Urządzenia milifluidyczne są wykorzystywane do kontrolowanej syntezy nanomateriałów, czasowo-rozdzielczej analizy mechanizmów reakcji i katalizy ciągłego przepływu.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Urządzenia milifluidyczne są wykorzystywane do kontrolowanej syntezy nanomateriałów, czasowo-rozdzielczej analizy mechanizmów reakcji i katalizy ciągłego przepływu.
Procedury wykorzystujące urządzenia milifluidyczne do syntezy chemicznej i czasowo-rozdzielczych badań mechanistycznych są opisane na trzech przykładach. W pierwszym opisano syntezę ultramałych nanoklastrów miedzi. Drugi przykład dostarcza ich użyteczności do badania kinetyki reakcji chemicznych w czasie rozdzielczym poprzez analizę powstawania nanocząstek złota przy użyciu spektroskopii absorpcji promieniowania rentgenowskiego in situ. Ostatni przykład przedstawia ciągłą katalizę przepływową reakcji w kanale milifluidycznym pokrytym katalizatorem nanostrukturalnym.
Urządzenia Lab-on-a-chip (LOC) do syntezy chemicznej wykazały znaczną przewagę pod względem zwiększonej masy i wymiany ciepła, doskonałej kontroli reakcji, wysokiej przepustowości i bezpieczniejszego środowiska pracy1. Urządzenia te można ogólnie podzielić na urządzenia fluidyczne oparte na chipach i urządzenia płynowe bez chipów. Wśród fluidyki opartej na chipach, mikrofluidyka jest dobrze zbadana i jest tematem dobrze omówionym w literaturze2-5. Systemy LOC nieoparte na chipach wykorzystują reaktory rurowe6. Konwencjonalnie systemy mikroprzepływowe są używane do precyzyjnej kontroli i manipulacji płynami, które są geometrycznie ograniczone do skali submilimetrowej. Niedawno wprowadziliśmy koncepcję milifluidyki opartej na chipie, która może być używana do manipulowania płynami w kanałach w skali milimetrowej (albo szerokość, albo głębokość, albo oba kanały mają rozmiar co najmniej milimetra)7-9. Co więcej, chipy milifluidyczne są stosunkowo łatwe do wyprodukowania, oferując jednocześnie podobną kontrolę nad natężeniem przepływu i manipulacją odczynnikami. Chipy te mogą być również eksploatowane przy wyższych natężeniach przepływu, co skraca czas przebywania, a tym samym daje możliwość zwiększenia skali kontrolowanej syntezy nanocząstek o węższym rozkładzie rozmiarów. Na przykład niedawno zademonstrowaliśmy syntezę ultramałych nanoklastrów miedzi i scharakteryzowaliśmy je za pomocą absorpcyjnej spektroskopii rentgenowskiej in situ oraz TEM. Zdolność do uzyskiwania krótkich czasów przebywania w kanałach milifluidycznych w połączeniu z zastosowaniem MPEG, który jest bardzo wydajnym dwuząbkowym pegylowanym środkiem stabilizującym do tworzenia stabilnych koloidów nanoklastrów miedzi7 .
Oprócz syntezy chemikaliów i nanomateriałów, milifluidyka mogłaby zaoferować, dzięki większej objętości i koncentracji w obszarze sondy, platformę syntetyczną, która jest bardziej uogólniona i wydajna dla czasowo-rozdzielczych badań kinetycznych, a także osiąga lepszy stosunek sygnału do szumu niż systemy mikroprzepływowe7,10. Pokazujemy zastosowanie chipa milifluidycznego jako przykładu do czasowo-rozdzielczej analizy wzrostu nanostruktur złota z roztworu przy użyciu in situ XAS z rozdzielczością czasową tak małą jak 5 ms11.
Ponadto, większość mikroreaktorów opracowanych do tej pory do zastosowań katalizy jest oparta na krzemie12,13. Ich kosztowna produkcja w połączeniu z wytwarzanymi małymi ilościami sprawia, że nie nadają się do produkcji na dużą skalę. Obecnie w modzie są dwie ogólne metody powlekania kanałów nanokatalizatorami - chemiczna i fizyczna, często określane jako procedury powlekania krzemem14,15 . Oprócz kosztownej mikroprodukcji, zatkanie kanałów sprawia, że kataliza mikroreaktorów może nie nadawać się do produkcji na dużą skalę. Chociaż mikroreaktory były używane do katalizy heterogenicznej w mikroprocesach ciągłego przepływu wcześniej16-18 , zdolność do kontrolowania wymiaru i morfologii osadzonych w złotych nanostrukturalnych katalizatorach w kanałach ciągłego przepływu nigdy wcześniej nie była badana. Niedawno opracowaliśmy technologię powlekania kanałów milifluidowych katalizatorami Au, o kontrolowanej nanomorfologii i wymiarach (Rysunek 5)11, do przeprowadzania katalizy ważnych przemysłowo reakcji chemicznych. Jako przykład pokazaliśmy konwersję 4-nitrofenolu do 4-aminofenolu katalizowaną przez nanostrukturalne złoto pokryte w kanałach milifluidycznych. Biorąc pod uwagę, że pojedynczy układ reaktora miliprzepływowego może wytwarzać natężenie przepływu na poziomie 50-60 ml/h,7 możliwa jest wysoka przepustowość i kontrolowana synteza chemikaliów zarówno poprzez ciągły przepływ, jak i przetwarzanie równoległe.
Aby wykorzystać możliwości, jakie oferuje millifluidics, na kilku przykładach opisanych powyżej, demonstrujemy również przyjazne dla użytkownika urządzenie milifluidyczne, które jest przenośne i posiada wszystkie wymagane komponenty, takie jak chipy milifluidyczne, kolektory, kontrolery przepływu, pompy i połączenia elektryczne. Takie milifluidyczne urządzenie, jak pokazano na rysunku 7, jest obecnie dostępne w ofercie firmy Millifluidica LLC (www.millifluidica.com). W manuskrypcie zamieszczono również protokoły z wykorzystaniem ręcznego urządzenia milifluidowego, jak opisano poniżej, do kontrolowanej syntezy nanomateriałów, czasowo-rozdzielczej analizy mechanizmów reakcji i katalizy przepływowej ciągłej.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Konfiguracja Millifluidics: Kup chip milifluidyczny (wykonany z polimeru politereftalanu poliestru) od Microplumbers Microsciences LLC, który ma kanały serpentynowe o wymiarach 2 mm (szer.) x 0,15 mm (wys.) x 220 mm (dł.). Do podłączenia chipa do pompy należy użyć rurki FEP o średnicy wewnętrznej 0,25 mm, średnicy zewnętrznej 1/16 cala. Użyj dwóch różnych pomp do dwóch różnych eksperymentów. W pierwszym eksperymencie należy użyć pompy P-Pump (nanocząstki miedzi), a w drugim (nanocząstki złota) urządzenia milifluidycznego. Aby zminimalizować problem pęcherzyków gazu w kanałach, świeżo przygotowany roztwór NaBH4 pozostawiono otwarty na ~10-15 minut przed wpompowaniem do chipa, aby pęcherzyki gazu uciekły z roztworu. Ten krok był stosowany we wszystkich naszych eksperymentach.
1. Synteza ultramałych nanoklastrów miedzi (UCNCs)
Chociaż procedura syntezy została zademonstrowana przy użyciu zestawu millifluidic z P-Pump, można ją również przeprowadzić za pomocą ręcznego urządzenia milifluidowego firmy Millifluidica.
2. Kinetyczne badania in situ z rozdzielczością czasową dotyczące powstawania nanocząstek złota
Podczas gdy procedura analizy in situ została zademonstrowana przy użyciu konfiguracji milifluidycznej z pompą P, można ją również przeprowadzić za pomocą ręcznego urządzenia milifluidycznego.
3. Kataliza złota o ciągłym przepływie
Ta procedura została zademonstrowana przy użyciu ręcznego urządzenia milifluidowego.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dobrze zdyspergowane nanoklastry miedzi o jednolitym rozmiarze i wąskim rozkładzie wielkości uzyskano przy użyciu układu z chipem milifluidycznym (Rys. 1a). Różne przepływy zastosowane podczas syntezy nie miały istotnego wpływu na rozmiar klastrów. Niemniej jednak, wraz ze wzrostem przepływu, zauważalna jest poprawa w zakresie zawężenia rozkładu rozmiarów. UCNCs o najlepszym, wąskim rozkładzie rozmiarów uzyskano przy przepływie 32.7 mL/hr. UCNCs utworzone przy przepływie 32.7 mL/hr mają średnią średnicę 1.2 nm (Rys 1b).<...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
UCNC powstały w wyniku reakcji redukcji azotanu miedzi z borowodorkiem sodu w obecności polimerowego środka zamykającego glikol O-[2-(3-merkaptopropionyloamino)etylo]-O'-metylopolietylenowy (MW=5,000) [MPEG]. Reakcję przeprowadzono w milifluidycznym reaktorze chipowym przy różnych natężeniach przepływu, takich jak 6,8 ml/h, 14,3 ml/h, 32,7 ml/h i 51,4 ml/h, w celu zbadania wpływu natężeń przepływu na utworzone UCNC. Odpowiednie czasy przebywania dla powyższych natężeń przepływu wynoszą 47,49, 24,44, 16,56 i 9,02 sek. Kol...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wszyscy autorzy, z wyjątkiem C.S.S.R. Kumara, oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych. C .S.S.R. Kumar jest założycielem firmy Millifluidica LLC.
Ta praca badawcza jest wspierana jako część Center for Atomic Level Catalyst Design, Energy Frontier Research Center finansowanego przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych, Biuro Nauki, Biuro Podstawowych Nauk Energetycznych pod numerem nagrody DE-SC0001058 a także wspierane przez Radę Regentów w ramach grantów o numerze LEQSF (2009-14)-EFRC-MATCH i LEDSF-EPS(2012)-OPT-IN-15. Działania MRCAT są wspierane przez Departament Energii i instytucje członkowskie MRCAT. Wykorzystanie Zaawansowanego Źródła Fotonów w ANL jest wspierane przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych, Biuro Nauki, Biuro Podstawowych Nauk Energetycznych, w ramach umowy nr 1. DE-AC02-06CH11357. Wsparcie finansowe dla JTM zostało udzielone w ramach Institute for Atom-efficient Chemical Transformations (IACT), Centrum Badań Pionierskich Energii finansowanego przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych, Biuro Nauki, Biuro Podstawowych Nauk Energetycznych.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Hydrat azotanu miedzi (II) | Sigma-Aldrich | 13778-31-9 | czystości 99,999% O |
| -[2-(3-merkaptopropionyloamino)etylo]-O′-metylopolietylenoglikol | Sigma-Aldrich | 401916-61-8 | MW=5,000 |
| HAuCl4.3H2O (Kwas chloroaurowy) | Sigma-Aldrich | 27988-77-8 | 99,999% czystości |
| kwas mezo-2,3-dimerkaptobursztynowy (DMSA) | Sigma-Aldrich | 304-55-2 | ~ 98% czysty |
| 4-nitrofenol | Sigma-Aldrich | 100-02-7 | spektrofotometryczny |
| stopień 4-aminofenolu | Sigma-Aldrich | 123-30-8 | >99% czysty (klasa HPLC) |
| Borowodorek sodu | Sigma-Aldrich | 16940-66-2 | 98% czyste |
| granulki wodorotlenku sodu | Sigma-Aldrich | 1310-73-2 | 99,99% czysty |
| EQUIPMENT | |||
| Millifluidic Chips | Microplumbers LLC | SDC-01 | Wykonane z polimeru politereftalanu poliestru |
| Pompa ciśnieniowa | Mitos P-Pump, automatyczna | ||
| Cetoni Automation and Microsystems, GmbH | Pompa strzykawkowa | ||
| Spektrofotometr neMESYS UV-3600 UV-VIS-NIR | Shimadzu | ||
| Millifluidica | SCMD-1008 | Rysunek 7< / strong> |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.