Millifluidics für Chemische Synthese und Zeitaufgelöste mechanistische Studien

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, die Nützlichkeit einfacher, auf millifluidischen Lab-on-a-Chip-Geräten basierender Systeme für die Hochdurchsatzsynthese von Nanomaterialien, die zeitaufgelöste Untersuchung ihrer Bildung sowie die Demonstration einer kontinuierlichen Durchflusskatalyse zu zeigen. Dies wird erreicht, indem zunächst die Synthese von Kupfer-Nanopartikeln mithilfe eines millifluidischen Reaktors demonstriert wird. Anschließend wird die Bildung von Goldpartikeln innerhalb des millifluidischen Kanals mittels zeitaufgelöster in-situ-Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) visualisiert, um Reaktionsintermediate beobachten zu können.

Im letzten Teil wird kontinuierliche Durchflusskatalyse anhand der Umsetzung von vier Nitrophenolen zu vier Aminophenolen demonstriert, während diese über goldene Nanostrukturen innerhalb des Millifluidik-Chips fließen. Letztendlich zeigen diese drei Experimente, dass einfache Millifluidik-Systeme Möglichkeiten für die Hochdurchsatz-Synthese in C2-Untersuchungen der Partikelbildung sowie für die Durchführung von kontinuierlicher Durchflusskatalyse bieten. Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber bestehenden Methoden wie der traditionellen Mikrofluidik liegt darin, dass sie höhere Durchflussraten aufgrund breiterer Kanäle ermöglicht, ohne dabei die Fluideigenschaften zu beeinträchtigen.

Sie ermöglichen außerdem eine einfachere Hochskalierung der Reaktionsvolumina für die Synthese im größeren Maßstab und bieten eine effektive Plattform zur Untersuchung von Reaktionen in C zwei unter Verwendung verschiedener spektroskopischer Methoden. Diese Methode kann helfen, zentrale Fragen im Bereich der durchflussbasierten Vorrichtungen zu beantworten, wie beispielsweise die Echtzeituntersuchung, die Überwachung chemischer Reaktionen, die Abbildung des Wachstums von Nanopartikeln sowie die Kinetik einer katalytischen Reaktion. Für Forscher, die mit Lab-on-a-Chip-Vorrichtungen nicht vertraut sind, mögen diese Experimente zunächst etwas kompliziert erscheinen, doch sobald sie sich eingearbeitet haben, sind sie leicht durchführbar und können problemlos auf ihre eigenen spezifischen Untersuchungen angewandt werden.

Obwohl diese Experimente relativ einfach durchzuführen sind, ist es wichtig, sie zuerst visuell zu betrachten, um die Feinheiten dieser Experimente zu verstehen, insbesondere wenn Sie die Analyse in C zwei sowohl der Synthese von Nanomaterialien als auch der katalytischen Untersuchung in C zwei durchführen. Diese Reaktionen müssen sorgfältig beobachtet werden, weshalb die Visualisierung äußerst wichtig ist und warum wir diese visuellen Beobachtungen bereitstellen müssen. Beginnen Sie damit, einen Millifluidik-Chip wie den hier gezeigten herzustellen oder zu kaufen, mit gewundenen Kanälen, die zwei Millimeter breit, 0,15 Millimeter hoch und 220 Millimeter lang sind. Anschließend schließen Sie den Millifluidik-Chip unter Verwendung von FEP-Schlauchleitungen mit einem Innendurchmesser von 0,25 Millimetern und einem Außendurchmesser von einem Sechzehntel Zoll an eine Mitoses-P-Pumpe an.

Regulieren Sie die P-Pumpe unter Stickstoffdruck, um während des Experiments einen pulsfreien Fluss zu gewährleisten. Testen Sie anschließend die Pumpen mit Wasser als Lösungsmittel, um verschiedene Drücke mit den entsprechenden Durchflussraten in Milliliter pro Stunde zu korrelieren. Nach der Kalibrierung spülen Sie den millifluidischen Reaktor und die Schläuche mit entionisiertem Wasser. Beginnen Sie das Experiment, indem Sie in einem sauberen Gefäß 174 Milligramm Kupfer(II)-nitrat und 610 Milligramm 5.000 molekulare Gewichtseinheiten eg in 28 Milliliter nano-reinem Wasser auflösen.

In einem separaten Reagenzglas eine Lösung herstellen, die aus 111 Milligramm Natriumhydrid und 102 Milligramm Natriumhydroxid in 28 Milliliter nano-reinem Wasser besteht. Dadurch erhält man eine Lösung mit einem pH-Wert von etwa 13. Anschließend beide Lösungen über die P-Pumpe unter Verwendung separater Eingangskanäle mit dem mikrofluidischen Gerät verbinden.

Leiten Sie beide Lösungen gleichzeitig unter Verwendung eines Drucks von 50 Millibar durch den Millifluidik-Reaktor. Dies führt zu einer kombinierten Durchflussrate von etwa 6,81 Milliliter pro Stunde. Sammeln Sie zwei bis drei Milliliter der resultierenden ultrakleinen Kupfer-Nano-Cluster am Auslass in einem Glasfläschchen.

Sprühen Sie diese resultierende Lösung mit Stickstoff und lagern Sie sie ebenfalls unter Stickstoff. Wiederholen Sie diesen Vorgang unter verschiedenen konstanten Drücken von 100 Millibar, 200 Millibar und 300 Millibar bei Raumtemperatur zur Synthese ultrakleiner Kupfer-Nano-Cluster bei unterschiedlichen Durchflussraten. Bereiten Sie zunächst eine 10-Millimol-Lösung von Chloro-ORIC-Säure zu, indem Sie 118,2 Milligramm Gold hinzufügen.

Drei Chlorid-Hydrat in 30 Milliliter nano-reines Wasser und eine 20-Millimol-Lösung von meso-2,3-Dimercaptosuccinat-CAPTO-SIC-Säure oder DMSA herstellen, indem 109,2 Milligramm davon zu 30 Milliliter nano-reinem Wasser gegeben werden. Anschließend 50 Milligramm Natriumhydroxid zur DMSA-Lösung hinzufügen, bis ein pH-Wert von 12 erreicht ist. Die beiden Lösungen in separate Spritzen füllen und in hochpräzise, vollautomatische pulsationsfreie Pumpen einsetzen.

Verbinden Sie dann die Pumpen mithilfe von Schläuchen mit dem Millifluidik-Chip. Koppeln Sie anschließend den Millifluidik-Chip über eine Metallhalterung, die Bewegungen in X-, Y- und C-Richtung ermöglicht, an die Synchrotronstrahllinie für die Röntgenabsorptionsspektroskopie. Führen Sie die beiden Lösungen über zwei separate Spritzen mit einer konstanten Flussrate von 10 Milliliter pro Stunde in den Millifluidik-Chip ein.

Verwendung der automatisierten Pumpen. Sammeln Sie Daten in den hier als Zone eins bis fünf dargestellten Bereichen, während die Lösungen durch den Chip gepumpt werden. Bereiten Sie alle Goldkatalysatorlösungen unter Verwendung von nanoreinem Wasser vor, indem Sie eine 10 Millimol-Lösung von Chloroaurinsäure und eine 20 Millimol-Lösung von DMSA wie zuvor gezeigt ansetzen.

Bereiten Sie außerdem eine 10-Millimol-Lösung von Natriumborhydrid vor, indem Sie 11,34 Milligramm davon in 30 Milliliter Wasser geben. Überführen Sie anschließend jeweils 10 Milliliter der Chloral-ORIC-Säure- und der DMSA-Lösung in zwei separate Gefäße und leiten Sie diese über ein handgeführtes mikrofluidisches Gerät mit einer gleichmäßigen Flussrate von 12 Millilitern pro Stunde 45 Minuten lang in den Chip. Danach leiten Sie die 10-Millimol-Lösung von Natriumborhydrid 15 Minuten lang mit einer Flussrate von 12 Millilitern pro Stunde in den Chip.

Um Gold eins auf Gold null zu reduzieren, spülen Sie den Chip anschließend 30 Minuten lang mit nanoreinem Wasser bei einer Flussrate von 12 Millilitern pro Stunde. Danach mischen Sie 15 Milliliter einer neunmal 10 hoch minus fünf molaren Lösung von vier Nitro-APH-Phenol mit 3,3 Millilitern 0,65 molarer Natriumoralhydrid-Lösung. Um eine Lösung des vier Nitropholat-Ions zu bilden, verbinden Sie diese Mischung über die Eingangsleitungen mit der mikrofluidischen, goldbeschichteten Kammer.

Lassen Sie die Lösung mit fünf Milliliter pro Stunde durch die vorbereitete Goldkatalysatorkammer fließen, um die Lösung von vier Nitrophenol zu vier Aminophenol innerhalb des beschichteten millifluidischen Kanals zu reduzieren, und sammeln Sie den Durchfluss in einem Vial. Geben Sie drei Milliliter des gesammelten Produkts in ein UV-Vis-Spektrophotometer und messen Sie den Wellenlängenbereich von 250 bis 500 Nanometer. Vergleichen Sie das resultierende Spektrum mit der ursprünglichen Mischung, um die Umwandlung von vier Nitrophenolat zu bestätigen.

Als Nächstes schätzen Sie die katalytische Aktivität der Reaktion ab, indem Sie die experimentell beobachtete Absorptionsintensität des vier Nitro-Pholat-Ions bei verschiedenen Standardkonzentrationen auftragen. Die Änderung der Peakhöhe bei 399 Nanometer stellt eine entsprechende Änderung der Konzentration dar. Mithilfe eines Rasterelektronenmikroskops kann der Gold-Nanopartikel-Katalysator von der Oberfläche des Millifluidik-Kanals aufgelöst werden.

Eine hohe goldene Oberfläche kann mit diesem Verfahren erreicht werden. Die hier gezeigten Röntgenabsorptions-Kantenstrukturen entsprechen der Gold-L-drei-Kante in Zone drei, Zone fünf und Zone fünf. Nach 12 Stunden zeigt das Maximum das Vorhandensein des Vorläufers Chloro-Orrigsäure, die einen Gold-drei-Oxidationszustand aufweist.

Wie bereits beschrieben, können UV-Vis-Spektren zur Bestimmung der Umwandlung von 4-Nitrophenol in 4-Aminophenol verwendet werden. Hier sind repräsentative Spektren von 4-Nitrophenol, 4-Nitrophenolat-Ion und 4-Aminophenol dargestellt.

Die Umwandlungsrate von vier NPH-Pholat-Ionen zu vier Amphenolen in Abwesenheit des Goldkatalysators ist im Vergleich zu denselben Reaktanten mit Goldkatalysator sehr gering. Bei der Durchführung dieser Experimente ist zu beachten, dass die innerhalb der Redic-Kanäle gebildeten Nanopartikel sich ebenfalls an der Kanalgewölbeoberfläche anlagern können. Nach diesem Verfahren können weitere Methoden wie die Untersuchung katalytischer Reaktionen vor Ort angewendet werden, um zusätzliche Fragen wie die zeitaufgelöste Kinetik einer katalytischen Reaktion zu beantworten.