה הראשונה הבמה צומת והדקו את הכיסוי קו קודמן לבמה הרכבה מוגבה, אבטחת כל הרכיבים צינורי ויחידת הדגימה הראשונה במקום.
4. הוסף נוספים הכור מודולרית יחידות על-ידי הפעלת הצנרת הכור באמצעות הרכיב הרצוי וחיבור המקטעים לשאר המבנה שהורכב. לבנות את היחידות מצומת עד לאורך הרצוי, סידור מתקבל.
   הערה: הצנרת הכור יתאימו בחוזקה בתוך כל יחידה. דפורמציות של הצנרת (מתיחה, crimping, וכו ') להשפיע באופן משמעותי על עוצמת האות האופטי.
5. הדקו את מבנה התמיכה לשקע מקטע הדגימה האחרונה ולאבטח את התמיכה לעמדות אופטי המחובר מאוד לא סביר.
6. להתחבר את קווי הזנה של מערכת הזרימה משאבות מזרק מבוקר-מחשב ולהאכיל בשקע המגיב לתוך חנקן גז בלחץ (psig ~ 12) אוסף בקבוקון.
7. להתחבר 3 סיבים אופטיים תיקון עצמם ליציאות תא זרימה 3, לצרף את קצוות נגדיים ספקטרומטר LED, מקור האור דאוטריום-הלוגן (DH) בהתאמה. ודא שהכבלים מסוגל לנוע בצורה חלקה עם אורך מלא של השלב תרגום וללא מאמץ מיותר כלשהו על החיבור שלהם עם התא זרימה להשלמת ההרכבה פלטפורמה (כפי שמוצג באיור2).

2. הכנה קודמן

הערה: תגובת מערכת הסינון ניתן להחיל את הסינתזה של nanocrystals מוליכים למחצה colloidal שונים; עם זאת, לצורך פיתוח פלטפורמה אימות, סינתזה פרוביסקיט₃ CsPbBr, מ. ווי et al. ⁶ כדי שיתאים יותר זרימה ניתוחים, שימש לתגובה חקר מקרה. תהליך הכנה מקדים מפורט להלן.

1. להכין 15 מ"ל של קודמן ברומיד 0.013 M על-ידי שילוב 109 מ ג של tetraoctylammonium ברומיד 1 מ"ל של חומצה אולאית, מ 14 ל טולואן בבקבוקון 20-mL אטום.
2. ומערבבים את התערובת נמרצות בטמפרטורת החדר עד מתקבל פתרון ברור.
3. להכין מ 48 ל ז 0.0021 קודמן צסיום-עופרת על ידי הראשון המשלב mmol 0.6 של צסיום הידרוקסיד, 0.6 mmol של תחמוצת lead(II), 3 מ ל חומצה אולאית בקבוקון 8-mL אטום עם מחצה.
   1. פירס מחצה עם מחט לאוורור, מחממים את הפתרון ב 160 ° C באמבט שמן ומערבבים נמרצות זה עד טפסים פתרון ברור (כ- 15 דקות).
   2. להעביר את הבקבוקון ואת המחט תנור לחמם אותם ב 120 ° C עבור 1 h, ולאחר מכן הסר את המחט אוורור ומאפשרים לתמיסה להתקרר לטמפרטורת החדר באוויר הפתוח.
4. להוסיף 0.5 מ"ל של תערובת צסיום-עופרת ריכוז גבוה מ 47.5 ל טולואן בבקבוקון 50-mL אטום ומערבבים נמרצות.
5. לטעון למבשר ברומיד לדלל למבשר צסיום-עופרת לתוך מזרקים בהתאמה שלהם, להתחיל בתהליך אפיון אוטומטית על-ידי זרימת ביחד את שני סימנים מקדימים התנאים הרצויים (ראה שלב 3).
   הערה: עבור מפורטים תחת נציג תוצאותהניסויים, יחסי נפח הזרקה של 6.4:1 של צסיום-עופרת ברומיד, 1:1 של שלב המוביל גז לנוזל נטו שימשו במחירים תזרים סה כ משתנה.

3. ממשק מבצע

הערה: מכלול איסוף הנתונים מתבצע באמצעות פלטפורמת תגובה אוטומטית לאחר שהמשתמש מציין שורה של תנאי הזרימה להיבדק. כללי נהלי הפעלה בממשק המשתמש בתקופה זו קלט הראשונית מפורטים להלן.

1. פתח את התוכנה אוטומטית כדי להציג למשתמש ממשק הלוח הקדמי (ראה איור3).
2. להזיז ללוח ספקטרומטר הגדרות ולהתחיל למלא כל תשומות.
   1. הדבק את נתיב הקובץ על הנתונים הרצויים שמירת תיקיה בתיבת הקובץ בסיס עבור הנתונים .
   2. תחת ספקטרומטר ויזה, בחר את הכתובת חיבור USB עבור ספקטרומטר. אם הכתובת USB ספקטרומטר אינו ידוע, לזהות את המיקום שלו דרך שולחן העבודה של מנהל ההתקנים דף.
   3. בחר זמן אינטגרציה, מספר ספקטרה את הממוצע עבור דגימה, ואת מספר ספקטרה לשמור לכל תנאי הקליטה (Abs) וגם קרינה פלואורסצנטית (שפעת). במקרה של הסינתזה מפורט בשלב 2, להגדיר זמן בלתי-שילוב של 12 מילישניות לקליטה ו ms 4 עבור ידי קרינה פלואורסצנטית בממוצע מעל 10 ספקטרה.
   4. אם אפיון זרימה חד-פאזי, להתקדם אל השלב הבא, עוזב את לחצן Multiphase . אם אפיון זרימה מרובה שלב, בחר בלחצן ' Multiphase ', להגדיר את משך דגימת המינימלי כך תנודות גז נוזלי מלאה כ- 2 רשאי לעבור נקודת דגימה. לאחר מכן להקצות את מספר הדגימות לקחת בתוך החלון הדגימה.
      הערה: הזמן-רזולוציית דגימה בתוך תקופה מרובת זרימה מוגבלים על פי ההגדרות ספקטרומטר ולאחר התאמות עשוי להיות נחוץ אם מחפש רזולוציה גבוהה יותר.
3. להזיז ללוח משאבה תצורה ולהתחיל למלא כל תשומות.
   1. תחת מזרק 1 COM, עם מזרק 2, ו- COM משאבה כפולה, להקצות כתובות תקשורת USB כל משאבות. ראה שלב 3.2.2 בתהליך זיהוי הכתובות.
   2. הגדר את המזרק קטרים הפנימי, אשר ניתן למצוא על הממשק משאבה או בתוך המדריכים מזרק, עבור מזרקים כל שימוש. עבור תצורות שלא ליישם כל מזרקים, יוצאים על הקוטר מזרק מיותר לערכי ברירת המחדל.
   3. אם אוסף הקליטה הפניה ספקטרה, לזהות ריק פתרון מקובל לטעון אותה לתוך מזרק מצורף, להגדיר את המזרק בהתאמה לקצב הזרימה מתון (כ-300 µL/דקה) בהתאמה תיבת קצב הזרימה Ref .
4. מעבר לחלונית ' ' קביעת תצורת המערכת ולהתחיל מילוי כל תשומות.
   1. אם המיקומים הבמה מוטבו מוצגים כראוי תחת תפקידים שלב, בחר בלחצן המיקום הקודם השתמש ולעבור לשלב הבא. אם המיקומים הבמה לא מוטבו, הקצה גודל חלון מיקום הבמה וקשר את העמדות הבמה משוער (בטווח עמדה) באמצעות וקטור. csv ותיבת נתיב הקובץ . להשאיר את הבמה קבועה ב- 0.5 מ מ ובתיבה עובר הפעלה ב-8.
   2. חישוב הנפח של המקטע הכור במרכז הצומת לנמל הדגימה האחרונה, קלט את הערך לתוך תיבת האחסון של המערכת . להשאיר זמן שיווי משקל מינימום 10 s.
5. בדוק היטב את הדיוק של כל תשומות, בחר לחצן הפעל בחלק העליון השמאלי של הממשק.
   הערה: כניסות בלוח הקדמי לא ניתן לשנות, ברגע התוכנה החלה פעולתו.
6. בחלון שמור הפניה ספקטרה , בחר כן אם ספקטרום הפניה יישמרו או לא אם כן.
7. בחלון להגדיר תנאי זרימה המחירים , בחר תצורות קצב הזרימה הרצויה עד 30 כדי לבדוק, השארת כל מזרק שאינם בשימוש תשומות ריק.
8. בחר אישור , תאפשר למערכת להתחיל לפעול עד שיש כבר לטעום כל התנאים הרצויים; המערכת כיבוי בכוחות עצמו. אם המערכת צריכה להיעצר מסיבה כלשהי, בחר בלחצן לעצור מוקדם ולאפשר את תהליך לסגור.
   התראה: שימוש לבטל את כפתור בצד שמאל למעלה של הממשק לא תאפשר המערכת לסגור את משאבות או מקורות אור, שעשויות להיות פגיעה ציוד או התחזות מהוות סיכון בריאותי משמעותי באמצעות חשיפה אור UV.

4. Pathlength תיקונים

1. כדי להשיג את המתאם תיקון pathlength עבור כל יציאה, תחילה להזריק פתרון יציב של perovskites התפזרו טולואן לתוך המקטע הכור עד הצנרת הכור מתמלא בצורה אחידה.
2. בניהול תהליך דגימה אוטומטית על פתרון אחיד זה עבור 4 עובר מלא של הזרם תא (ראה שלב 3 עבור ההליך מבצע).
3. להחיל תיקונים בסיסית עבור קרינה פלואורסצנטית והן ספקטרום בליעה, אז הממוצע הכולל עבור עובר לפי מיקום נמל. לנרמל את עקומות כל התייחסות עוצמות גל-455 nm ו 485 nm הקליטה, קרינה פלואורסצנטית בהתאמה (ראה איור 4).
4. השתמש פקטור הנירמול מחושב על כל יציאה לשינוי גודל פרופורציונלי העקומות של הספקטרום עוקבות.

תוצאות

לטעום ספקטרה: ניצול פלטפורמת microfluidic נדונה, השלבים התגרענות וצמיחה של מוליכים למחצה colloidal nanocrystals בטמפרטורה סינתזה יכול ישירות להילמד על ידי ניטור הזמן-האבולוציה של ספקטרום קרינה פלואורסצנטית ורפואה של nanocrystals בנוי מתחת למדים ערבוב תנאים. איור 5

Discussion

אוטומטי מערכת דגימה: הפעולה האוטונומית של פלטפורמת הסינון מתבצע עם אוטומט נקודות קצה שליטה מרכזית. התנועה בין מצבים אלו מתרחשת ברצף מקטעים רקורסיביים מרובים כדי לאפשר פעולה על פני מספר משתנים התנאים הדגימה. ניתן לחלק את הפקדים מערכת כללי 3 שלבים הליבה. ראשית, המערכת מתחיל שלב האת?...

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