화학 합성 및 시간 - 해결 기계론의 연구 Millifluidics
Summary
Millifluidic 장치는 나노 물질, 반응 메커니즘과 지속적인 흐름 촉매의 시간 분해 분석의 제어 합성에 이용된다.
Abstract
화학 합성 시간이 해결 기계론의 연구에 대한 millifluidic 장치를 이용하는 절차는 세 가지 예를 복용에 의해 설명되어 있습니다. 먼저, 초소형 구리 나노 클러스터의 합성은 설명한다. 두 번째 예는 현장 X-선 흡수 분광법에 사용하는 금 나노 입자의 형성을 분석하여 화학 반응의 시간이 해결 된 역학 조사에 대한 자신의 유틸리티를 제공합니다. 마지막 예제는 나노 구조 촉매로 코팅 millifluidic 채널 내부 반응의 연속적인 흐름의 촉매 작용을 보여줍니다.
Introduction
화학 합성 실험실 – 온 – 칩 (LOC) 장치가 증가 질량과 열전달, 뛰어난 반응 제어, 높은 처리량 및 안전한 작업 환경 (1)의 측면에서 상당한 이점을 증명하고있다. 이러한 장치는 광범위 칩 기반의 유체와 nonchip 기반 유체 소자로 분류 될 수있다. 칩 기반의 유체 사이에서, 마이크로 유체 잘 조사하고, 주제는 문학 2-5에서 잘 덮여. Nonchip 기반 LOC 시스템은 관형 반응기 (6)를 사용합니다. 통상적으로, 마이크로 유체 시스템은 정확한 컨트롤과 기하학적 서브 밀리미터 규모로 제한하는 유체의 조작에 사용됩니다. 우리는 최근 (폭 또는 깊이 또는 채널의 양쪽 모두는 크기가 최소 mm이다) 7-9 밀리미터 스케일 채널에서 유체의 조작을 위해 사용될 수있다 칩 기반 millifluidics의 개념을 도입 하였다. 또한, millifluidic 칩은 WHI를 제조하기가 비교적 쉽다르 흐름 속도 및 시약의 조작을 제어하기위한 비슷한 방법을 제공합니다. 이 칩은 좁은 크기 분포를 갖는 나노 입자의 제어 합성의 스케일 업에 대한 가능성을 제공함으로써, 작은 체류 시간을 만들고, 높은 흐름 속도로 작동 할 수 있습니다. 예를 들어, 우리는 최근 초소형 구리 나노 클러스터의 합성을 시연하고 현장 X-선 흡수 분광법에 사용뿐만 아니라 TEM을 특징으로했다. 구리 나노 클러스터 (7)의 안정된 콜로이드의 형성에 매우 효율적 두자리 PEG 화 안정 화제입니다 MPEG의 사용과 함께 millifluidic 채널 내에서 작은 체류 시간을 얻을 수있는 능력.
화학 물질과 나노 물질의 합성뿐만 아니라, millifluidics 때문에 프로브 영역에서 높은 양 및 농도, 더 일반화하고 효율적인 시간 분해 동역학 연구도 achie이다 합성 플랫폼에 제공 할마이크로 유체 시스템 7,10보다 노이즈 비율로 신호가 잘 보이는 군. 우리는 5 밀리 초 (11)와 같은 작은 시간 해상도와 동일계 XAS에서 사용한 용액으로부터 금 나노 구조물의 성장 시간이 해결 분석을위한 예로서 millifluidic 칩의 사용을 보여준다.
또한, 촉매 응용 프로그램에 대한 최신 개발 된 마이크로 반응기의 대부분은 실리콘 (12, 13)를 기준으로합니다. 생성 된 작은 볼륨뿐만 아니라 고가의 제조는 대규모 제조되지는 않습니다. 나노 촉매와 채널 코팅하는 두 가지 일반적인 방법 – 화학적 및 물리적 종종 실리콘 코팅 절차 칭함 보그 14,15 현재이다. 고가의 마이크로 제조 외에도 채널의 막힘은 마이크로 반응기의 촉매가 대규모 생산에 부적합하게 될 수있다. 마이크로 반응기는 마이크로 연속 관류 공정의 earli 이종 촉매에 사용되었지만16-18 어, 치수를 제어 할 수있는 능력, 지속적인 흐름 채널에 내장 된 금 나노 촉매의 형태는 이전에 탐험되지 않았습니다. 우리는 최근의 Au 촉매와 millifluidic 채널을 코팅하는 기술을 개발 한 나노 형태와 치수 (그림 5) (11)를 제어하는 데, 산업적으로 중요한 화학 반응의 촉매 작용을 수행하기위한. 예를 들어 우리는 millifluidic 채널 내에서 코팅 된 나노 금 촉매로 4 – 아미노 페놀에 4 – 니트로 페놀의 변환을 증명하고있다. 단일 millifluidic 반응 칩이 50 ~ 60 ㎖ / 시간, 7 높은 처리량 및 화학 물질의 제어 합성의 흐름 속도를 생성 할 수 있음을 감안하면 어느 연속 흐름 작업 또는 병렬 처리를 통해 가능하다.
millifluidics 이상으로 설명 몇 가지 예제와 함께 제공하는 가능성을 활용하기 위해, 우리는 또한 보여 사용자 친화적 인이식하고있다 millifluidic 장치는 millifluidic 칩, 매니 폴드, 유동 제어기, 펌프 및 전기적 연결과 같은 모든 필요한 구성 요소가 통합. 이러한 millifluidic 장치는,도 7에 도시 된 바와 같이, 지금의 회사 Millifluidica LLC (에서 구할 www.millifluidica.com ). 원고는 나노 물질, 반응 메커니즘과 연속 유동 촉매의 시간 분해 분석 제어 합성에 대해, 후술하는 바와 같이, 핸드 헬드 장치를 사용 millifluidic 프로토콜을 제공한다.
Protocol
Representative Results
Discussion
-O'-methylpolyethylene 글리콜 (MW = 5000) [MPEG] – UCNCs는 중합체 캐핑 에이전트 O-[(3 – Mercaptopropionylamino) 에틸 2]의 존재하에 수소화 붕소 나트륨과 질산 구리의 환원 반응에 의해 형성 하였다. 반응은 6.8 ㎖ / 시간, 36.3 ㎖ / 시간, 32.7 ㎖ / 시간 및 형성 UCNCs에 흐름 비율의 효과를 연구하기 위해 51.4 ㎖ / 시간으로 다른 흐름 속도로 millifluidic 칩 반응기 내에서 수행 하였다. 위의 흐름 속도에 대한 각각의 체?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 연구 작업은 원자 수준의 촉매 디자인, 미국 에너지 부, 과학, 보너스 번호 DE-SC0001058에서 기초 에너지 과학 국의 재정 지원 에너지 프론티어 연구 센터의 센터의 한 부분으로 지원하고 또한 이사회에 의해 지원됩니다 부여 보너스 번호 LEQSF (2009-14) EFRC-MATCH와 LEDSF-EPS (2012)-OPT-IN-15에서 리전트. MRCAT 작업은 에너지 부와 MRCAT 회원 기관에 의해 지원된다. ANL에서 고급 광자 소스의 사용은 계약 번호 DE-AC02-06CH11357에서 미국 에너지 부, 과학, 기초 에너지 과학의 사무실의 사무실에 의해 지원됩니다. JTM에 대한 재정 지원은 아톰 효율적인 화학 변환에 대한 연구소 (IACT), 미국 에너지 부에 의해 투자 에너지 프론티어 연구 센터, 과학의 사무실, 기초 에너지 과학의 사무실의 일부로 제공되었다.
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).
