Millifluidics voor chemische synthese en Tijdopgeloste mechanistische studies
Summary
Millifluidic apparaten worden gebruikt voor gecontroleerde synthese van nanomaterialen tijdsopgeloste analyse van reactiemechanismen als continu katalyse.
Abstract
Procedures gebruik millifluidic inrichtingen voor chemische synthese en tijdsopgeloste mechanistische studies beschreven door middel van drie voorbeelden. In de eerste, is de synthese van ultra-kleine koperen nanoclusters beschreven. Het tweede voorbeeld verschaft hun nut voor het onderzoeken tijdopgeloste kinetiek van chemische reacties door analyse gouden nanodeeltjes met vorming in situ röntgenabsorptie spectroscopie. Het laatste voorbeeld toont continue stroom katalyse van reacties in millifluidic kanaal bekleed met nano-gestructureerde katalysator.
Introduction
Lab-on-a-chip (LOC) apparaten voor de chemische synthese hebben significant voordeel aangetoond in termen van meer massa en warmte-overdracht, superieure reactie controle, hoge doorvoersnelheid en veiliger werken milieu 1. Deze apparaten kunnen grofweg worden ingedeeld in chip gebaseerd fluïdica en nonchip gebaseerd fluïduminrichtingen. Onder de chip-gebaseerde fluïdica, wordt microfluidics goed onderzocht en een onderwerp goed behandeld in de literatuur 2-5. Nonchip gebaseerde LOC systemen tubulaire reactoren 6. Conventioneel, worden microfluïdische systemen voor nauwkeurige controle en manipulatie van vloeistoffen die geometrisch zijn beperkt tot submillimeter schaal. We hebben onlangs het concept van chip gebaseerde millifluidics, die kan worden gebruikt voor manipulatie van vloeistoffen in kanalen in millimeterschaal (of breedte of diepte of beide kanalen ten minste een millimeter groot) 7-9. Bovendien zijn de millifluidic chips relatief eenvoudig te fabriceren while die soortgelijke controle over debiet en de manipulatie van reagentia. De chips kunnen ook worden gebruikt bij hogere stroomsnelheden, waardoor kleinere verblijftijden daardoor biedt de mogelijkheid voor opschaling van gecontroleerde synthese van nanodeeltjes met smallere grootteverdeling. Als voorbeeld hebben we onlangs aangetoond de synthese van ultra-kleine koperen nanoclusters en gekarakteriseerd ze om in situ X-straal absorptie spectroscopie en TEM. Mogelijkheid om kleine verblijftijden in millifluidic kanalen in combinatie met het gebruik van MPEG, die zeer efficiënt bidentaat gePEGyleerde stabiliseringsmiddel voor de vorming van stabiele colloïden koper nanoclusters 7 verkrijgen.
Naast de synthese van chemicaliën en nanomaterialen, zou de millifluidics bieden door hogere volume en concentratie van de probe, een synthetisch platform dat meer algemene en efficiënt voor tijdsopgeloste kinetische studies alsmede achieves betere signaal-ruisverhouding dan microfluïdische systemen 7,10. We tonen het gebruik van millifluidic chip als voorbeeld tijdopgeloste analyse van de groei van goud nanostructuren uit oplossing door in situ XAS met een tijdsresolutie van slechts 5 msec 11.
Ook deel van het micro reactoren ontwikkeld tot op heden voor katalyse toepassingen zijn gebaseerd op silicium 12,13. Hun dure fabricage in aanvulling op kleine volumes gegenereerd maakt ze ongeschikt voor grootschalige productie. De twee algemene methoden voor het bekleden van de kanalen met nanocatalysts – chemische en fysische, vaak aangeduid als siliconen coating procedures, zijn momenteel in de mode 14,15. Naast dure microfabricage, verstopping van de kanalen maakt microreactor katalyse geschikt voor grootschalige productie zijn. Hoewel microreactoren zijn gebruikt voor heterogene katalyse micro continue doorstroom processen EARLIer 16-18, de mogelijkheid om de dimensie controle en morfologie van de ingebedde goud nanogestructureerde katalysatoren in continue stromingskanalen werd nooit onderzocht. Recent hebben wij een technologie voor het coaten van de millifluidic kanalen met Au katalysatoren, nano morfologie en afmetingen (fig. 5) 11 die gereguleerd uitvoering katalyse van industrieel belangrijke chemische reacties. Als voorbeeld nemen we omzetting van 4-nitrofenol hebben aangetoond in 4-aminophenol gekatalyseerd door nanostructured goud gecoate binnen de millifluidic kanalen. Gezien het feit dat een enkele millifluidic reactor chip debiet van 50-60 ml / uur, 7 high-throughput en gecontroleerde synthese van chemische stoffen kan produceren is mogelijk, hetzij door continue stroom werking of parallelle verwerking.
Om te profiteren van de mogelijkheden van de millifluidics bieden, met enkele voorbeelden zoals hierboven beschreven, hebben we ook aantonen dat er een gebruiksvriendelijkemillifluidic apparaat dat is draagbaar en heeft het alle benodigde componenten zoals millifluidic chips, spruitstukken, flow controllers, pompen en elektrische aansluitingen geïntegreerd. Een dergelijke millifluidic inrichting, zoals in de figuur 7 is nu verkrijgbaar bij de firma Millifluidica LLC ( www.millifluidica.com ). Het manuscript geeft ook protocollen met de hand vastgehouden millifluidic apparaat, zoals hieronder beschreven gecontroleerde synthese van nanomaterialen tijdsopgeloste analyse van reactiemechanismen als continu katalyse.
Protocol
Representative Results
Discussion
De UCNCs werden gevormd door de reductiereactie kopernitraat met natriumboorhydride in aanwezigheid van de polymere afdekmiddel O-[2 – (3-Mercaptopropionylamino) ethyl]-O'-methylpolyethylene glycol (MW = 5000) [MPEG]. De reactie werd uitgevoerd in het millifluidic chip reactor met verschillende stroomsnelheden zoals 6,8 ml / uur, 14,3 ml / uur, 32,7 ml / uur en 51,4 ml / uur om het effect van stroomsnelheden op UCNCs gevormde bestuderen. De respectieve verblijftijden voor de hierboven stroomsnelheden zijn 47.49, 24….
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit onderzoek wordt ondersteund als onderdeel van het Centrum voor atomaire niveau Catalyst Design, een Energy Frontier Research Center gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie, Office of Science, Bureau van Basic Energy Sciences Award onder nummer DE-SC0001058 en ook ondersteund door de Raad van regenten onder subsidies toe te kennen nummer LEQSF (2009-14)-EFRC-MATCH en LEDSF-EPS (2012)-OPT-IN-15. MRCAT bewerkingen worden ondersteund door het Ministerie van Energie en het MRCAT aangesloten instellingen. Het gebruik van de Advanced Photon Source bij ANL wordt ondersteund door het Amerikaanse ministerie van Energie, Office of Science, Bureau van Basic Energy Sciences, onder contract nummer DE-AC02-06CH11357. Financiële steun voor JTM werd als onderdeel van het Instituut voor Atoom-efficiënte chemische omzettingen (IACT), een Energy Frontier Research Center gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie, Office of Science, Bureau van 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 |
Referências
- 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).
