Millifluidics para síntese química e resolvida no tempo estudos sobre os mecanismos
Summary
Millifluidic dispositivos são utilizados para a síntese controlada de nanomateriais, análise resolvida no tempo de mecanismos de reacção e catálise de fluxo contínuo.
Abstract
Procedimentos utilizando dispositivos millifluidic para a síntese química e estudos mecanicistas resolvida no tempo são descritos tomando três exemplos. Em primeiro lugar, a síntese de ultra-pequenas nanopartículas de cobre é descrito. O segundo exemplo fornece a sua utilidade para a investigação de tempo resolvido cinética de reações químicas através da análise de formação de nanopartículas de ouro utilizando in situ de raios-X espectroscopia de absorção. O último exemplo demonstra a catálise de reacções de fluxo contínuo no interior do canal millifluidic revestidas com catalisador nanoestruturada.
Introduction
Dispositivos lab-on-a-chip (LOC) para síntese química têm demonstrado vantagem significativa em termos de aumento de massa e calor de transferência, controle de reação superior, alto rendimento e ambiente de operação mais segura 1. Estes dispositivos podem ser classificados em fluidos de chips baseados e dispositivos fluídicos nonchip base. Entre os fluidos à base de chips, microfluídica é bem investigado e um tema bem abordado na literatura 2-5. Sistemas baseados LOC Nonchip utilizar reactores tubulares 6. Convencionalmente, os sistemas microfluídicos são usados para controle preciso e manipulação de fluidos que são geometricamente restringidas a escala submillimeter. Recentemente, introduziu o conceito de millifluidics à base de chips, que podem ser utilizados para a manipulação de fluidos em canais em escala milimétrica (largura ou profundidade ou em ambos os canais são, pelo menos, um milímetro de tamanho) 7-9. Além disso, os chips millifluidic são relativamente fáceis de fabricar while oferecendo controle similar sobre caudais e manipulação de reagentes. Esses chips também pode ser operado com caudais mais elevados, criando tempos de residência menores, assim, oferecendo a possibilidade de scale-up de síntese controlada de nanopartículas com estreita distribuição de tamanho. Como exemplo, foi demonstrado recentemente a síntese de ultra-pequenas nanopartículas de cobre e caracterizado deles usando in situ de raios-X a espectroscopia de absorção, bem como ETM. Capacidade de obter pequenos tempos de residência no interior dos canais millifluidic em combinação com a utilização do MPEG, o qual é muito eficiente bidentado PEGuilado agente estabilizador para a formação de colóides estáveis de nanopartículas de cobre 7.
Para além da síntese de produtos químicos e os nanomateriais, os millifluidics poderia oferecer, devido ao maior volume e concentração na área da sonda, uma plataforma sintético que é mais generalizada e eficiente para os estudos cinéticos e resolvidos no tempo e também obtida atraves melhor relação sinal-ruído de sistemas microfluídicos 7,10. Mostramos a utilização de chip de millifluidic como um exemplo para a análise de cada vez determinado o crescimento de nanoestruturas de ouro a partir da solução utilizando xas in situ com uma resolução de tempo tão pequeno como 5 mseg 11.
Além disso, a maioria das micro-reactores desenvolvido até à data para aplicações de catálise são baseados em 12,13 de silício. O seu fabrico caro, além de pequenas quantidades geradas torna-os inadequados para a fabricação em larga escala. Os dois métodos gerais para o revestimento dos canais com nanocatalisadores – químicas e físicas, muitas vezes referida como processos de revestimento de silicone, estão atualmente em voga 14,15. Além microfabricação caro, o entupimento dos canais torna catálise micro reactor pode ser inadequado para a fabricação em grande escala. Embora microreatores têm sido utilizados para a catálise heterogênea em micro contínuas de fluxo através de processos earlier 16-18, a capacidade de controlar a dimensão e morfologia dos catalisadores nanoestruturados ouro incorporados em canais de fluxo contínuo nunca foi explorado antes. Recentemente, desenvolveu uma tecnologia para o revestimento dos canais millifluidic com catalisadores Au, ter controlado a morfologia e as dimensões de nano (Figura 5) 11, para a realização da catálise de reacções químicas industrialmente importantes. Como exemplo temos demonstrado conversão de 4-nitrofenol em 4-aminofenol catalisada por ouro nanoestruturada revestido dentro dos canais millifluidic. Considerando-se que um único chip reator millifluidic pode produzir caudais de 50-60 ml / hr, 7 de alto rendimento e síntese controlada de produtos químicos é possível através de operação de fluxo contínuo ou de processamento paralelo.
A fim de capitalizar sobre as possibilidades dos millifluidics oferecer, com poucos exemplos descritos acima, também queremos demonstrar um user-friendlymillifluidic dispositivo que é portátil e tem os todos os componentes necessários, tais como batatas fritas millifluidic, colectores, controladores de fluxo, bombas e ligações eléctricas integrado. Tal dispositivo millifluidic, como mostrado na Figura 7, está agora disponível a partir da empresa Millifluidica LLC ( www.millifluidica.com ). O manuscrito também fornece protocolos que utilizam o dispositivo millifluidic de mão, como descrito abaixo, para a síntese controlada de nanomateriais, análise resolvida no tempo de mecanismos de reacção e catálise de fluxo contínuo.
Protocol
Representative Results
Discussion
Os UCNCs foram formados pela reacção de redução de nitrato de cobre, com borohidreto de sódio na presença do polímero de nivelamento agente de O-[2 – (3-Mercaptopropionylamino) etil]-O'-metilpolietileno glicol (PM = 5.000) [MPEG]. A reacção foi realizada dentro do reator de chips millifluidic em diferentes taxas de-fluxo, como 6,8 ml / h, 14,3 ml / h, 32,7 ml / h, e 51,4 ml / h para estudar o efeito das taxas de-fluxo nas UCNCs formados. Os respectivos tempos de residência para os caudais acima são 47,49,…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho é apoiado como parte do Centro de Nível Atômico Catalisador projeto, um Centro de Pesquisa de Energia Frontier financiado pelo Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Ciência, Instituto de ciências básicas da energia sob Prêmio Número DE-SC0001058 e também apoiado pelo Conselho de Regents sob concessões número prêmio LEQSF (2009-14)-EFRC-MATCH e LEDSF-EPS (2012)-OPT-IN-15. Operações MRCAT são suportados pelo Departamento de Energia e as instituições membros MRCAT. O uso da Advanced Photon Source no ANL é apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Ciência, Instituto de ciências básicas da energia, sob Contrato n º DE-AC02-06CH11357. O apoio financeiro para JTM foi fornecido como parte do Instituto de Atom-eficientes Transformações Químicas (IACT), um Centro de Pesquisa de Energia Frontier financiado pelo Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Ciência, Instituto de ciências básicas da energia.
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
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