Millifluidics för kemisk syntes och tidsupplöst Mekanistiska studier
Summary
Millifluidic enheter används för kontrollerad syntes av nanomaterial, tidsupplöst analys av reaktionsmekanismer och kontinuerligt flöde katalys.
Abstract
Förfaranden som utnyttjar millifluidic anordningar för kemisk syntes och tidsupplösta mekanistiska studier beskrivs genom att ta tre exempel. I det första, är syntesen av ultrasmå kopparnanokluster beskrivs. Det andra exemplet tillhandahåller deras användbarhet för att undersöka tidsupplöst kinetiken för kemiska reaktioner genom att analysera guldnanopartikelbildning med användning av in situ röntgenabsorption spektroskopi. Det sista exemplet visar kontinuerligt flöde katalys av reaktioner inne millifluidic kanal belagda med nanostrukturerade katalysator.
Introduction
Lab-on-a-chip (LOC) anordningar för kemisk syntes har visat betydande fördelar i form av ökad massa-och värmeöverföring, överlägsen reaktionskontroll, hög genomströmning och säkrare drift miljö 1. Dessa enheter kan grovt delas in i chipbaserade flödes och nonchip baserade fluidanordningar. Bland de chipbaserade flödes är mikrofluidik väl undersökt och ett ämne väl täckta i litteraturen 2-5. Nonchip baserade LOC system använder rörformiga reaktorer 6. Konventionellt är mikrofluidiska system som används för exakt kontroll och manipulation av fluider som är geometriskt begränsade till submillimeter skala. Vi har nyligen infört begreppet chipbaserade millifluidics, som kan användas för manipulering av fluider i kanaler i millimeterskala (antingen bredd eller djup eller båda av kanalerna är åtminstone en millimeter i storlek) 7-9. Vidare är de millifluidic chips är relativt lätt att tillverka while som erbjuder liknande kontroll över flödeshastigheter och manipulation av reagenser. Dessa marker kan också drivas vid högre flödeshastigheter, skapa mindre uppehållstider och därmed erbjuda möjligheten för uppskalning av kontrollerad syntes av nanopartiklar med snävare storleksfördelning. Som ett exempel har vi nyligen visat att syntes av ultrasmå kopparnanokluster och karakteriserades dem med hjälp av in situ röntgenabsorption spektroskopi samt TEM. Förmåga att erhålla små uppehållstider inom millifluidic kanaler i kombination med användningen av MPEG, som är mycket effektiv tvåtandad PEGylerat stabiliseringsmedel för bildning av stabila kolloider av kopparnanokluster 7.
Förutom syntes av kemikalier och nanomaterial kunde millifluidics erbjuder, på grund av högre volym och koncentration vid sondens område, en syntetisk plattform som är mer generaliserat och effektivt för tidsupplösta kinetiska studier och även achieves bättre signalbrusförhållande än mikrofluidiksystem 7,10. Vi visar att användningen av millifluidic chip som exempel för tidsupplöst analys av tillväxten av guld nanostrukturer från lösning med hjälp av in situ XAS med en tidsupplösning så liten som 5 ms 11.
Dessutom är majoriteten av mikroreaktorer som utvecklats hittills för katalys applikationer baserade på kisel 12,13. Deras dyra tillverkning förutom små volymer som genereras gör dem olämpliga för storskalig tillverkning. De två generella metoder för beläggning av kanaler med nanocatalysts – kemiska och fysiska, som ofta kallas kisel beläggning förfaranden, är för närvarande på modet 14,15. Förutom dyra mikrofabrikation, gör igensättning av kanalerna mikroreaktor katalys kan vara olämpliga för storskalig tillverkning. Även mikroreaktorer har använts för heterogen katalys i mikro kontinuerliga genomströmnings processer EARLIER 16 till 18, förmågan att styra dimensionen och morfologin hos de inbäddade guldnanostrukturerade katalysatorer inom kontinuerliga flödeskanalerna var aldrig utforskats tidigare. Vi har nyligen utvecklat en teknik för beläggning av millifluidic kanaler med Au-katalysatorer, efter att ha kontrollerat nano morfologi och dimensioner (Figur 5) 11, för att utföra katalys av industriellt viktiga kemiska reaktioner. Som ett exempel har vi visat omvandling av 4-nitrofenol i 4-aminofenol katalyseras av nanostrukturerade guld belagt inom millifluidic kanaler. Med tanke på att en enda millifluidic reaktor chip kan producera flödeshastigheter av 50-60 ml / h, 7 hög kapacitet och kontrollerad syntes av kemikalier är möjlig antingen genom kontinuerligt flöde drift eller parallell bearbetning.
För att dra nytta av de möjligheter de millifluidics erbjuder, med några exempel som beskrivs som ovan, vi också visa en användarvänligmillifluidic enhet som är portabel och har alla nödvändiga komponenter som millifluidic chips, grenrör, flödesregulatorer, pumpar och elektriska anslutningar integrerade. En sådan millifluidic anordningen, såsom visas i Figur 7, är nu tillgänglig från företaget Millifluidica LLC ( www.millifluidica.com ). Manuskriptet ger också protokollen genom att använda handhållna millifluidic anordning, som beskrivs nedan, för kontrollerad syntes av nanomaterial, tidsupplöst analys av reaktionsmekanismer och kontinuerligt flöde katalys.
Protocol
Representative Results
Discussion
De UCNCs bildades genom reduktionsreaktionen av kopparnitrat med natriumborhydrid i närvaro av det polymera täckmedel O-[2 – (3-Mercaptopropionylamino) etyl]-O'-methylpolyethylene glykol (molekylvikt = 5000) [MPEG]. Reaktionen utförs inom millifluidic chip reaktorn vid olika flödeshastigheter, t.ex. 6,8 ml / h, 14,3 ml / timme, 32,7 ml / h, och 51,4 ml / timme för att studera effekten av flödeshastigheter på UCNCs bildas. De respektive uppehållstider för ovanstående flödeshastigheter är 47.49, 24.44, 16….
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna forskning stöds som en del av Centrum för atomnivå Catalyst Design, en Energy Frontier Research Center finansieras av US Department of Energy, Office of Science, Office of Basic Energivetenskaper inom Award Number DE-SC0001058 och stöds även av styrelsen för Regents enligt bidrag utmärkelse nummer LEQSF (2009-14)-EFRC-MATCH och LEDSF-EPS (2012)-OPT-IN-15. MRCAT verksamhet stöds av Institutionen för energi och MRCAT medlemsinstitutionerna. Användningen av Advanced Photon Source vid ANL stöds av US Department of Energy, Office of Science, Office of Basic Energivetenskaper, enligt kontrakt nr DE-AC02-06CH11357. Ekonomiskt stöd till JTM utförs som en del av Institutet för Atom-effektiva kemiska transformationer (lACT), en Energy Frontier Research Center finansieras av US Department of Energy, Office of Science, Office of Basic Energivetenskaper.
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).
