Millifluidics for kjemisk syntese og Time-løst mekanistiske studier
Summary
Millifluidic enheter er benyttet for kontrollert syntese av nanomaterialer, tid-løst analyse av reaksjonsmekanismer og kontinuerlig flyt katalyse.
Abstract
Prosedyrer med bruk millifluidic enheter for kjemisk syntese og tid-løst mekanistiske studier er beskrevet ved å ta tre eksempler. I den første, er syntesen av ultra-små kobber nanoclusters beskrevet. Det andre eksemplet gir deres verktøy for å undersøke tids løst kinetikk av kjemiske reaksjoner ved å analysere gull nanopartikkel dannelse ved hjelp av in situ X-ray absorpsjon spektroskopi. Det siste eksemplet viser kontinuerlig flyt katalyse av reaksjoner inne millifluidic kanal belagt med nanostrukturerte katalysator.
Introduction
Lab-on-a-chip (LOC) enheter for kjemisk syntese har vist betydelig fordel i form av økt masse og varmeoverføring, overlegen reaksjon kontroll, høy gjennomstrømming og sikrere drift miljø en. Disse enhetene kan grovt deles inn i chip basert lufthåndtering og nonchip basert fluidic enheter. Blant chip-basert lufthåndtering, er MicroFluidics godt undersøkt og et emne godt dekket i litteraturen 2-5. Nonchip basert LOC systemer bruker rørreaktorer seks. Konvensjonelt, er microfluidic systemer brukes til presis kontroll og manipulering av væsker som er geometrisk avgrensa til Submillimeter skala. Vi har nylig innført begrepet chip-baserte millifluidics, som kan benyttes for manipulering av væske i kanaler i millimeterskala (enten bredde eller dybde eller begge av kanalene er i det minste en millimeter i størrelse) 7-9. Videre millifluidic chips er relativt lett å dikte WHIle tilbyr lignende kontroll over flytrater og manipulering av reagenser. Disse brikkene kan også kjøres med høyere flytrater, skape mindre oppholdstid, og dermed, og tilbyr muligheten for oppskalering av kontrollert syntese av nanopartikler med smalere størrelsesfordelingen. Som et eksempel, har vi nylig demonstrert syntesen av ultra-små kobber nanoclusters og karakterisert dem ved hjelp av in situ X-ray absorpsjon-spektroskopi, så vel som TEM. Evnen til å oppnå små oppholdstider innenfor millifluidic kanaler i kombinasjon med bruk av MPEG, som er meget effektiv bidentat PEGylert stabiliserende middel for dannelsen av stabile kolloider av kobber nanoclusters 7.
I tillegg til syntese av kjemikalier og nanomaterialer, kan de millifluidics har, på grunn av større volum og konsentrasjon på sonden, en syntetisk plattform som er mer generalisert og effektiv for tid-løst kinetiske studier, og også achieves bedre signal til støy-forhold enn microfluidic systemer 7,10. Vi viser bruken av millifluidic chip som et eksempel for tid løst analyse av vekst av gull nanostrukturer fra oppløsningen ved hjelp av in situ XAS med en tidsoppløsning så liten som 5 msek 11..
Også flertallet av de mikroreaktorer som er utviklet til dags dato for katalyse programmer er basert på silisium 12,13. Deres kostbare fabrikasjons i tillegg til små mengder som genereres gjør dem uegnet for produksjon i stor skala. De to generelle metoder for belegg på kanaler med nanocatalysts – kjemiske og fysiske, ofte referert til som silisium belegningsprosedyrer, er for tiden på moten 14,15. I tillegg til kostbare mikro fabrikasjon, tilstopping av kanalene gjør mikroreaktor katalyse kan være uegnet for storskala produksjon. Selv microreactors har blitt brukt for heterogen katalyse i mikro kontinuerlige gjennomstrømnings prosesser earlieh 16-18, evnen til å kontrollere dimensjonene, og morfologien til de innleirede gull nanostrukturerte katalysatorer i løpet av kontinuerlig strømningskanaler aldri ble undersøkt før. Vi har nå utviklet en teknologi for å belegge millifluidic kanaler med Au-katalysatorer, etter å ha kontrollert nano morfologi og dimensjoner (figur 5) 11, for å utføre katalyse av industrielt viktige kjemiske reaksjoner. Som et eksempel har vi vist omdannelse av 4-nitrofenol i 4-aminofenol katalysert av nanostrukturerte gull belagt innenfor millifluidic kanaler. Tatt i betraktning at en enkelt millifluidic reaktor-brikken kan fremflythastigheter på 50 til 60 ml / time, 7 hurtig og kontrollert syntese av kjemikalier er det mulig enten ved kontinuerlig strømningsdrift eller parallell prosessering.
For å kapitalisere på de mulighetene de millifluidics tilby, med noen eksempler beskrevet som ovenfor, vi også demonstrere et brukervennligmillifluidic enhet som er bærbar og har alle de nødvendige komponenter som millifluidic chips, manifolder, strøm kontrollere, pumper og elektriske tilkoblinger integrert. En slik millifluidic enhet, som vist i figur 7, er nå tilgjengelige fra selskapet Millifluidica LLC ( www.millifluidica.com ). Manuskriptet gir også protokoller ved hjelp av håndholdte millifluidic enhet, som beskrevet nedenfor, for kontrollert syntese av nanomaterialer, tid-løst analyse av reaksjonsmekanismer og kontinuerlig flyt katalyse.
Protocol
Representative Results
Discussion
De UCNCs ble dannet ved reduksjonsreaksjonen av kobber nitrat med natriumborhydrid i nærvær av det polymere middel capping O-[2 – (3-Mercaptopropionylamino)-etyl]-O'-methylpolyethylene glykol (MW = 5000) [MPEG]. Reaksjonen ble utført i løpet av den millifluidic chip reaktoren ved forskjellige strømningsrater for eksempel 6,8 ml / time, 14,3 ml / time, 32,7 ml / time, og 51,4 ml / time for å studere effekten av strømningsrater på UCNCs dannet. De respektive oppholdstider for de ovennevnte flytrater er 47.49, …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette forskningsarbeidet er støttet som en del av Senter for Atomic nivå Catalyst Design, en Energy Frontier Research Center finansiert av US Department of Energy, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences i henhold Award Antall DE-SC0001058 og også støttet av styret Regents under tilskudd award nummer LEQSF (2009-14)-EFRC-MATCH og LEDSF-EPS (2012)-OPT-IN-15. MRCAT operasjoner er støttet av Department of Energy og MRCAT medlemsinstitusjoner. Bruken av Advanced Photon Source på ANL er støttet av US Department of Energy, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences under kontrakt nummer DE-AC02-06CH11357. Økonomisk støtte til JTM ble gitt som en del av Institutt for Atom-effektive kjemiske transformasjoner (IACT), en Energy Frontier Research Center finansiert av US Department of Energy, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences.
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 |
Riferimenti
- 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).
