Kimyasal Sentez ve Zaman-çözülmesi Mekanistiksel Çalışmaları Millifluidics
Summary
Millifluidic Nanomalzemelere aygıtları, tepkime mekanizmaları ve sürekli akış kataliz zaman çözümlü bir analiz olarak kontrol edilen sentez için kullanılmaktadır.
Abstract
Kimyasal sentez ve zaman çözümlü bir mekanik çalışmalar için millifluidic cihazlarını kullanan işlemler üç örnek alınarak açıklanmıştır. İlk olarak, çok küçük bakır nanoklastırlaar sentezi tarif edilmektedir. İkinci örnek yerinde X-ışını soğurma spektroskopi kullanarak altın nanoparçacık oluşumunu analiz kimyasal reaksiyonların zaman çözülmesi kinetik soruşturma için kendi yarar sağlar. Nihai örneğin nano yapılı katalizör ile kaplanmış kanal iç millifluidic reaksiyonlar sürekli akış kataliz gösterir.
Introduction
Kimyasal sentez için lab-on-a-chip (LOC) cihazları artmış kütle ve ısı transferi, üstün reaksiyon kontrolü, yüksek verim ve daha güvenli bir çalışma ortamı 1. açısından önemli bir avantaj göstermiştir. Bu cihazlar geniş yonga tabanlı akışkansal ve nonchip bazlı akışkan cihazlara ayrılabilir. Çip tabanlı akışkansal arasında, Mikroakiskan iyi incelenmiş ve konu literatürde 2-5 iyi kaplı. Nonchip tabanlı LOC sistemleri tubular reaktörler 6 kullanın. Geleneksel olarak, mikroakışkan sistemleri tam kontrol ve geometrik milimetre altı ölçeğe kısıtlı sıvıların manipülasyonu için kullanılır. Son zamanlarda (genişlik veya derinlik ya da kanalların iki ya da boyutu en az bir milimetre) 7-9 milimetre ölçeğinde kanallarında sıvıların manipülasyonu için kullanılabilecek çipli millifluidics, kavramını var. Ayrıca, millifluidic cips WHI imal etmek nispeten kolaydırle akış oranları ve reaktiflerin manipülasyon üzerinde benzer bir kontrol sunuyor. Bu yongalar, aynı zamanda daha dar bir boyut dağılımına sahip nanopartiküller kontrollü sentezinin ölçek büyütme için olanak sağlar, ve böylece, daha az kalma süreleri oluşturma, daha yüksek akış hızlarında çalıştırılabilir. Örnek olarak, biz son zamanlarda ultra-küçük bakır nanoklastırlaar sentezini gösterdi ve yerinde X-ışını soğurma spektroskopisi kullanarak yanı sıra TEM onları karakterize var. Bakır nanoklastırlar 7 istikrarlı koloitlerin oluşumu için çok etkili iki dişli PEG'lenmiş stabilize edici madde, MPEG, kullanımı ile kombine millifluidic kanal içinde küçük kalma süreleri elde etmek için yeteneği.
Kimyasal ve nanomalzemelerin sentezine ek olarak, millifluidics nedeniyle prob alanında yüksek satış hacmi ve konsantrasyonu, daha genel ve verimli bir zaman çözümlü bir kinetik çalışmalar için ve aynı zamanda achie olan sentetik bir platforma, sunabilirakışkan sistemleri 7,10 daha gürültü oranı daha iyi sinyal ves. Biz 5 msn 11 gibi küçük bir zaman çözünürlüğü ile in situ XAS kullanılarak çözeltiden altın Nano büyümesinin zaman çözüldü analizi için bir örnek olarak millifluidic çip kullanımını göstermektedir.
Ayrıca, kataliz uygulamaları için bugüne kadar geliştirilen mikro reaktörlerin çoğunluğu silikon 12,13 dayanmaktadır. Oluşturulan küçük birimlere ek olarak kendi pahalı üretim büyük ölçekli üretim için onları uygun hale getirir. Nanocatalysts ile kanal kaplanması için iki genel yöntem – kimyasal ve fiziksel, genellikle silikon kaplama işlemleri olarak adlandırılan, rağbet 14,15 şu anda. Mikro pahalı imalat ek olarak, kanalların tıkanması mikro reaktör kataliz büyük ölçekli üretim için uygun olabilir hale getirir. Microreactors mikro sürekli akış geçiş işlemleri earli heterojen kataliz için kullanılmış olsa da16-18 er, boyut kontrol yeteneği ve sürekli akış kanalları içinde gömülü altın nano yapılı katalizörler morfolojisi önce keşfedilmeyi değildi. Biz son zamanlarda, Au katalizörü ile millifluidic kanalları kaplanması için bir teknoloji geliştirdik nano morfolojisi ve boyutları (Şekil 5) 11 kontrollü olan, endüstriyel önemli kimyasal reaksiyonlar katalizini yürütülmesi için. Bir örnek olarak millifluidic kanalları içinde kaplanmış altın nano yapılı ile katalize 4-aminofenol, 4-nitrofenol dönüşüm göstermiştir. Tek bir millifluidic reaktör çip 50-60 ml / saat, 7 yüksek verimlilik ve kimyasalların kontrollü sentezinin akış oranlarını üretebilir olduğu göz önüne alındığında, ya sürekli akış işletim veya paralel işleme ile mümkündür.
Millifluidics yukarıda tarif kaç örnekle, teklif olanakları yararlanmak için, biz de göstermek kullanıcı dostu birtaşınabilir ve var millifluidic cihaz gibi millifluidic cips, manifoldlar, akış kontrol, pompa ve elektrik bağlantıları gibi tüm gerekli bileşenleri entegre. Böyle bir millifluidic cihazı, Şekil 7'de gösterildiği gibi, hemen işletme Millifluidica LLC (edinilebilir www.millifluidica.com ). Makale ayrıca nanomalzemelerin, tepkime mekanizmaları ve sürekli akış kataliz zaman çözümlü analizi kontrol sentezi için, aşağıda tarif edildiği gibi, elde tutulan cihazı kullanılarak millifluidic protokolleri sağlar.
Protocol
Representative Results
Discussion
-O'-metilpolietilen glikol (MW = 5,000) [MPEG] – UCNCs polimerik kapatma maddesi O-[(3-Mercaptopropionylamino) etil 2] mevcudiyetinde sodyum borohidrit ile bakır nitrat indirgeme reaksiyonu ile oluşturulmuştur. Reaksiyon, 6.8 ml / saat, 14,3 ml / saat, 32.7 ml / st ve oluşan UCNCs on akış hızlarının etkisini incelemek için 51.4 ml / saat olarak farklı akış-oranlarda millifluidic çip reaktör içinde gerçekleştirilmiştir. Yukarıda akış oranları için, ilgili kalış süreleri 47.49, 24.44, 16.56 …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu araştırma çalışmaları Atomik Seviye Catalyst Tasarım, ABD Enerji Departmanı, Bilim, Ödül sayısı DE-SC0001058 altında Temel Enerji Bilimler Dairesi Başkanlığı tarafından finanse edilen bir Enerji Frontier Araştırma Merkezi Merkezi'nin bir parçası olarak desteklenen ve aynı zamanda Yönetim Kurulu tarafından desteklenmektedir hibe ödül numarası LEQSF (2009-14)-EFRC-MAÇ ve LEDSF-EPS (2012)-OPT-IN-15 altında Vekaleti. MRCAT işlemleri Enerji Bakanlığı ve MRCAT üye kurumlar tarafından desteklenmektedir. ANL de Gelişmiş Foton Kaynak kullanımı, Sözleşme No: DE-AC02-06CH11357 altında ABD Enerji Departmanı, Fen Bilimleri, Temel Enerji Bilimler Dairesi Ofisi tarafından desteklenmektedir. Jtm için mali destek Atom verimli Kimyasal Dönüşümler Enstitüsü (İAİS), ABD Enerji Bakanlığı tarafından finanse edilen bir Enerji Frontier Araştırma Merkezi, Bilim Ofisi, Temel Enerji Bilimler Office'in bir parçası olarak sağlandı.
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).
