Millifluidics de synthèse chimique et résolue en temps des études mécanistes

L'objectif général de cette procédure est de démontrer l'utilité de dispositifs simples de laboratoire-sur-puce basés sur la milli-fluidique pour la synthèse à haut débit de nanomatériaux, l'étude résolue en temps de leur formation et la mise en œuvre de la catalyse en flux continu. Ceci est réalisé en premier lieu en démontrant la synthèse de nanoparticules de cuivre à l'aide d'un réacteur milli-fluidique. Ensuite, la formation de particules d'or dans le canal milli-fluidique est visualisée par spectroscopie d'absorption des rayons X résolue en temps en C deux afin d'observer les intermédiaires réactionnels.

Dans la dernière partie, la catalyse en flux continu est démontrée par la conversion du quatre nitrophénol en quatre aminophénol lorsqu’il s’écoule sur des nanostructures d’or à l’intérieur de la puce microfluidique. En définitive, ces trois expériences montrent que des systèmes millifluidiques simples offrent des possibilités de synthèse à haut débit dans le cadre d’études C2 sur la formation et la réalisation de catalyses en flux continu. Le principal avantage de cette technique par rapport aux méthodes existantes, telles que la microfluidique traditionnelle, réside dans sa capacité à supporter des débits plus élevés grâce à des canaux plus larges, sans compromettre les propriétés des fluides.

Ils permettent également une augmentation plus facile des volumes réactionnels pour des synthèses à plus grande échelle, et offrent une plateforme efficace pour l'étude de réactions en C deux à l'aide de différents outils de spectroscopie. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés dans le domaine des dispositifs basés sur l'écoulement, telles que l'analyse en temps réel, la surveillance de réactions chimiques, la cartographie de la croissance de nanoparticules et la cinétique d'une réaction catalytique. Pour les chercheurs peu familiers avec les dispositifs lab-on-a-chip, ces expériences peuvent sembler au départ un peu complexes, mais une fois qu'ils y sont habitués, elles sont assez simples à réaliser et peuvent être facilement appliquées à leurs propres investigations spécifiques.

Bien que ces expériences soient relativement simples à réaliser, il est important de les examiner d'abord visuellement afin de comprendre les subtilités de ces protocoles, en particulier lorsqu'on effectue une analyse en C deux de la synthèse de nanomatériaux ainsi que des sondages catalytiques en C deux. Ces réactions doivent être observées attentivement, c'est pourquoi la visualisation est extrêmement importante et pourquoi il est essentiel de fournir ces observations visuelles. Commencez par fabriquer ou acheter une puce microfluidique comme celle illustrée ici, dotée de canaux sinueux de deux millimètres de large, de 0,15 millimètre de hauteur et de 220 millimètres de longueur. Ensuite, reliez la puce microfluidique à une pompe Mitoses P à l’aide d’un tube FEP dont le diamètre intérieur est de 0,25 millimètre et le diamètre extérieur de 1/16 de pouce.

Régulez la pompe P sous pression d'azote pour obtenir un débit sans pulsation pendant l'expérience. Ensuite, testez les pompes en utilisant de l'eau comme solvant afin de corréler différentes pressions avec leurs débits correspondants en millilitres par heure. Une fois étalonnées, rincez le réacteur microfluidique et les tubulures avec de l'eau ionisée avant de commencer l'expérience. Dans un flacon propre, dissolvez 174 milligrammes de nitrate de cuivre(II) et ajoutez 610 milligrammes de EG de masse moléculaire 5 000 dans 28 millilitres d'eau nano pure.

Dans un autre flacon, préparer une solution composée de 111 milligrammes d'hydrure de sodium et de 102 milligrammes d'hydroxyde de sodium dans 28 millilitres d'eau nano pure. Cette solution aura un pH d'environ 13. Ensuite, relier les deux solutions au dispositif microfluidique à l'aide de la pompe P, en utilisant des canaux d'entrée distincts.

Faites circuler simultanément les deux solutions dans le réacteur microfluidique en utilisant une pression de 50 millibars. Cela entraînera un débit combiné d'environ 6,81 millilitres par heure. Recueillez deux à trois millilitres des nano-amas de cuivre ultrafins obtenus à la sortie dans un flacon en verre.

Purgez cette solution obtenue à l’aide d’azote et conservez-la également sous azote. Répétez ce processus sous différentes pressions constantes de 100 millibars, 200 millibars et 300 millibars à température ambiante pour la synthèse de nano-amas de cuivre ultrafins à différents débits. Préparez d’abord une solution de 10 millimoles d’acide chloro-ORIC en ajoutant 118,2 milligrammes d’or.

Trois hydrates de chlorure dans 30 millilitres d'eau nano pure et une solution de 20 millimoles d'acide meso deux trois dimère CAPTO SIC ou DMSA en ajoutant 109,2 milligrammes de celui-ci à 30 millilitres d'eau nano pure. Ajouter ensuite 50 milligrammes d'hydroxyde de sodium à la solution de DMSA afin qu'elle atteigne un pH de 12. Charger les deux solutions dans des seringues séparées et les placer dans des pompes entièrement automatisées, à haute précision et sans pulsation.

Ensuite, connectez les pompes à la puce microfluidique à l'aide de tubulures. Puis couplez la puce microfluidique à la ligne de faisceau de synchrotron pour la spectroscopie d'absorption des rayons X à l'aide d'un plateau métallique permettant des déplacements selon les directions X, Y et C. Faites circuler les deux solutions à travers deux seringues distinctes et à l'intérieur de la puce microfluidique à un débit constant de 10 millilitres par heure.

Utilisation des pompes automatisées. Recueillir des données dans différentes zones indiquées ici comme les zones une à cinq, au fur et à mesure que les solutions sont pompées à travers la puce. Préparer toutes les solutions de catalyseur d'or en utilisant de l'eau nano-pure, en mélangeant une solution de 10 millimoles d'acide chloroaurique et une solution de 20 millimoles de DMSA, comme indiqué précédemment.

En outre, préparez une solution de 10 millimoles d'hydrure de sodium en ajoutant 11,34 milligrammes de ce composé dans 30 millilitres d'eau. Ensuite, transférez 10 millilitres de la solution d'acide chloralique et 10 millilitres de la solution de DMSA dans deux vials distincts, puis faites-les circuler dans la puce à l'aide d'un dispositif microfluidique manuel à un débit uniforme de 12 millilitres par heure pendant 45 minutes. Puis, faites circuler la solution de 10 millimoles d'hydrure de sodium dans la puce à un débit de 12 millilitres par heure pendant 15 minutes.

Pour réduire l'or un en or zéro, lavez ensuite la puce avec de l'eau nano pure pendant 30 minutes à un débit de 12 millilitres par heure. Ensuite, mélangez 15 millilitres d'une solution de 9 fois 10 à la puissance moins 5 molaire de 4-nitro APH phénol avec 3,3 millilitres de borohydrure de sodium 0,65 molaire. Pour former une solution d'ion 4-nitropholate, reliez ce mélange à la chambre microfluidique recouverte d'or via les entrées fluidiques.

Faites circuler la solution à travers la chambre du catalyseur d'or préparée à un débit de cinq millilitres par heure afin de réduire la solution de quatre nitrophénol en quatre aminophénol dans le canal microfluidique revêtu, et recueillez l'écoulement dans un flacon. Introduisez trois millilitres du produit recueilli dans un spectrophotomètre UV-visible et mesurez le domaine de longueurs d'onde allant de 250 à 500 nanomètres. Comparez le spectre obtenu avec le mélange initial pour confirmer la conversion du quatre nitrophénolate.

Ensuite, estimez l'activité catalytique de la réaction en traçant l'intensité d'absorption expérimentalement observée de l'ion nitropholate à quatre concentrations standard différentes. La variation de la hauteur du pic à 399 nanomètres représente une variation correspondante de sa concentration. À l'aide d'un microscope électronique à balayage, le catalyseur à base de nanoparticules d'or peut être résolu à partir de la surface du canal microfluidique.

Une grande surface spécifique de l'or peut être obtenue en utilisant ce procédé. Les spectres d'absorption des rayons X en structure fine présentés ici reflètent le seuil L de l'or aux zones trois, cinq et cinq. Après 12 heures, le pic indique la présence du précurseur, l'acide chlororique, qui possède un état d'oxydation or III.

Comme décrit précédemment, les spectres UV-visible peuvent être utilisés pour déterminer la conversion du quatre-nitrophénol en quatre-aminophénol. On présente ici un spectre représentatif du quatre-nitrophénol, de l'ion quatre-nitrophénolate et du quatre-aminophénol.

Le taux de conversion de quatre ions NPH pholate en quatre amphénols en l'absence du catalyseur à base d'or est très faible par rapport au même réactif en présence du catalyseur or. Lors de la réalisation de ces expériences, il faut garder à l'esprit que les nanoparticules formées à l'intérieur des canaux redic peuvent également s'attacher à la voûte du canal suite à cette procédure. D'autres méthodes, telles que l'investigation in situ des réactions catalytiques, peuvent être effectuées afin de répondre à des questions supplémentaires, comme la cinétique en fonction du temps d'une réaction catalytique.