रासायनिक संश्लेषण और समय हल यंत्रवत अध्ययनों के लिए Millifluidics
Summary
Millifluidic उपकरणों, nanomaterials प्रतिक्रिया तंत्र और सतत प्रवाह कटैलिसीस का समय हल विश्लेषण के नियंत्रित संश्लेषण के लिए उपयोग किया जाता है.
Abstract
रासायनिक संश्लेषण और समय हल यंत्रवत अध्ययनों के लिए millifluidic उपकरणों के उपयोग प्रक्रियाओं तीन उदाहरण लेने से वर्णित हैं. पहले में, अल्ट्रा छोटे तांबे की nanoclusters संश्लेषण में वर्णित है. दूसरा उदाहरण सीटू एक्स – रे अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी में उपयोग कर सोने nanoparticle के गठन का विश्लेषण करके रासायनिक प्रतिक्रियाओं का समय हल कर कैनेटीक्स की जांच के लिए उनकी उपयोगिता प्रदान करता है. अंतिम उदाहरण nanostructured उत्प्रेरक के साथ लेपित millifluidic चैनल के अंदर प्रतिक्रियाओं के सतत प्रवाह कटैलिसीस दर्शाता है.
Introduction
रासायनिक संश्लेषण के लिए लैब पर एक चिप (एलओसी) के उपकरणों में वृद्धि हुई जन और गर्मी हस्तांतरण, बेहतर प्रतिक्रिया नियंत्रण, उच्च throughput और सुरक्षित संचालन वातावरण 1 के मामले में महत्वपूर्ण लाभ का प्रदर्शन किया है. इन उपकरणों को मोटे तौर पर चिप आधारित fluidics और nonchip आधारित fluidic उपकरणों में वर्गीकृत किया जा सकता है. चिप आधारित fluidics अलावा, microfluidics अच्छी तरह से जांच की है और एक विषय के साहित्य 2-5 में अच्छी तरह से कवर किया. Nonchip आधारित नियंत्रण रेखा सिस्टम ट्यूबलर रिएक्टरों 6 का उपयोग करें. पारंपरिक, microfluidic प्रणाली सटीक नियंत्रण और ज्यामितीय submillimeter पैमाने पर करने के लिए विवश कर रहे हैं कि तरल पदार्थ के हेरफेर के लिए उपयोग किया जाता है. हमने हाल ही में (चौड़ाई या गहराई या चैनलों के दोनों आकार में कम से कम एक मिलीमीटर हैं) 7-9 मिलीमीटर पैमाने में चैनलों में तरल पदार्थ के हेरफेर के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है जो चिप आधारित millifluidics, की अवधारणा शुरू की है. इसके अलावा, millifluidic चिप्स whi बनाना करने के लिए अपेक्षाकृत आसान कर रहे हैंLe प्रवाह दरों और अभिकर्मकों की छेड़छाड़ को लेकर भी इसी तरह का नियंत्रण की पेशकश की. इन चिप्स भी संकरा आकार के वितरण के साथ नैनोकणों के नियंत्रित संश्लेषण के पैमाने अप के लिए संभावना की पेशकश की, जिससे छोटे निवास बार बनाने, उच्च प्रवाह दरों पर संचालित किया जा सकता है. एक उदाहरण के रूप में, हम हाल ही में अल्ट्रा छोटे तांबे की nanoclusters संश्लेषण का प्रदर्शन किया और सीटू एक्स – रे अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी में उपयोग कर के रूप में अच्छी तरह से मंदिर उन्हें विशेषता है. तांबा nanoclusters 7 के स्थिर कोलाइड के गठन के लिए बहुत ही कुशल bidentate PEGylated स्थिर एजेंट है जो एमपीईजी, के उपयोग के साथ संयोजन में millifluidic चैनलों के भीतर छोटे निवास बार प्राप्त करने की क्षमता.
रसायन और nanomaterials के संश्लेषण के अलावा, millifluidics कारण जांच के क्षेत्र में उच्च मात्रा और एकाग्रता, अधिक सामान्यीकृत और कुशल समय हल गतिज अध्ययन के लिए और भी achie है कि एक कृत्रिम मंच करने के लिए, की पेशकश कर सकतासिस्टम microfluidic 7,10 से शोर अनुपात करने के लिए बेहतर संकेत ves. हम 5 मिसे के रूप में 11 के रूप में छोटे एक समय संकल्प के साथ सीटू xas में उपयोग कर समाधान से सोने nanostructures के विकास के समय से हल विश्लेषण के लिए एक उदाहरण के रूप में millifluidic चिप के उपयोग को दिखाने के.
इसके अलावा, कटैलिसीस अनुप्रयोगों के लिए तिथि करने के लिए विकसित की सूक्ष्म रिएक्टरों के बहुमत सिलिकॉन 12,13 पर आधारित हैं. उत्पन्न छोटे संस्करणों के अलावा उनकी महंगी निर्माण बड़े पैमाने पर निर्माण के लिए अनुपयुक्त बना देता है. nanocatalysts साथ चैनलों कोटिंग के लिए दो सामान्य तरीके – रासायनिक और भौतिक, अक्सर सिलिकॉन कोटिंग प्रक्रियाओं के रूप में भेजा, शोहरत 14,15 में वर्तमान में कर रहे हैं. महंगा सूक्ष्म निर्माण के अलावा, चैनलों के clogging सूक्ष्म रिएक्टर कटैलिसीस बड़े पैमाने पर निर्माण के लिए अनुपयुक्त हो सकता है बनाता है. Microreactors सूक्ष्म निरंतर प्रवाह के माध्यम से प्रक्रियाओं earli में विषम कटैलिसीस के लिए इस्तेमाल किया गया है16-18 एर, आयाम नियंत्रित करने की क्षमता है, और निरंतर प्रवाह चैनल के अंदर एम्बेडेड सोने nanostructured उत्प्रेरक की आकारिकी से पहले पता लगाया कभी नहीं किया गया था. हमने हाल ही में, Au उत्प्रेरक के साथ millifluidic चैनलों कोटिंग के लिए एक तकनीक विकसित की है नैनो आकारिकी और आयाम (चित्रा 5) 11 नियंत्रित होने, औद्योगिक रूप से महत्वपूर्ण रासायनिक प्रतिक्रियाओं की कटैलिसीस से बाहर ले जाने के लिए. एक उदाहरण के रूप में हम millifluidic चैनलों के भीतर लेपित nanostructured सोने द्वारा उत्प्रेरित 4-एमिनोफिनोल में 4 nitrophenol के रूपांतरण का प्रदर्शन किया है. एक एकल millifluidic रिएक्टर चिप 50-60 मिलीग्राम / घंटा, 7 उच्च throughput और रसायन की नियंत्रित संश्लेषण के प्रवाह दरों का उत्पादन कर सकते हैं विचार है कि या तो निरंतर प्रवाह आपरेशन या समानांतर प्रसंस्करण के माध्यम से संभव है.
Millifluidics ऊपर के रूप में वर्णित कुछ उदाहरण के साथ, की पेशकश की संभावनाओं को भुनाने के लिए, हम भी दिखाना है कि एक उपयोगकर्ता के अनुकूलपोर्टेबल है और है कि millifluidic उपकरण जैसे millifluidic चिप्स, manifolds, प्रवाह नियंत्रकों, पंप और बिजली के कनेक्शन के रूप में सभी आवश्यक घटक एकीकृत. इस तरह की एक millifluidic डिवाइस, 7 चित्र में दिखाया गया है, अब कंपनी Millifluidica एलएलसी (से उपलब्ध है www.millifluidica.com ). पांडुलिपि भी nanomaterials, प्रतिक्रिया तंत्र और सतत प्रवाह कटैलिसीस का समय हल विश्लेषण के नियंत्रित संश्लेषण के लिए, नीचे वर्णित है, हाथ से आयोजित millifluidic डिवाइस का उपयोग प्रोटोकॉल प्रदान करता है.
Protocol
Representative Results
Discussion
-O'-methylpolyethylene ग्लाइकॉल (मेगावाट = 5000) [एमपीईजी] – UCNCs polymeric कैपिंग एजेंट हे [(3 Mercaptopropionylamino) एथिल 2] की उपस्थिति में सोडियम borohydride साथ तांबा नाइट्रेट की कमी प्रतिक्रिया से गठन किया गया. प्रतिक्रिया ऐसे 6.8 मिलीग्राम / घंटा, 14.3 ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस शोध कार्य परमाणु स्तर उत्प्रेरक डिजाइन, अमेरिकी ऊर्जा विभाग, विज्ञान, पुरस्कार संख्या डे SC0001058 के तहत बुनियादी ऊर्जा विज्ञान के कार्यालय के कार्यालय द्वारा वित्त पोषित एक ऊर्जा फ्रंटियर अनुसंधान केंद्र के लिए केंद्र के हिस्से के रूप में समर्थन किया है और यह भी बोर्ड के द्वारा समर्थित है अनुदान पुरस्कार संख्या LEQSF (2009-14) EFRC-मैच और LEDSF-ईपीएस (2012) में ऑप्ट-15 के तहत राज्य प्रतिनिधियों. MRCAT आपरेशन ऊर्जा विभाग और MRCAT सदस्य संस्थाओं द्वारा समर्थित हैं. ANL उन्नत फोटॉन स्रोत का उपयोग अनुबंध सं डे-AC02-06CH11357 तहत अमेरिकी ऊर्जा विभाग, विज्ञान, मूल ऊर्जा विज्ञान के कार्यालय के कार्यालय द्वारा समर्थित है. JTM के लिए वित्तीय सहायता एटम कुशल रासायनिक परिवर्तनों के लिए संस्थान (IACT), अमेरिका के ऊर्जा विभाग द्वारा वित्त पोषित एक ऊर्जा फ्रंटियर अनुसंधान केंद्र, विज्ञान के कार्यालय, मूल ऊर्जा विज्ञान के कार्यालय के एक हिस्से के रूप में प्रदान की गई थी.
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 |
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