Name: Millifluidyka do syntezy chemicznej i czasowo-rozdzielczych badań mechanistycznych (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-11-27T20:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 55 s
Description: Poznaj zastosowanie urządzeń milifluidycznych do wysokoprzepustowej syntezy nanomateriałów i analizy czasowo-rozdzielczej mechanizmów reakcji. Metoda umożliwia badaczom prowadzenie katalizy w przepływie ciągłym z kontrolą pośredników.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

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.

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)
<ol>
	<li>Wymagane chemikalia: Otrzymać hydrat azotanu miedzi(II), borowodorek sodu, granulki wodorotlenku sodu i glikol O-[2-(3-merkaptopropionyloamino)etylo]-O'-metylopolietylenoglikol (MW = 5 000) [MPEG] i użyć wszystkich chemikaliów bez dalszego oczyszczania. Do eksperymentu użyj wody nanoczystej (18,2 MΩ-cm).</li>
	<li>Do eksperymentu użyj pompy P-Pump regulowanej pod ciśnieniem azotu. Przed eksperymentem należy przetestować pompy z wodą jako rozpuszczalnikiem pod różnymi ciśnieniami, aby skorelować je z odpowiednimi natężeniami przepływu (ml/h). Przepłukać reaktor milifluidyczny i rurki wodą dejonizowaną przed rozpoczęciem eksperymentu.</li>
	<li>Rozpuścić 174 mg (0,95 mmol) azotanu miedzi(II) i 610 mg (0,122 mmol) glikolu O-[2-(3-merkaptopropionyloamino)etylo]-O'-metylopolietylenowego w 28 ml wody nanoczystej i przechowywać je w fiolce podłączonej do jednego kanału wejściowego</li>
	<li>Przechowywać inny roztwór 111 mg (2,93 mmol) borowodorku sodu i 102 mg (2,78 mmol) wodorotlenku sodu w 28 ml (pH ~13) w innej fiolce i połączyć go z drugim kanałem wejściowym.</li>
	<li>Przepuścić oba roztwory jednocześnie w reaktorze milifluidycznym przy różnych natężeniach przepływu (podanych poniżej) i zebrać powstałe UCNC na wylocie w szklanej fiolce. Oczyść roztwór azotem i przechowuj go pod azotem.</li>
	<li>Pompy należy uruchamiać pod różnymi stałymi ciśnieniami 50 mbar (6,81 ml/h), 100 mbar (14,31 ml/h), 200 mbar (32,7 ml/h) i 300 mbar (51,4 ml/h) w temperaturze pokojowej w celu syntezy UCNC przy różnych natężeniach przepływu.</li>
</ol>
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
<ol>
	<li>Wymagane chemikalia: Otrzymać kwas chloroaurowy (HAuCl4.3H2O) kwas mezo-2,3-dimerkaptobursztynowy (DMSA) i borowodorek sodu i używać wszystkich chemikaliów bez dalszego oczyszczania. Do eksperymentu użyj wody nanoczystej (18,2 MΩ-cm).</li>
	<li>Używaj precyzyjnych, w pełni zautomatyzowanych, wolnych od pulsacji pomp strzykawkowych do przepływu płynów w chipie. Przed eksperymentem przetestuj pompy z wodą jako rozpuszczalnikiem przy różnych natężeniach przepływu, aby zoptymalizować wymagane natężenie przepływu.</li>
	<li>Przygotować roztwory wzorcowe (i) HAuCl4.3H2O (10 mmol, 118,2 mg/30 ml) i (ii) DMSA (20 mmol, 109,2 mg/30 ml) z 50 mg wodorotlenku sodu (pH 12) w wodzie nanoczystej.</li>
	<li>Wprowadzić oba roztwory przez dwie oddzielne strzykawki do chipa milifluidowego ze stałym natężeniem przepływu 10 ml/h za pomocą automatycznej pompy.</li>
	<li>Sprzęgnij chip milifluidyczny z linią wiązki synchrotronowej za pomocą metalowego stolika, który ma dostęp do ruchu w kierunkach XYZ i zbierz dane XAS w różnych strefach chipa, gdy roztwory były pompowane przez chip.</li>
</ol>
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.
<ol>
	<li>Wymagane chemikalia: Otrzymać kwas chloroaurowy (HAuCl4.3H2O), kwas mezo-2,3-dimerkaptobursztynowy (DMSA), borowodorek sodu, 4-nitrofenol, 4-aminofenol i używać wszystkich chemikaliów bez dalszego oczyszczania. Do eksperymentu użyj wody nanoczystej (18,2 MΩ-cm).</li>
	<li>Przygotowanie katalizatora: Przygotować roztwory wzorcowe HAuCl4.3H2O (10 mmol, 118,2 mg/30 ml), DMSA (20 mmol, 109,2 mg/30 ml) i NaBH4 (10 mmol, 11,34 mg/30 ml) w wodzie Nanoczysta.</li>
	<li>Pobrać po 10 ml roztworów HAuCl4 i DMSA do dwóch oddzielnych fiolek i przelać je do chipa za pomocą ręcznego urządzenia milifluidowego o równomiernym natężeniu przepływu 12 ml/h przez 45 minut.</li>
	<li>Przepływ 10 mmol NaBH4 w chipie z natężeniem przepływu 12 ml/h przez 15 minut, aby zredukować Au(I) do Au(0).</li>
	<li>Na koniec umyj chip nanoczystą wodą przez 30 minut przy tym samym natężeniu przepływu przed przeprowadzeniem eksperymentów katalizy.</li>
	<li>Reakcja katalizy: Przeprowadź reakcję konwersji chemicznej (redukcji) 4-nitrofenolu (4-NP) do 4-aminofenolu (4-AP) w kanale milifluidowym pokrytym złotym katalizatorem (przygotowanym powyżej), jak podano poniżej.</li>
	<li>Zmieszać 15 ml roztworu 4-NP o stężeniu 9 x 10-5 mol z 3,3 ml roztworu NaBH4 o stężeniu 0,65 mola, aby utworzyć jon 4-nitrofenolanu (4-NPI).</li>
	<li>Przepuścić otrzymany roztwór przez złoty katalizator osadzony w chipie ze stałym natężeniem przepływu 5 ml/h, aby ocenić aktywność katalityczną. Przeanalizuj widma UV-Vis zebranych produktów w zakresie długości fal 250-500 nm, aby potwierdzić konwersję 4-NP.</li>
	<li>Oszacować aktywność katalityczną reakcji, otrzymując krzywą kalibracyjną 4-NPI. Krzywą kalibracyjną można uzyskać, wykreślając obserwowaną doświadczalnie intensywność absorpcji (I) 4-NPI przy różnych stężeniach wzorcowych. Wysokości pików (przy 399 nm) dla krzywych absorpcji UV-Vis reprezentują wartości intensywności absorpcji (I) i zgodnie z prawem Piera Lamberta każda zmiana wartości wysokości piku wykazywałaby odpowiednią zmianę jego stężenia. Dlatego należy oszacować aktywność katalityczną, znajdując różnicę w początkowych i końcowych stężeniach reagenta z krzywej kalibracyjnej. Na przykład, jeśli wysokość piku wynosi 1 jednostkę (rysunek 6), odpowiada to konwersji katalitycznej wynoszącej 90% (na podstawie wykresu kalibracyjnego).</li>
</ol>

<ol><li>Song, Y., Hormes, J., Kumar, C. S. S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microfluidic+Synthesis+of+Nanomaterials%5BTitle%5D)+AND+%22Small%22%5BJournal%5D)">Microfluidic Synthesis of Nanomaterials.</a> Small. 4 (6), 698-711 (2008).</li>
<li>Huebner, A., Sharma, S., Srisa-Art, M., Hollfelder, F., Edel, J. B., DeMello, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microdroplets%3A+a+sea+of+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+Chip%22%5BJournal%5D)">Microdroplets: a sea of applications.</a> Lab Chip. 8, 1244-1254 (2008).</li>
<li>Helen, S., Delai, L. C., Rustem, F. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reactions+in+Droplets+in+Microfluidic+Channels%5BTitle%5D)+AND+%22Angew.+Chem.+Int.+Ed%22%5BJournal%5D)">Reactions in Droplets in Microfluidic Channels.</a> Angew. Chem. Int. Ed. 45, 7336-7356 (2006).</li>
<li>Marre, S., Jensen, K. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synthesis+of+nanostructures+in+microfluidic+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Soc.+Rev%22%5BJournal%5D)">Synthesis of nanostructures in microfluidic systems.</a> Chem. Soc. Rev. 39, 1183-1202 (2010).</li>
<li>Theberge, A. B., Courtois, F., Schaerli, Y., Fischlechner, M., Abell, C., Hollfelder, F., Huck, W. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microdroplets+in+microfluidics%3A+an+evolving+platform+for+discoveries+in+chemistry+and+biology%5BTitle%5D)+AND+%22Angew.+Chem.+Int.+Ed%22%5BJournal%5D)">Microdroplets in microfluidics: an evolving platform for discoveries in chemistry and biology.</a> Angew. Chem. Int. Ed. 49 (34), 5846-5868 (2010).</li>
<li>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. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Some+recent+advances+in+the+design+and+the+use+of+miniaturized+droplet-based+continuous+process%3A+Applications+in+chemistry+and+high-pressure+microflows%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+Chip%22%5BJournal%5D)">Some recent advances in the design and the use of miniaturized droplet-based continuous process: Applications in chemistry and high-pressure microflows.</a> Lab Chip. 11, 779(2011).</li>
<li>Biswas, S., Miller, J. T., Li, Y., Nandakumar, K., Kumar, C. S. S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Developing+Millifluidic+Platform+for+Synthesis+of+Ultra-small+Nanoclusters+%28UNCs%29%3A+Ultra-small+Copper+Nanoclusters+%28UCNCs%29+as+a+Case+Study%5BTitle%5D)+AND+%22Small%22%5BJournal%5D)">Developing Millifluidic Platform for Synthesis of Ultra-small Nanoclusters (UNCs): Ultra-small Copper Nanoclusters (UCNCs) as a Case Study.</a> Small. 8 (5), 688-698 (2012).</li>
<li>Li, Y., Sanampudi, A., Reddy, V. R., Biswas, S., Nandakumar, K., Yamane, D. G., Goettert, J. S., Kumar, C. S. S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Size+Evolution+of+Gold+Nanoparticles+in+a+Millifluidic+Reactor%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Chem.+Phys%22%5BJournal%5D)">Size Evolution of Gold Nanoparticles in a Millifluidic Reactor.</a> Phys. Chem. Phys. 13 (1), 177-182 (2012).</li>
<li>Li, Y., Yamane, D. G., Li, S., Biswas, S., Reddy, R., Goettert, J. S., Nandakumar, K., Kumar, C. S. S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Geometric+Optimization+of+Liquid-Liquid+Slug+Flow+in+a+Flow-focusing+Millifluidic+Device+for+Synthesis+of+Nanomaterials%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Eng.+J%22%5BJournal%5D)">Geometric Optimization of Liquid-Liquid Slug Flow in a Flow-focusing Millifluidic Device for Synthesis of Nanomaterials.</a> Chem. Eng. J. 217, 447-459 (2013).</li>
<li>Zinoveva, S., De Silva, R., Louis, R. D., Datta, P., Kumar, C. S. S. R., Goettert, J., Hormes, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+wet+chemical+synthesis+of+Co+nanoparticles+in+a+microreactor+system%3A+A+time-resolved+investigation+by+X-ray+absorption+spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Nucl.+Instrum.+Methods+Phys.+Res.+A%22%5BJournal%5D)">The wet chemical synthesis of Co nanoparticles in a microreactor system: A time-resolved investigation by X-ray absorption spectroscopy.</a> Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 582, 239-241 (2007).</li>
<li>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. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Millifluidics+for+Time-resolved+Mapping+of+the+Growth+of+Gold+Nanostructures%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Millifluidics for Time-resolved Mapping of the Growth of Gold Nanostructures.</a> J. Am. Chem. Soc. 135 (14), 5450-5456 (2013).</li>
<li><a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Microfluidic+Devices+in+nanotechnology-Fundamental+Concepts%22">Microfluidic Devices in nanotechnology-Fundamental Concepts</a>. Kumar, C. S. S. R. , John Wiley. (2010).</li>
<li><a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Microfluidic+Devices+in+nanotechnology-Fundamental+Concepts%22">Microfluidic Devices in nanotechnology-Fundamental Concepts</a>. Kumar, C. S. S. R. , John Wiley. (2010).</li>
<li>Meille, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Review+on+Methods+to+Deposit+Catalysts+on+Structured+Surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Catal.+A+Gen%22%5BJournal%5D)">Review on Methods to Deposit Catalysts on Structured Surfaces.</a> Appl. Catal. A Gen. 315, 1-17 (2006).</li>
<li>Etching Characteristics of a Micromachined Chemical Reactor Using Inductively Coupled Plasma. Shin, W. C., McDonald, J. A., Zhao, S., Besser, R. Proceedings of the 6th International Conference on Microreaction Technology (IMRET VI), , AIChE. New Orleans, LA. p357(2002).</li>
<li>Abahmane, L., Köhler, J. M., Groß, G. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Gold-nanoparticle-catalyzed+synthesis+of+propargylamines%3A+the+traditional+A3-multicomponent+reaction+performed+as+a+two-step+flow+process%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Eur.+J%22%5BJournal%5D)">Gold-nanoparticle-catalyzed synthesis of propargylamines: the traditional A3-multicomponent reaction performed as a two-step flow process.</a> Chem. Eur. J. 17, 3005-3010 (2011).</li>
<li>Abahmane, L., Knauer, A., Ritter, U., Köhler, J. M., Groß, G. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Heterogeneous+Catalyzed+Pyridine+Synthesis+using+Montmorillionite+and+Nanoparticle-Impregnated+Alumina+in+a+Continuous+Micro+Flow+System%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Eng.+Technol%22%5BJournal%5D)">Heterogeneous Catalyzed Pyridine Synthesis using Montmorillionite and Nanoparticle-Impregnated Alumina in a Continuous Micro Flow System.</a> Chem. Eng. Technol. 32, 1799-1805 (2009).</li>
<li>Abahmane, L., Knauer, A., Köhler, J. M., Groß, G. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synthesis+of+polypyridine+derivatives+using+alumina+supported+gold+nanoparticles+under+micro+continuous+flow+conditions%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Eng.+J%22%5BJournal%5D)">Synthesis of polypyridine derivatives using alumina supported gold nanoparticles under micro continuous flow conditions.</a> Chem. Eng. J. 167, 519-526 (2011).</li>
<li>Negishi, Y., Tsukuda, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((One-Pot+Preparation+of+Subnanometer-Sized+Gold+Clusters+via+Reduction+and+Stabilization+by+meso-2%2C3-Dimercaptosuccinic+Acid%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">One-Pot Preparation of Subnanometer-Sized Gold Clusters via Reduction and Stabilization by meso-2,3-Dimercaptosuccinic Acid.</a> J. Am. Chem. Soc. 125, 4046-4047 (2003).</li>
<li>Abou-Hassan, A., Sandre, O., Cabuil, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microfluidics+in+Inorganic+Chemistry%5BTitle%5D)+AND+%22Angew.+Chem.+Int.+Ed%22%5BJournal%5D)">Microfluidics in Inorganic Chemistry.</a> Angew. Chem. Int. Ed. 49, 6268-6286 (2010).</li>
<li>Jiang, D., Walter, M., Dai, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Gold+Sulfide+Nanoclusters%3A+A+Unique+Core-In-Cage+Structure%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Eur.+J%22%5BJournal%5D)">Gold Sulfide Nanoclusters: A Unique Core-In-Cage Structure.</a> Chem. Eur. J. 16, 4999-5003 (2010).</li>
<li>Kuroda, K., Ishida, T., Haruta, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reduction+of+4-nitrophenol+to+4-aminophenol+over+Au+nanoparticles+deposited+on+PMMA%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Mol.+Catal.+A+Chem%22%5BJournal%5D)">Reduction of 4-nitrophenol to 4-aminophenol over Au nanoparticles deposited on PMMA.</a> J. Mol. Catal. A Chem. 298, 7-11 (2009).</li>
<li>Navin, C. V., Krishna, K. S., Theegala, C. S., Kumar, C. S. S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Lab-on-a-chip+devices+for+gold+nanoparticle+synthesis+and+their+role+as+a+catalyst+support+for+continuous+flow+catalysis%5BTitle%5D)+AND+%22Nanotech.+Rev%22%5BJournal%5D)">Lab-on-a-chip devices for gold nanoparticle synthesis and their role as a catalyst support for continuous flow catalysis.</a> Nanotech. Rev. , In Press (2013).</li>
<li>Shahbazali, E., Hessel, V., Noël, T., Wang, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Metallic+nanoparticles+made+in+flow+and+their+catalytic+applications+in+organic+synthesis%5BTitle%5D)+AND+%22Nanotech.+Rev%22%5BJournal%5D)">Metallic nanoparticles made in flow and their catalytic applications in organic synthesis.</a> Nanotech. Rev. , In Press (2013).</li>
</ol>

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.

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...

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 (<a href="http://www.millifluidica.com" target="_blank">www.millifluidica.com</a>). 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.

<table><tbody><tr><td>Hydrat azotanu miedzi (II)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>13778-31-9</td> o <td>czystości 99,999% O</td></tr><tr><td>-[2-(3-merkaptopropionyloamino)etylo]-O&prime;-metylopolietylenoglikol</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>401916-61-8</td><td>MW=5,000</td></tr><tr><td>HAuCl4.3H2O (Kwas chloroaurowy)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>27988-77-8</td><td>99,999% czystości</td></tr><tr><td>kwas mezo-2,3-dimerkaptobursztynowy (DMSA)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>304-55-2</td> <td>~ 98% czysty</td></tr><tr><td>4-nitrofenol</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>100-02-7</td><td>spektrofotometryczny</td></tr><tr><td>stopień 4-aminofenolu</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>123-30-8</td><td>>99% czysty (klasa HPLC)</td></tr><tr><td>Borowodorek sodu</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>16940-66-2</td><td>98% czyste</td></tr><tr><td>granulki wodorotlenku sodu</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>1310-73-2</td><td>99,99% czysty</td></tr><tr><td colspan="4">EQUIPMENT</td></tr><tr><td>Millifluidic Chips</td><td>Microplumbers LLC</td><td>SDC-01</td><td>Wykonane z polimeru politereftalanu poliestru</td></tr><tr><td>Pompa ciśnieniowa</td><td>Mitos P-Pump, automatyczna</td><td></td> pompa strzykawkowa 3200016 <td></td>dolomitowa</tr><tr><td></td><td>Cetoni Automation and Microsystems, GmbH</td><td></td><td>Pompa strzykawkowa </td></tr><tr><td>Spektrofotometr neMESYS UV-3600 UV-VIS-NIR</td> Ręczne urządzenie miliprzepływowe <td>Shimadzu</td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td>Millifluidica</td><td>SCMD-1008</td><td>Rysunek 7</td></tr></tbody></table>

millifluidyka do syntezy chemicznej i czasowo-rozdzielczych badań mechanistycznych

Millifluidics for Chemical Synthesis and Time-resolved Mechanistic Studies

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.

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).<...

Urządzenia milifluidyczne są wykorzystywane do kontrolowanej syntezy nanomateriałów, czasowo-rozdzielczej analizy mechanizmów reakcji i katalizy ciągłego przepływu.

Millifluidyka do syntezy chemicznej i czasowo-rozdzielczych badań mechanistycznych

Procedures utilizing millifluidic devices for chemical synthesis and time-resolved mechanistic studies are described by taking three examples. In the ...

Ogólnym celem niniejszej procedury jest wykazanie użyteczności prostych urządzeń typu laboratorium na chipie opartych na mikroprzepływach w wysokoprzepustowej syntezie nanomateriałów, czasowo rozdzielonych badaniach nad ich powstawaniem oraz demonstracji katalizy w przepływie ciągłym. Zostaje to osiągnięte poprzez wykazanie w pierwszej kolejności syntezy nanocząsteczek miedzi przy użyciu reaktora mikroprzepływowego. Następnie, proces powstawania cząstek złota w kanale mikroprzepływowym jest wizualizowany za pomocą czasowo rozdzielonej spektroskopii absorpcyjnej promieniowania rentgenowskiego in situ w celu zaobserwowania produktów pośrednich reakcji.W końcowej części zaprezentowano katalizę w przepływie ciągłym poprzez konwersję 4-nitrofenolu do 4-aminofenolu podczas przepływu nad nanostrukturami złota wewnątrz chipa milifluidycznego. Ostatecznie te trzy eksperymenty wykazują, że proste układy milifluidyczne stwarzają możliwości dla wysokoprzepustowej syntezy w badaniach nad tworzeniem oraz przeprowadzaniem katalizy w przepływie ciągłym. Główną zaletą tej techniki w stosunku do istniejących metod, takich jak tradycyjna mikrofluidyka, jest możliwość zastosowania wyższych szybkości przepływu dzięki szerszym kanałom, bez pogarszania właściwości cieczy.Umożliwiają one również łatwiejsze skalowanie objętości reagentów dla syntez na większą skalę oraz stanowią skuteczną platformę do badania reakcji w czasie rzeczywistym przy użyciu różnych narzędzi spektroskopowych. Metoda ta może pomóc w udzieleniu odpowiedzi na kluczowe pytania w dziedzinie urządzeń przepływowych, takich jak monitorowanie reakcji chemicznych w czasie rzeczywistym, mapowanie wzrostu nanocząstek oraz kinetyka reakcji katalitycznej. Dla badaczy, którzy nie są zaznajomieni z urządzeniami typu lab-on-a-chip, eksperymenty te mogą początkowo wydawać się nieco skomplikowane, jednak po zapoznaniu się z nimi są one dość łatwe do przeprowadzenia i mogą zostać z łatwością zastosowane w ich własnych, unikalnych badaniach.Choć eksperymenty te są stosunkowo proste do przeprowadzenia, ważne jest, aby najpierw zapoznać się z nimi wizualnie, aby zrozumieć zawiłości tych doświadczeń, zwłaszcza podczas przeprowadzania analiz in situ zarówno w zakresie syntezy nanomateriałów, jak i w badaniach katalitycznych in situ. Reakcje te wymagają uważnej obserwacji, dlatego wizualizacja jest niezwykle istotna i konieczne jest dostarczenie tych obserwacji wizualnych. Aby rozpocząć, należy wykonać lub zakupić chip milifluidyczny, taki jak ten pokazany tutaj, z kanałami serpentynowymi o szerokości 2 mm, wysokości 0,15 mm i długości 220 mm. Następnie należy podłączyć chip milifluidyczny do pompy strzykawkowej za pomocą rurek FEP o średnicy wewnętrznej 0,25 mm i średnicy zewnętrznej 1/16 cala.Reguluj pompę P pod ciśnieniem azotu, aby zapewnić przepływ bezpulsacyjny podczas eksperymentu. Następnie przetestuj pompy, używając wody jako rozpuszczalnika, aby powiązać różne wartości ciśnienia z odpowiadającymi im szybkościami przepływu w mililitrach na godzinę. Po kalibracji wypłucz mikroprzepływowy reaktor i przewody wodą zjonizowaną; przed rozpoczęciem eksperymentu, w czystej fiolce rozpuść 174 mg azotanu miedzi(II) i dodaj 610 mg PEG o masie cząsteczkowej 5 000 do 28 mL wody nanopure.W osobnej fiolce wymieszaj roztwór składający się ze 111 mg wodorku sodu oraz 102 mg wodorotlenku sodu w 28 ml wody Nanopure. Pozwoli to uzyskać roztwór o pH około 13. Następnie podłącz oba roztwory za pomocą pompy P do urządzenia milifluidycznego, wykorzystując oddzielne kanały doprowadzające.Przeprowadź oba roztwory jednocześnie przez reaktor milifluidyczny, stosując ciśnienie 50 millibar. Pozwoli to uzyskać łączną prędkość przepływu wynoszącą około 6,81 mililitrów na godzinę. Zbierz od dwóch do trzech mililitrów otrzymanych ultrasmałych nanoklastrów miedzi na wylocie do szklanej fiolki.Przedmuchaj otrzymany roztwór azotem, a następnie przechowuj go również w atmosferze azotu. Powtórz ten proces przy różnych stałych ciśnieniach 100 millibar, 200 millibar i 300 millibar w temperaturze pokojowej w celu syntezy ultramałych nanoklastrów miedzi przy różnych przepływach. Najpierw przygotuj 10 millimolowy roztwór kwasu chloroaurowego, dodając 118,2 miligrama złota.Rozpuść trójhydrat chlorku w 30 ml wody nanopure oraz przygotuj 20 mM roztwór kwasu meso-2,3-dimerkaptobursztynowego (DMSA), dodając 109,2 mg tej substancji do 30 ml wody nanopure. Następnie dodaj 50 mg wodorotlenku sodu do roztworu DMSA, aż osiągnie on pH 12. Napełnij dwa osobne strzykawki tymi roztworami i umieść je w wysokoprecyzyjnych, w pełni zautomatyzowanych pompach bezpulsacyjnych.Następnie podłącz pompy do mikroprzepływowego chipa za pomocą przewodów. Kolejno połącz chip mikroprzepływowy z linią wiązki synchrotronu do spektroskopii absorpcyjnej promieni rentgenowskich, używając metalowego stolika umożliwiającego przemieszczanie w kierunkach X, Y i C. Podawaj oba roztwory przez dwie oddzielne strzykawki do chipa mikroprzepływowego ze stałą prędkością przepływu 10 milliliters per hour.Korzystając z pomp automatycznych, należy zbierać dane w różnych strefach, oznaczonych tutaj od jednej do pięciu, podczas pompowania roztworów przez chip. Przygotuj wszystkie roztwory katalizatora złota, używając wody nanopure; wymieszaj roztwór kwasu chloroaurycznego o stężeniu 10 mM oraz roztwór DMSA o stężeniu 20 mM, zgodnie z wcześniejszymi instrukcjami.Dodatkowo przygotuj 10 millimoles roztwór borowodorku sodu, dodając 11,34 milligrams tego związku do 30 milliliters wody. Następnie przenieś po 10 milliliters roztworów chloralo-ORIC acid i DMSA do dwóch oddzielnych fiolek i wprowadź je do układu na chipie, używając przenośnego urządzenia do mikroprzepływów, przy stałej szybkości przepływu 12 milliliters per hour przez 45 minutes. Następnie wprowadź 10 milli ole roztwór borowodorku sodu do układu na chipie przy szybkości przepływu 12 milliliter per hour przez 15 minutes.Aby zredukować Au(I) do Au(0), należy przemyć chip wodą nanopure przez 30 minut przy szybkości przepływu 12 ml/h. Następnie zmieszać 15 ml roztworu 4-nitrofenolu o stężeniu 9 × 10⁻⁵ M z 3,3 ml 0,65 M wodorostarczanu sodu. Aby przygotować roztwór jonów 4-nitrofenolanu, należy podłączyć tę mieszaninę do komory z powłoką złota w systemie mikroprzepływowym poprzez linie doprowadzające.Przeprowadź roztwór przez przygotowaną komorę z katalizatorem złota z prędkością 5 ml/h, aby zredukować roztwór 4-nitrofenolu do 4-aminofenolu wewnątrz powlekanego kanału milifluidycznego, a następnie zbierz przeprzepływ do fiolki. Umieść 3 ml zebranego produktu w spektrofotometrze UV-Vis i zmierz zakres długości fal od 250 do 500 nm. Porównaj otrzymane widmo z widmem mieszaniny wyjściowej, aby potwierdzić konwersję 4-nitrofenolu.Następnie należy ocenić aktywność katalityczną reakcji, wykreślając eksperymentalnie zaobserwowaną intensywność absorpcji jonów nitropenolanu dla czterech różnych stężeń wzorcowych. Zmiana wysokości piku przy 399 nanometrach odpowiada zmianie jego stężenia. Za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego można zobrazować katalizator z nanocząsteczek złota na powierzchni kanału mikroprzepływowego.Dzięki zastosowaniu tego procesu można uzyskać wysoką powierzchnię właściwą złota. Przedstawione tutaj widma struktury blisko krawędzi absorbcyjnej promieni rentgenowskich odzwierciedlają krawędź L3 złota w strefie 3, strefie 5 i strefie 5. Po 12 godzinach szczyt wskazuje na obecność prekursora, kwasu chloroaurowego, który posiada stopień utlenienia złota +3.Jak opisano wcześniej, widma UV-Vis mogą być wykorzystane do oznaczenia konwersji 4-nitrofenolu do 4-aminofenolu. Przedstawiono tutaj reprezentatywne widma 4-nitrofenolu, jonu 4-nitrofenolanowego oraz 4-aminofenolu.Szybkość konwersji czterech jonów NPH folanu do czterech amfenoli w przypadku braku katalizatora złota jest bardzo niska w porównaniu do tego samego substratu z zastosowaniem katalizatora złota. Podczas przeprowadzania tych doświadczeń należy pamiętać, że nanocząstki utworzone w obrębie kanałów redic mogą również przyczepić się do sklepienia kanału po zastosowaniu tej procedury. W celu udzielenia odpowiedzi na dodatkowe pytania, takie jak rozdzielcza kinetyka czasowa reakcji katalitycznej, można zastosować inne metody, takie jak badanie in situ reakcji katalitycznych.

millifluidics-for-chemical-synthesis-time-resolved-mechanistic

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioinżynieria

Mikrofluidyka do syntezy chemicznej i czasowo rozdzielonych badań mechanizmów

Mikrofluidyczne platformy kropelkowe są obiecującymi narzędziami do eksperymentów wysokoprzepustowych, ponieważ umożliwiają one niskokosztowe generowanie piko-litrowych, samoczynnie odseparowanych komór z częstotliwością rzędu kHz. Dzięki integracji z szybkimi, czułymi i wysokorozdzielczymi metodami spektroskopii fluorescencyjnej, duże ilości informacji generowanych w tych systemach mogą być efektywnie wydobywane, przetwarzane i wykorzystywane.

Metody detekcji fluorescencyjnej dla mikroprzepływowych platform kroplkowych

W niniejszej pracy wyjaśniamy sposób wykonania i zastosowania mikropłynnego mieszalnika zdolnego do mieszania dwóch roztworów w czasie ~8 μs. Demonstrujemy również wykorzystanie tych mieszalników w detekcji spektroskopowej z użyciem fluorescencji UV oraz fluorescencyjnego transferu energii w rezonansie (FRET).

Miksery mikrofluidyczne do badania fałdowania białek

Monitorowanie w czasie rzeczywistym pozwala na szybką optymalizację reakcji przeprowadzanych przy użyciu przetwarzania o ciągłym przepływie. Jako przykład podaje się preparat 3-acetylokumaryny. Opisano aparaturę do monitorowania Ramana in situ, a także kroki wymagane do optymalizacji reakcji.

Monitorowanie w czasie rzeczywistym reakcji przeprowadzanych przy użyciu przetwarzania o ciągłym przepływie: na przykładzie przygotowania 3-acetylokumaryny

Prezentujemy dyskretny system wprowadzania próbek kropel do spektrometrii mas z plazmą sprzężoną indukcyjnie (ICPMS). Opiera się na tanim i jednorazowym chipie mikroprzepływowym, który generuje wysoce monodyspersyjne kropelki w zakresie wielkości 40−60 μm przy częstotliwościach od 90 do 7 000 Hz.

Układ mikroprzepływowy do próbki ICPMS Wprowadzenie

Przedstawiono protokół badania przesiewowego reakcji organicznych przy użyciu reaktorów SFMT (stop-flow micro-tubing) wykorzystujących reagenty gazowe i/lub reakcje za pośrednictwem światła widzialnego.

Wykorzystanie mikrorurowych reaktorów z przepływem zatrzymanym do rozwoju przemian organicznych

Ten protokół opisuje szczegółowo, jak wytwarzać i obsługiwać urządzenia mikroprzepływowe do zbierania danych dyfrakcji rentgenowskiej w temperaturze pokojowej. Dodatkowo opisano, w jaki sposób monitorować krystalizację białek poprzez dynamiczne rozpraszanie światła oraz jak przetwarzać i analizować uzyskane dane dyfrakcyjne.

Chipy mikroprzepływowe do dyfrakcji rentgenowskiej kryształów in situ i dynamicznego rozpraszania światła in situ do krystalografii szeregowej

Szczegółowe są tutaj protokoły działania i montażu modułowej platformy do badań przesiewowych mikroprzepływowych do systematycznej charakterystyki syntez koloidalnych półprzewodników nanokrystalicznych. Dzięki w pełni regulowanym układom systemów, wysoce wydajne zbieranie widm może być przeprowadzane w 4 skalach czasu reakcji rzędu wielkości w przestrzeni próbkowania kontrolowanej przeniesieniem masy.

Modułowa technologia mikroprzepływowa do systematycznych badań koloidalnych nanokryształów półprzewodnikowych

Opisano proces wytwarzania wielowarstwowego, mikroprzepływowego urządzenia opartego na PDMS, które umożliwia przeprowadzanie reakcji transkrypcji i translacji in vitro (IVTT) przez dłuższy czas. Ponadto zapewniony jest kompleksowy przegląd sprzętu i oprogramowania wymaganego do automatyzacji i utrzymania tych reakcji przez dłuższy czas.

Wielowarstwowa platforma mikroprzepływowa do prowadzenia przedłużonej ekspresji genów bez komórek

Prezentujemy system mikroprzepływowy do wysokoprzepustowych badań nad złożonymi maszynami życia, który składa się z 1500 jednostek hodowlanych, szeregu ulepszonych pomp perystaltycznych i modułu mieszania na miejscu. Chip mikroprzepływowy pozwala na analizę wysoce złożonych i dynamicznych warunków mikrośrodowiskowych in vivo.

Generowanie dynamicznych warunków środowiskowych za pomocą wysokowydajnego urządzenia mikroprzepływowego

Prezentujemy protokoły prostych testów mikroprzepływowych filamentów aktynowych, w połączeniu z mikroskopią fluorescencyjną, które pozwalają na dokładne monitorowanie poszczególnych filamentów aktynowych w czasie rzeczywistym, podczas sekwencyjnego wystawiania ich na działanie różnych roztworów białkowych.

Wykorzystanie mikrofluidyki i mikroskopii fluorescencyjnej do badania dynamiki składania pojedynczych filamentów i wiązek aktyny

Prezentacja dwuwarstwowego urządzenia opartego na polidimetylosiloksanie (PDMS) do produkcji bibliotek kombinatorycznych w emulsjach (korkach) typu woda w oleju jest przedstawiona. Niezbędny sprzęt i oprogramowanie wymagane do automatyzacji produkcji zatyczek jest szczegółowo opisane w protokole, a także pokazano produkcję ilościowej biblioteki zatyczek fluorescencyjnych.

Dwuwarstwowe urządzenie mikroprzepływowe do kombinatorycznej produkcji korków

Poznaj zastosowanie urządzeń milifluidycznych do wysokoprzepustowej syntezy nanomateriałów i analizy czasowo-rozdzielczej mechanizmów reakcji. Metoda umożliwia badaczom prowadzenie katalizy w przepływie ciągłym z kontrolą pośredników.

Millifluidyka do syntezy chemicznej i czasowo-rozdzielczych badań mechanistycznych

Przeglądaj więcej filmów