Millifluidics לסינתזה כימית וזמן נפתר מכניסטית לימודים
Summary
מכשירי Millifluidic מנוצלים לסינתזה מבוקרת של ננו, ניתוח של מנגנוני תגובה וזרימת קטליזה המתמשכת זמן נפתר.
Abstract
נהלי ניצול מכשירי millifluidic לסינתזה כימית ומחקרים מכניסטית זמן נפתר מתוארים על ידי לקיחת שלוש דוגמאות. בראשון, סינתזה של nanoclusters נחושת קטן במיוחד הוא תאר. הדוגמא השנייה מספקת השירות שלהם לחקירת קינטיקה של תגובות כימיות זמן נפתר על ידי ניתוח היווצרות nanoparticle זהב באמצעות בספקטרוסקופיה קליטת קרני ה-X באתרה. הדוגמא האחרונה מדגימה זרימת קטליזה המתמשכת של תגובות בתוך ערוץ millifluidic מצופה זרז nanostructured.
Introduction
מכשירי מעבדה על שבב (LOC) לסינתזה כימית הראו יתרון משמעותי במונחים של העברה גדלה מסה וחום, בקרת תגובה מעולה, תפוקה גבוהה וסביבת פעולה בטוחה יותר 1. התקנים אלה יכולים להיות מסווגים באופן כללי לfluidics שבב מבוססת ומכשירי fluidic nonchip מבוססים. בין fluidics מבוססת השבב, מיקרופלואידיקה נחקר היטב ונושא מכוסה היטב בספרות 2-5. מערכות LOC Nonchip מבוססות להשתמש כורים צינורי 6. כמקובל, מערכות microfluidic משמשות לבקרה ולמניפולציה של נוזלים, כי הם מוגבלים גיאומטריים לקנה מידת submillimeter מדויקים. יש לנו לאחרונה הציג את הרעיון של millifluidics מבוסס שבב, אשר יכול לשמש למניפולציה של נוזלים בערוצים בקנה מידת מילימטר (או רוחב או עומק או שניהם של הערוצים הם לפחות מילימטר בגודל) 7-9. יתר על כן, שבבי millifluidic קלים יחסית לפברק WHIle מציע שליטה דומה על ספיקות ומניפולציה של חומרים כימיים. שבבים אלה גם יכולים להיות מופעלים ב- ספיקה גבוהה יותר, יוצרים פעמים מגורים קטנות יותר, ובכך, מציעים את האפשרות להיקף של עד של סינתזה מבוקרת של חלקיקים עם התפלגות גודל צרה. כדוגמא, יש לנו לאחרונה הפגין את הסינתזה של nanoclusters נחושת קטן במיוחד ומאופיין אותם באמצעות בספקטרוסקופיה קליטת קרני ה-X באתר, כמו גם TEM. יכולת להשיג פעמים מגורים קטנות בתוך ערוצי millifluidic בשילוב עם השימוש של MPEG, שהוא סוכן PEGylated bidentate יעיל מאוד לייצוב להיווצרות של קולואידים יציבים של nanoclusters נחושת 7.
בנוסף לסינתזה של חומרים כימיים וננו, millifluidics יכול להציע, בשל נפח גבוה וריכוז באזור הבדיקה, פלטפורמה סינתטית שהיא יותר כללי ויעילה ללימודים הקינטית זמן נפתר וגם achieVes אות טובה יותר יחס רעש מאשר מערכות microfluidic 7,10. אנחנו מראים את השימוש בשבב millifluidic כדוגמא לניתוח של הצמיחה של ננו זהב מפתרון באמצעות באתר סאס עם רזולוציה זמן קטנה כמו 5 אלפיות שני 11 זמן נפתר.
כמו כן, רוב כורי מיקרו פותחו עד היום ליישומי קטליזה מבוססים על 12,13 סיליקון. הייצור היקר שלהם, בנוסף לנפחים קטנים שנוצרו גורם להם אינו מתאים לייצור בקנה מידה גדולה. שתי שיטות הכלליות לציפוי הערוצים עם nanocatalysts – כימי ופיזי, המכונה לעתים קרובות נהלי ציפוי סיליקון, נמצאות כעת באופנה 14,15. בנוסף לייצור מיקרו יקר, סתימה של הערוצים הופכת קטליזה כור מיקרו עשויה להיות מתאימה לייצור בקנה מידה גדולה. למרות microreactors שימש במשך קטליזה הטרוגנית בearli הרציף מיקרו זרימה דרך תהליכיםאה 16-18, את היכולת לשלוט בממד, והמורפולוגיה של זרזי nanostructured זהב המשובצים בתוך ערוצי זרימה רציפים מעולם לא נחקרו בעבר. יש לנו לאחרונה פיתחו טכנולוגיה לציפוי ערוצי millifluidic עם זרזי Au, שנשלטו על מורפולוגיה ננו וממדים (איור 5) 11, לביצוע קטליזה של תגובות כימיות תעשייתי חשובות. כדוגמא יש לנו הפגנו המרה של 4 nitrophenol-ל 4 aminophenol-זרז ידי זהב nanostructured המצופה בערוצי millifluidic. בהתחשב בכך ששבב כור millifluidic בודד יכול לייצר ספיקות של 50-60 מיליליטר / שעה, 7 תפוקה גבוהה וסינתזה מבוקרת של כימיקלים אפשרי גם דרך זרימת פעולה רציפה או עיבוד מקביל.
על מנת לנצל את אפשרויות millifluidics להציע, עם כמה דוגמאות שתוארו כאמור לעיל, אנו גם להפגין ידידותי למשתמשמכשיר millifluidic כי הוא נייד ויש לו את כל המרכיבים הנדרשים כגון שבבי millifluidic, סעפות, בקרי זרימה, משאבות וחיבורים חשמליים משולב. מכשיר כזה millifluidic, כפי שמוצג באיור 7, הוא זמין מחברת Millifluidica LLC (החברה www.millifluidica.com). כתב היד מספקת גם פרוטוקולים באמצעות מכשיר millifluidic כף יד, כפי שיתואר להלן, לסינתזה מבוקרת של ננו, ניתוח של מנגנוני תגובה וזרימת קטליזה המתמשכת זמן נפתר.
Protocol
Representative Results
Discussion
UCNCs נוצרו על ידי התגובה לירידה של חנקה נחושת עם borohydride נתרן בנוכחות הסוכן פולימריים מכסת O-[2 – (3-Mercaptopropionylamino) אתיל] גליקול הדלעת המהבהב, methylpolyethylene (MW = 5,000) [MPEG]. התגובה בוצעה בתוך כור שבב millifluidic בספיקות שונות כגון 6.8 מיליליטר / שעה, 14.3 מיליליטר / שעה, 32.7 מיליליטר / שעה, ו51.4 מיל…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודת מחקר זו נתמכת כחלק מהמרכז לרמה אטומית Catalyst עיצוב, מרכז לחקר אנרגיה Frontier ממומן על ידי משרד אנרגיה האמריקאי, משרד מדע, משרד אנרגיה של יסוד מדעי תחת מספר פרס DE-SC0001058 ונתמך גם על ידי מועצת המנהלים של העוצרים תחת מענקי LEQSF הפרס מספר (2009-14)-EFRC-MATCH וLEDSF-EPS (2012)-OPT-IN-15. פעולות MRCAT נתמכות על ידי משרד אנרגיה ומוסדות חבר MRCAT. השימוש בפוטון מתקדם המקור בANL נתמך על ידי משרד אנרגיה האמריקאי, משרד מדע, משרד אנרגיה של יסוד מדעי, תחת חוזה מס 'DE-AC02-06CH11357. תמיכה כספית לJTM סופקה כחלק מהמכון לטרנספורמציות כימית Atom יעיל (IACT), המרכז לחקר האנרגיה Frontier ממומן על ידי משרד האנרגיה האמריקאי, משרד מדע, משרד אנרגיה של יסוד מדעי.
Materials
| Copper (II) nitrate hydrate | Sigma-Aldrich | 13778-31-9 | 99.999% pure |
| O-[2-(3-mercaptopropionylamino)ethyl]-O′-methylpolyethylene glycol | Sigma-Aldrich | 401916-61-8 | MW=5,000 |
| HAuCl4.3H2O (Chloroauric acid) | Sigma-Aldrich | 27988-77-8 | 99.999% pure |
| meso-2,3-dimercaptosuccinic acid (DMSA) | Sigma-Aldrich | 304-55-2 | ~98% pure |
| 4-Nitrophenol | Sigma-Aldrich | 100-02-7 | spectrophotometric grade |
| 4-Aminophenol | Sigma-Aldrich | 123-30-8 | >99% pure (HPLC grade) |
| Sodium borohydride | Sigma-Aldrich | 16940-66-2 | 98% pure |
| Sodium hydroxide pellets | Sigma-Aldrich | 1310-73-2 | 99.99% pure |
| [header] | |||
| EQUIPMENT | |||
| Millifluidic Chips | Microplumbers Microsciences LLC | SDC-01 | Made from polyester terephthalate polymer |
| Pressure Pump | Mitos P-Pump, Dolomite | 3200016 | |
| Automated Syringe Pump | Cetoni Automation and Microsystems, GmbH | Syringe pump neMESYS | |
| UV-3600 UV-VIS-NIR Spectrophotometer | Shimadzu | ||
| Hand-held Millifluidic Device | Millifluidica | SCMD-1008 | Figure 7 |
References
- Song, Y., Hormes, J., Kumar, C. S. S. R. Microfluidic Synthesis of Nanomaterials. Small. 4 (6), 698-711 (2008).
- Huebner, A., Sharma, S., Srisa-Art, M., Hollfelder, F., Edel, J. B., DeMello, A. J. Microdroplets: a sea of applications. Lab Chip. 8, 1244-1254 (2008).
- Helen, S., Delai, L. C., Rustem, F. I. Reactions in Droplets in Microfluidic Channels. Angew. Chem. Int. Ed. 45, 7336-7356 (2006).
- Marre, S., Jensen, K. F. Synthesis of nanostructures in microfluidic systems. Chem. Soc. Rev. 39, 1183-1202 (2010).
- Theberge, A. B., Courtois, F., Schaerli, Y., Fischlechner, M., Abell, C., Hollfelder, F., Huck, W. T. Microdroplets in microfluidics: an evolving platform for discoveries in chemistry and biology. Angew. Chem. Int. Ed. 49 (34), 5846-5868 (2010).
- Nicolas, L., Flavie, S., Pierre, G., Pascal, P., Annie, C., Bertrand, P., Cindy, H., Patrick, M., Samuel, M., Thomas, D., Cyril, A., Pascale, S., Laurent, P., Christopher, G., Emmanuel, M. Some recent advances in the design and the use of miniaturized droplet-based continuous process: Applications in chemistry and high-pressure microflows. Lab Chip. 11, 779 (2011).
- Biswas, S., Miller, J. T., Li, Y., Nandakumar, K., Kumar, C. S. S. R. Developing Millifluidic Platform for Synthesis of Ultra-small Nanoclusters (UNCs): Ultra-small Copper Nanoclusters (UCNCs) as a Case Study. Small. 8 (5), 688-698 (2012).
- Li, Y., Sanampudi, A., Reddy, V. R., Biswas, S., Nandakumar, K., Yamane, D. G., Goettert, J. S., Kumar, C. S. S. R. Size Evolution of Gold Nanoparticles in a Millifluidic Reactor. Phys. Chem. Phys. 13 (1), 177-182 (2012).
- Li, Y., Yamane, D. G., Li, S., Biswas, S., Reddy, R., Goettert, J. S., Nandakumar, K., Kumar, C. S. S. R. Geometric Optimization of Liquid-Liquid Slug Flow in a Flow-focusing Millifluidic Device for Synthesis of Nanomaterials. Chem. Eng. J. 217, 447-459 (2013).
- Zinoveva, S., De Silva, R., Louis, R. D., Datta, P., Kumar, C. S. S. R., Goettert, J., Hormes, J. The wet chemical synthesis of Co nanoparticles in a microreactor system: A time-resolved investigation by X-ray absorption spectroscopy. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 582, 239-241 (2007).
- Krishna, K. S., Navin, C. V., Biswas, S., Singh, V., Ham, K., Bovenkamp, G. L., Theegala, C. S., Miller, J. T., Spivey, J., Kumar, C. S. S. R. Millifluidics for Time-resolved Mapping of the Growth of Gold Nanostructures. J. Am. Chem. Soc. 135 (14), 5450-5456 (2013).
- Kumar, C. S. S. R. . Microfluidic Devices in nanotechnology-Fundamental Concepts. , (2010).
- Kumar, C. S. S. R. . Microfluidic Devices in nanotechnology-Fundamental Concepts. , (2010).
- Meille, V. Review on Methods to Deposit Catalysts on Structured Surfaces. Appl. Catal. A Gen. 315, 1-17 (2006).
- Shin, W. C., McDonald, J. A., Zhao, S., Besser, R. Etching Characteristics of a Micromachined Chemical Reactor Using Inductively Coupled Plasma. , p357 (2002).
- Abahmane, L., Köhler, J. M., Groß, G. A. Gold-nanoparticle-catalyzed synthesis of propargylamines: the traditional A3-multicomponent reaction performed as a two-step flow process. Chem. Eur. J. 17, 3005-3010 (2011).
- Abahmane, L., Knauer, A., Ritter, U., Köhler, J. M., Groß, G. A. Heterogeneous Catalyzed Pyridine Synthesis using Montmorillionite and Nanoparticle-Impregnated Alumina in a Continuous Micro Flow System. Chem. Eng. Technol. 32, 1799-1805 (2009).
- Abahmane, L., Knauer, A., Köhler, J. M., Groß, G. A. Synthesis of polypyridine derivatives using alumina supported gold nanoparticles under micro continuous flow conditions. Chem. Eng. J. 167, 519-526 (2011).
- Negishi, Y., Tsukuda, T. One-Pot Preparation of Subnanometer-Sized Gold Clusters via Reduction and Stabilization by meso-2,3-Dimercaptosuccinic Acid. J. Am. Chem. Soc. 125, 4046-4047 (2003).
- Abou-Hassan, A., Sandre, O., Cabuil, V. Microfluidics in Inorganic Chemistry. Angew. Chem. Int. Ed. 49, 6268-6286 (2010).
- Jiang, D., Walter, M., Dai, S. Gold Sulfide Nanoclusters: A Unique Core-In-Cage Structure. Chem. Eur. J. 16, 4999-5003 (2010).
- Kuroda, K., Ishida, T., Haruta, M. Reduction of 4-nitrophenol to 4-aminophenol over Au nanoparticles deposited on PMMA. J. Mol. Catal. A Chem. 298, 7-11 (2009).
- Navin, C. V., Krishna, K. S., Theegala, C. S., Kumar, C. S. S. R. Lab-on-a-chip devices for gold nanoparticle synthesis and their role as a catalyst support for continuous flow catalysis. Nanotech. Rev. , (2013).
- Shahbazali, E., Hessel, V., Noël, T., Wang, Q. Metallic nanoparticles made in flow and their catalytic applications in organic synthesis. Nanotech. Rev. , (2013).
