Millifluidics для химического синтеза и с временным разрешением механистических исследований
Summary
Millifluidic устройства используются для контролируемого синтеза наноматериалов, с временным разрешением анализа механизмов реакций и непрерывного катализа потока.
Abstract
Процедуры, использующие millifluidic устройства для химического синтеза и временным разрешением механистических исследований описываются принимая три примера. В первой, синтез ультра-малых нанокластеров меди описано. Второй пример предоставляет их полезность для исследования времени решены кинетики химических реакций на основе анализа формирования наночастиц золота с использованием месте рентгеновской абсорбционной спектроскопии в. Последний пример демонстрирует непрерывный поток катализ реакций внутри millifluidic канала, покрытых наноструктурированного катализатора.
Introduction
Лаборатория-на-чипе (LOC) устройства для химического синтеза продемонстрировали значительное преимущество в плане повышения массо-и теплопередача, удобство управления реакции, высокой пропускной способностью и более безопасной эксплуатации окружающей среды 1. Эти устройства могут быть в целом разделить на чип на основе струйной и nonchip основе жидкостных устройств. Среди струйной чиповых, микрофлюидики хорошо исследованы и тема хорошо освещены в литературе 2-5. Системы LOC Nonchip основе использовать трубчатых реакторов 6. Традиционно, микрофлюидных системы используются для точного контроля и манипуляции жидкостей, которые геометрически ограниченных в субмиллиметровом масштабе. Мы недавно ввели понятие чиповых millifluidics, которые могут быть использованы для манипулирования жидкости в каналах в миллиметровой шкале (ширины или глубины или оба из каналов, по меньшей мере миллиметра) 7-9. Кроме того, millifluidic чипы могут быть сравнительно легко изготовить бееле предлагая такой же контроль над скорости потока и манипулирования реагентов. Эти чипы также могут работать при более высоких скорости потока, создавая меньшие время пребывания, тем самым, предлагая возможность для расширения масштабов контролируемого синтеза наночастиц с узким распределением по размерам. В качестве примера, мы недавно продемонстрировали синтез ультра-малых нанокластеров меди и характеризуется их с помощью месте рентгеновской абсорбционной спектроскопии в, а также ТЭМ. Возможность получить небольшие времени пребывания в millifluidic каналов в сочетании с использованием MPEG, который является очень эффективным бидентатный пегилированный стабилизирующий агент для образования стабильных коллоидов нанокластеров меди 7.
В дополнение к синтезу химических веществ и наноматериалов, в millifluidics могли бы предложить, в связи с увеличением объема и концентрации на участке зонда, синтетического платформу, которая является более обобщенной и эффективным для временным разрешением кинетических исследований, а также достижимVES лучший сигнал-шум, чем микрофлюидных систем 7,10. Покажем использование millifluidic чип в качестве примера для времени решены анализа роста золота наноструктур из раствора с помощью на месте XAS с временным разрешением, как маленький 5 мс 11.
Кроме того, большинство микро реакторов, разработанных на сегодняшний день для катализа приложений основаны на кремниевой 12,13. Их изготовление дорогой в дополнение к малых объемов генерируемых делает их непригодными для крупномасштабного производства. Два основных способа покрытия каналов с нанокатализаторов – химических и физических, часто упоминается как процедуры кремния покрытия, в настоящее время в моде 14,15. В дополнение к дорогого микро изготовления, засорение каналов делает микро реактор катализа, могут не подходить для крупномасштабного производства. Хотя микрореакторы были использованы для гетерогенного катализа в микро непрерывных проточных процессов earliэ 16-18, способность контролировать размер и морфология встроенных катализаторов золото наноструктурированных внутри каналов проточных никогда не изучен ранее. Недавно мы разработали технологию для покрытия millifluidic каналов с Au катализаторов, с контролируемой нано морфологию и размеры (рис. 5) 11, для проведения катализ промышленно важных химических реакций. В качестве примера мы показали превращение 4-нитрофенола в 4-аминофенола, катализируемой наноструктурного золота, покрытого внутри millifluidic каналов. Учитывая, что один millifluidic чип реактор может производить скорости потока 50-60 мл / ч, 7 высокой пропускной и контролируемого синтеза химических веществ можно либо через непрерывной работы потока или параллельной обработки.
Для того, чтобы заработать на возможностях в millifluidics предлагают, с нескольких примеров, описанных как и выше, также демонстрируют дружественныйmillifluidic устройство, которое является портативным и обладает все необходимые компоненты, такие как millifluidic чипов, коллекторы, регуляторы потока, насосов и электрических соединений интегрированы. Такой millifluidic устройство, как показано на рисунке 7, теперь доступен от компании Millifluidica LLC ( www.millifluidica.com ). Рукопись также обеспечивает протокола с ручной millifluidic устройство, как описано ниже, для контролируемого синтеза наноматериалов, с временным разрешением анализа механизмов реакций и непрерывного катализа потока.
Protocol
Representative Results
Discussion
В UCNCs были сформированы реакции восстановления нитрата меди боргидридом натрия в присутствии полимерного укупорки агента O-[2 – (3-меркаптопропиониламино) этил]-O'-methylpolyethylene гликоля (MW = 5000) [MPEG]. Реакцию проводили в реакторе millifluidic стружки при различных скорости потока, такие как 6,8 мл / ч, …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа поддерживается как часть Центра атомного уровня Catalyst дизайна, научно-исследовательский центр пограничной энергии, финансируемого Департаментом энергетики США, Управление по науке, Управления основной энергии наук при Award Количество DE-SC0001058 а также при поддержке Совета Риджентс по грантам награждения числа LEQSF (2009-14)-EFRC-МАТЧ и LEDSF-EPS (2012)-OPT-IN-15. Операции MRCAT поддерживаются Министерством энергетики и учреждений-членов MRCAT. Использование передовых фотонных Источник в ANL поддерживается Министерством энергетики США, Управление по науке, Управления основной энергии наук, по договору № DE-AC02-06CH11357. Финансовая поддержка JTM была предоставлена в рамках Института Атом-эффективных химических превращений (IACT), в научно-исследовательский центр энергии пограничной финансируемого Департаментом энергетики США, Управление по науке, Управления основной энергии наук.
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).
