Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

Millifluidics لتخليق المواد الكيميائية والدراسات الميكنة الوقت لحلها

Published: November 27, 2013 doi: 10.3791/50711
Automatic Translation
1,2, 1,2, 1,2,3, 1, 4, 1,2
1Center for Advanced Microstructures and Devices (CAMD), Louisiana State University, 2Center for Atomic-Level Catalyst Design, Cain Department of Chemical Engineering, Louisiana State University, 3Department of Biological and Agricultural Engineering, Louisiana State University, 4Argonne National Laboratory

Summary

وتستخدم أجهزة Millifluidic لتخليق رقابة للمواد متناهية الصغر، والتحليل حل وقت آليات التفاعل والحفز المستمر التدفق.

Abstract

ووصف الإجراءات التي تستخدم الأجهزة millifluidic لتخليق المواد الكيميائية والدراسات الميكانيكية الوقت حل من خلال اتخاذ ثلاثة أمثلة. في الأولى، يوصف توليف nanoclusters لالنحاس الصغيرة جدا. يوفر المثال الثاني فائدتها للتحقيق في الوقت حل حركية التفاعلات الكيميائية من خلال تحليل تكوين جسيمات متناهية الصغر الذهب باستخدام الموضع امتصاص الأشعة السينية الطيفي في. يوضح المثال النهائي المستمر الحفز تدفق من ردود الفعل داخل القناة millifluidic المغلفة مع حافزا ذات البنية النانومترية.

Introduction

وقد أثبتت المختبر على واحد في رقاقة (الكونغرس) لأجهزة التركيب الكيميائي ميزة كبيرة من حيث زيادة كتلة ونقل الحرارة، ومراقبة رد فعل متفوقة، إنتاجية عالية وأكثر أمنا العملية البيئة 1. هذه الأجهزة يمكن تصنيفها في FLUIDICS رقاقة مقرها ومقرها nonchip الأجهزة فلويديك. بين FLUIDICS يعتمد على الشرائح الالكترونية، يتم التحقيق فيها بشكل جيد على microfluidics وموضوع المغطاة بشكل جيد في الأدب 2-5. نظم الكونغرس Nonchip أساس استخدام المفاعلات الأنبوبية 6. تقليديا، تستخدم أنظمة ميكروفلويديك لمراقبة دقيقة والتلاعب من السوائل التي يتم تقييد هندسي لنطاق دون المليمتر. أدخلنا مؤخرا مفهوم millifluidics يعتمد على الشرائح الالكترونية، والتي يمكن استخدامها للتلاعب من السوائل في القنوات في نطاق ملليمتر (إما عرض أو عمق أو كليهما من القنوات ما لا يقل عن ملليمتر في الحجم) 7-9. وعلاوة على ذلك، ورقائق millifluidic هي سهلة نسبيا الى افتعال مبادرة الخوذ البيضاءلو تقدم التحكم مماثلة الإفراط في معدلات تدفق والتلاعب من الكواشف. ويمكن أيضا أن تعمل هذه الرقائق في أعلى معدلات التدفق، وخلق مرات الإقامة أصغر، وبالتالي، وتقدم إمكانية زيادة للتوليف تسيطر النانوية مع توزيع حجم أضيق. كمثال على ذلك، أننا أظهرنا مؤخرا تركيب nanoclusters لالنحاس صغير جدا وتتميز لهم باستخدام الوضع الطبيعي الأشعة السينية طيف الامتصاص وكذلك في TEM. القدرة على الحصول على أوقات إقامة قنوات صغيرة داخل millifluidic في تركيبة مع استخدام MPEG، وهو ثنائي الأسنان فعالة جدا مضاد للفيروسات وكيل استقرار لتشكيل الغرويات مستقرة من النحاس nanoclusters ل7.

بالإضافة إلى تركيب المواد الكيميائية والمواد متناهية الصغر، يمكن للmillifluidics العرض، نتيجة لارتفاع حجم وتركيز في منطقة التحقيق، منصة الاصطناعية التي هي أكثر عمومية وفعالة للدراسات الحركية وقت حل وachie أيضافيس أفضل إشارة إلى نسبة الضوضاء من أنظمة ميكروفلويديك 7،10. نقدم لك مجموعة من استخدام رقاقة millifluidic كمثال للمرة تحل تحليل نمو النانو الذهب من الحل باستخدام XAS في الموقع مع قرار صغيرة مثل الساعة 5 ميللي ثانية 11.

أيضا، وتستند غالبية المفاعلات الصغيرة وضعت حتى الآن للتطبيقات الحفز على 12،13 السيليكون. على تلفيق مكلفة بالإضافة إلى كميات صغيرة ولدت يجعلها غير صالحة للتصنيع على نطاق واسع. الأساليب العامة اثنين لطلاء القنوات مع nanocatalysts - الكيميائية والفيزيائية، وغالبا ما يشار إلى إجراءات طلاء السيليكون، ويوجد حاليا في رواج 14،15. بالإضافة إلى تكلفة التصنيع الجزئي، انسداد القنوات يجعل قد يكون مفاعل الحفز الجزئي غير صالحة للتصنيع على نطاق واسع. على الرغم من microreactors استخدمت لالحفز غير المتجانس في الدقيقة مستمرة التدفق من خلال عمليات earliإيه 16-18، والقدرة على التحكم في البعد، والتشكل من المواد الحفازة ذات البنية النانومترية الذهب جزءا لا يتجزأ من داخل قنوات التدفق المستمر تم استكشافها أبدا من قبل. وقد وضعنا مؤخرا تقنية لطلاء القنوات millifluidic مع المحفزات الاتحاد الافريقي، بعد أن تسيطر التشكل نانو وأبعاد (الشكل 5) 11، لتنفيذ الحفز من التفاعلات الكيميائية الهامة صناعيا. كمثال لقد أثبتنا تحويل 4-نيتروفينول إلى 4 أمينوفينول يحفزه الذهب ذات البنية النانومترية المغلفة داخل قنوات millifluidic. بالنظر إلى أن شريحة واحدة مفاعل millifluidic يمكن أن تنتج في أسعار تدفق 50-60 مل / ساعة، 7 الإنتاجية العالية والتوليف رقابة من المواد الكيميائية من الممكن إما من خلال عملية التدفق المستمر أو المعالجة المتوازية.

من أجل الاستفادة من الإمكانيات التي millifluidics تقدم، مع بعض الأمثلة وصفها على النحو الوارد أعلاه، علينا أن نظهر أيضا سهلة الاستعمالجهاز millifluidic التي هو محمول ويحتوي على جميع المكونات المطلوبة مثل رقائق millifluidic، والفتحات، وأجهزة التحكم في التدفق، مضخات والتوصيلات الكهربائية المتكاملة. مثل هذا الجهاز millifluidic، كما هو مبين في الشكل 7، وهو متاح من الشركة Millifluidica LLC (الآن www.millifluidica.com ). يوفر المخطوطة أيضا البروتوكولات باستخدام جهاز millifluidic باليد، كما هو موضح أدناه، لتخليق رقابة للمواد متناهية الصغر، والتحليل حل وقت آليات التفاعل والحفز المستمر التدفق.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Millifluidics انشاء: شراء شريحة millifluidic (مصنوعة من البوليستر تيريفثاليت البوليمر) من Microplumbers Microsciences ذ م م، التي لديها قنوات اعوج مع أبعاد 2 ملم (عرض) × 0.15 ملم (H) × 220 ملم (L). استخدام أنابيب FEP مع أبعاد 0.25 ملم معرف، 1/16 في OD، لتوصيل رقاقة إلى المضخة. استخدام اثنين من مضخات مختلفة لاثنين من تجارب مختلفة. استخدام P-مضخة للتجربة الأولى (النانوية النحاس) والجهاز millifluidic للتجربة الثانية (جزيئات الذهب). ولم يبق للحد من مشكلة فقاعات الغاز داخل القنوات، الطازجة NABH 4 الحل مفتوحة على الوقوف ل~ 10-15 دقيقة قبل ضخ الشريحة بحيث فقاعات الغاز الهروب من الحل. وأعقب هذه الخطوة لجميع تجاربنا.

1. توليف الصغيرة جدا النحاس نانو الكتل (UCNCs)

  1. المواد الكيميائية المطلوبة: الحصول على النحاس (II) نيتراهيدرات الشركة المصرية للاتصالات، بوروهيدريد الصوديوم، هيدروكسيد الصوديوم الكريات وO-[2 - (3-mercaptopropionylamino) اثيل]-O'-methylpolyethylene غليكول (MW = 5،000) [MPEG] واستخدام جميع المواد الكيميائية دون مزيد من التنقية. استخدام المياه nanopure (18.2 MΩ سم) للتجربة.
  2. استخدام P-مضخة ينظم تحت ضغط النيتروجين للتجربة. اختبار مضخات المياه مع كمذيب في ضغوط مختلفة قبل التجربة لربط مع المقابلة في أسعار التدفق (مل / ساعة). شطف المفاعل millifluidic وأنابيب مع الماء منزوع الأيونات قبل بدء التجربة.
  3. حل 174 ملغ (0.95 ملمول) من النحاس (II) نترات و 610 ملغم (0.122 ملمول) من O-[2 - (3-mercaptopropionylamino) اثيل] غليكول-O'-methylpolyethylene في 28 مل من الماء nanopure والاحتفاظ بها في قارورة أن تكون متصلا مع قناة مدخل واحد
  4. إبقاء حل آخر من 111 ملغ (2.93 ملمول) من بوروهيدريد الصوديوم و 102 ملغم (2.78 ملمول) هيدروكسيد الصوديوم في 28 مل (درجة الحموضة ~ 13) في قارورة مختلفة وتوصيله معغيرها من قناة الإدخال.
  5. تدفق كل من الحلول في وقت واحد داخل المفاعل millifluidic في معدلات تدفق مختلفة، (أدناه) وجمع UCNCs الناتجة عند مخرج في قارورة من الزجاج. تطهير الحل مع النيتروجين وتخزينه تحت النيتروجين.
  6. تعمل المضخات تحت ضغوط مستمرة مختلفة من 50 م بار (6.81 مل / ساعة)، 100 م بار (14.31 مل / ساعة)، 200 م بار (32.7 مل / ساعة) و 300 م بار (51.4 مل / ساعة) في درجة حرارة الغرفة لتخليق UCNCs في معدلات تدفق مختلفة،.

بينما أظهرت الإجراء التوليف باستخدام millifluidic مجموعة المتابعة مع P-مضخة، فإنه يمكن أيضا أن يتم استخدام الجهاز millifluidic باليد من Millifluidica.

2. الوقت تصميما الدراسات الحركية الموضع على الذهب جسيمات متناهية الصغر في تشكيل

  1. المواد الكيميائية المطلوبة: الحصول على حمض chloroauric (HAuCl 4 3H 2 O). المتوسط-2 ،3-حمض dimercaptosuccinic (DMSA) وبوروهيدريد الصوديوم & #160؛ واستخدام جميع المواد الكيميائية دون مزيد من التنقية. استخدام المياه nanopure (18.2 MΩ سم) للتجربة.
  2. استخدام عالية الدقة، ومؤتمتة بالكامل، نبض حر مضخات حقنة لتدفق السوائل داخل الرقاقة. اختبار مضخات المياه مع كمذيب في مختلف تدفق في أسعار قبل التجربة لتحسين معدل التدفق المطلوب.
  3. إعداد الحلول القياسية (ط) HAuCl 4. 3H 2 O (10 ملمول، 118.2 mg/30 مل) و (ب) DMSA (20 ملمول، 109.2 mg/30 مل) مع 50 ملغ من هيدروكسيد الصوديوم (الرقم الهيدروجيني 12) في nanopure الماء.
  4. تغذية الحلين من خلال اثنين من محاقن منفصلة في رقاقة millifluidic بمعدل تدفق ثابت من 10 مل / ساعة باستخدام مضخة الآلي.
  5. زوجين رقاقة millifluidic إلى خط السنكروترون شعاع باستخدام المرحلة المعدنية التي لديها إمكانية الوصول إلى حركة في اتجاهات XYZ وجمع البيانات في مناطق مختلفة XAS على رقاقة كما تم ضخ الحلول من خلال رقاقة.

في حين أن <م> التحليل في الموقع وقد تجلى الإجراء باستخدام millifluidic مجموعة المتابعة مع P-مضخة، فإنه يمكن أيضا أن تنفذ باستخدام جهاز millifluidic باليد.

3. استمرار تدفق الذهب الحفز

وقد تجلى هذا الإجراء باستخدام جهاز millifluidic باليد.

  1. المواد الكيميائية المطلوبة: الحصول على حمض chloroauric (HAuCl 4 3H 2 O)، ميزو 2 حمض ،3-dimercaptosuccinic (DMSA)، بوروهيدريد الصوديوم، 4-نيتروفينول، 4 أمينوفينول واستخدام جميع المواد الكيميائية دون مزيد من التنقية. استخدام المياه nanopure (18.2 MΩ سم) للتجربة.
  2. إعداد محفز: إعداد الحلول القياسية من HAuCl 4 3H 2 O (10 ملمول، 118.2 mg/30 مل)، DMSA (20 ملمول، 109.2 mg/30 مل) وNABH 4 (10 ملمول، 11.34 mg/30 مل) في Nanopure الماء.
  3. يستغرق 10 مل كل 4 HAuCl والحلول DMSA إلى قسمين قارورة منفصلة وتدفق عشرم داخل رقاقة استخدام الجهاز millifluidic باليد مع معدل تدفق موحدة من 12 مل / ساعة لمدة 45 دقيقة.
  4. تدفق 10 ملمول NABH 4 داخل رقاقة في 12 مل / ساعة معدل التدفق لمدة 15 دقيقة للحد من الاتحاد الافريقي (I) إلى الاتحاد الافريقي (0).
  5. أخيرا، وغسل بالماء رقاقة nanopure لمدة 30 دقيقة بمعدل تدفق نفسه قبل إجراء التجارب الحفز.
  6. رد فعل الحفز: تنفيذ رد فعل التحويل الكيميائية (خفض) من 4 نيتروفينول (4-NP) في 4 أمينوفينول (4-AP) داخل حافزا الذهب (أعدت أعلاه) المغلفة قناة millifluidic على النحو المبين أدناه.
  7. خلط 15 مل من محلول 9 × 10 -5 مول من 4-NP مع 3.3 مل من 0.65 مول NABH 4 الحل لتشكيل أيون 4-nitrophenolate (4 NPI).
  8. تمرير حل الناتجة خلال حافزا الذهب المودعة داخل رقاقة بمعدل تدفق ثابت من 5 مل / ساعة لتقييم النشاط التحفيزي. تحليل أطياف الأشعة فوق البنفسجية فيز من المنتجات التي تم جمعها ضمن نطاق الطول الموجي من 250-500 نانومتر للتأكد من تحويل 4-NP.
  9. تقدير النشاط التحفيزي للتفاعل عن طريق الحصول على منحنى المعايرة من 4 NPI. منحنى المعايرة يمكن الحصول عليها عن طريق التآمر استيعاب الكثافة وحظ تجريبيا (I) من 4 NPI بتركيزات مختلفة القياسية. مرتفعات الذروة (399 نانومتر في) للأشعة فوق البنفسجية فيس منحنيات الامتصاص تمثل استيعاب الكثافة (I) القيم وفقا للقانون والبيرة لامبرت، فإن أي تغيير في قيمة الارتفاع الذروة إظهار تغيير المناظر في تركيزه. لذلك، تقدير النشاط التحفيزي من خلال إيجاد الفرق في تركيزات الأولية والنهائية من المتفاعلة من منحنى المعايرة. على سبيل المثال، إذا كان ارتفاع الذروة هو 1 وحدة (الشكل 6) أنه يتوافق مع التحويل التحفيزي من 90٪ (على أساس المؤامرة المعايرة).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

فرقت جيدا وتم الحصول موحدة nanoclusters لالنحاس الحجم مع توزيع حجم الضيقة باستخدام الإعداد رقاقة millifluidic (الشكل 1A). لم مختلف في أسعار تدفق تستخدم لتخليق لا يكون لها تأثير كبير على حجم المجموعات. ومع ذلك، مع زيادة في معدل التدفق، هناك تحسنا ملاحظتها في تضييق حجم التوزيع. تم الحصول على UCNCs مع أفضل توزيع حجم الضيق في معدل تدفق 32.7 مل / ساعة. حجم UCNCs شكلت 32.7 في معدل تدفق مل / ساعة يبلغ متوسط ​​قطرها 1.2 نانومتر (الشكل 1B).

يظهر الموضع XAS الإعداد في وقت حل في الشكل 2A. كما هو موضح في الإجراء التجريبي، وقد شنت رقاقة millifluidic على مرحلة معدنية مباشرة في مسار شعاع السنكروترون monochromatized وتعديلها بحيث شعاع مرت عبر المنطقة المطلوب على رقاقة. بعد تحسين ظروف التدفق، والكواشف السلائف (حمض chloroauric (4 HAuCl 3 الحافة في خمس مناطق مختلفة بحثها من قبل الأشعة السينية شعاع من حجم 0.05 ملم × 0.05 ملم، في حين تتدفق الحلول السلائف في القنوات. بناء على هذه التحليلات الأطياف، تم العثور على التغييرات الأولى في الحل تمهيدا لتجري في جميع أنحاء منطقة 5 مع تشكيل الاتحاد الافريقي خ S ذ - 21 nanoclusters لوجود نسبة قريبة الاتحاد الافريقي / S إلى 2 مع الاتحاد الافريقي (I) حالة الأكسدة. التين. يظهر 3A الاتحاد الافريقي L 3 الحافة XANES جمع الأطياف في مناطق مختلفة مع الطيف تم الحصول عليها في المنطقة 3 تبين وجود السلائف، HAuCl 4، وكان الاتحاد الافريقي (III) حالة الأكسدة. التين. 4 يبين انتقال الإلكترون المجهري (TEM) صورة عينة من الاتحاد الافريقي خ S ذ - nanoclusters لمن 1-2 حجم نانومتر تم جمعها من المنطقة 5. استنادا إلى analy EXAFSجهاز الأمن والمخابرات والخطية الجمع المناسب مع رقائق الذهب والمركبات إشارة كبريتيد الذهب من العينة بحثها في منطقة 5، ويمكننا أيضا أن تؤكد أن العينة عبارة عن خليط من الملح السلائف الذهب (40٪ من HAuCl 4) و 60٪ من الاتحاد الافريقي س S ذ - nanoclusters ل(الشكل 3B). تشكيل الاتحاد الافريقي خ S ذ - لوحظ nanoclusters لأول 17 ثانية بعد بدء التفاعل ومعدل التفاعل (المحسوبة باستخدام الاستهلاك السلائف) عند هذه النقطة كان 0.235 مليمول / ثانية. تم الحصول على أي جزيئات الذهب المعدني حتى بعد 12-24 ساعة من التفاعل والغروانية مستقرة الواردة فقط الاتحاد الافريقي خ S ذ - nanoclusters ل. بعد مرور 4 NABH من خلال رقاقة، أظهر تحليل EXAFS أن طول رباط و nanoclusters ارتفعت من 2.30 Å (الاتحاد الافريقي-S) إلى 2.86 Å (الاتحاد الافريقي والاتحاد الافريقي) مما يدل على الحد من الاتحاد الافريقي (I) إلى الاتحاد الافريقي (0) (الشكل 3C). على مدى فترات طويلةوقت تتدفق السلائف (9 ساعات)، والاتحاد الافريقي خ S ذ - ودائع داخل قنوات millifluidic في شكل نصف كروية المجهرية (الشكل 5).

للتجربة الحفز، تم رصد تحويل 4-NP إلى 4-AP استنادا إلى تحليل الأشعة فوق البنفسجية فيز من المنتجات التي تم الحصول عليها في المقارنة مع أطياف من المعايير (الشكل 6A)، في الاختلاط مع NABH 4 يمكن للمرء أن يرى أن وقد تحولت الامتصاص من 4-NP (λ أقصى 316 نانومتر) إلى 399 نانومتر مشيرا إلى تشكيل 4-NPI التي تم تحويلها على المزيد من رد الفعل إلى 4-AP (λ أقصى 301 نانومتر) من قبل تتدفق من خلال القنوات millifluidic تحتوي على الذهب ذات البنية النانومترية المودعة في المركز. ولوحظ معدل التحويل من 90.5٪ ل 4-NP إلى 4-AP (الشكل 6B) داخل رقاقة الذهب المودعة في حين أن تحويل 20٪ فقط في رقاقة خالية من أي الذهب. الأهم من ذلك، تم العثور على الذهب ليكون حافزا catalyticallذ نشطة حتى بعد 80 ساعة من التفاعل. أظهرت النتائج أهمية millifluidics لاستمرار تدفق الحفز.

الشكل 1
الشكل 1: (أ) التمثيل التخطيطي لمنصة millifluidic لتركيب UCNCs جنبا إلى جنب مع نظام التفاعل (ب) صورة تيم ~ 1.2 نانومتر UCNCs شكلت باستخدام رقاقة millifluidic مع معدل تدفق 32.7 مل / ساعة (مستنسخة بإذن من المرجع 7).

الرقم 2
الشكل 2: (أ) الوضع الطبيعي XAS تحليل انشاء لدراسات حلها الوقت الحركية (ب) رقاقة Millifluidic مع ض ملحوظ فيمنها حيث في الموقع يتم تنفيذ XAS (مستنسخة بإذن من المرجع 7، جميع الحقوق محفوظة ايلي VCH فيرلاغ شركة محدودة وشركاه KGaA بنسبة، 2012).

الرقم 3
الشكل 3: (أ) XANES أطياف تبين الاتحاد الافريقي L 3 الحافة في المنطقة 3 (الحمراء)، المنطقة 5 (الازرق) ومنطقة في 5 بعد 12 ساعة (أسود) (ب) أطياف EXAFS في نفس مناطق (ج) من EXAFS الاتحاد الافريقي احباط (أسود) وعينة بعد NABH 4 التخفيض (الحمراء)، (-) تحويل فورييه حجم و(---) المكون التخيلي من تحويل فورييه (مستنسخة من مرجع 11).

الرقم 4
الشكل 4: TEMصورة الاتحاد الافريقي خ S ذ - nanoclusters ل(مستنسخة من مرجع 11)

الرقم 5
الشكل 5: صور SEM من تكبير مختلفة من الذهب شكلت حافزا داخل القناة millifluidic بعد 9 ساعات من وقت الطلاء.

الرقم 6
الرقم 6: الأشعة فوق البنفسجية فيز أطياف (أ) 4-NP، 4 NPI، و 4-AP (ب) تحويل 4 NPI إلى 4-AP في مفاعل رقاقة millifluidic مع وبدون الذهب (مستنسخة من مرجع 11) .

الرقم 7 الرقم 7: باليد الجهاز millifluidic المستخدمة في التجارب.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

تم تشكيل UCNCs من رد الفعل الحد من نترات النحاس مع بوروهيدريد الصوديوم في وجود البوليمر متوجا كيل O-[2 - (3-Mercaptopropionylamino) اثيل]-O'-methylpolyethylene غليكول (MW = 5،000) [MPEG]. تم إجراء رد فعل داخل المفاعل رقاقة millifluidic في مختلف تدفق في أسعار مثل 6.8 مل / ساعة، 14.3 مل / ساعة، 32.7 مل / ساعة، و 51.4 مل / ساعة إلى دراسة تأثير تدفق في أسعار UCNCs على تشكيلها. الأوقات الإقامة منها عن تدفق المعدلات المذكورة أعلاه 47.49، 24.44، 16.56، 9.02 وثانية. كانت مجموعات النحاس الغروية التي تم الحصول عليها على الإطلاق في أسعار هذه التدفقات مستقرة تصل إلى ثلاثة أشهر في ظل ظروف خاملة. تم الحصول على توزيع حجم الضيق مع متوسط ​​حجم الجسيمات من 1.2 نانومتر لمعدل التدفق من 32.7 مل / ساعة.

واحدة من المزايا الرئيسية لاستخدام أكثر من millifluidics على microfluidics لتخليق المواد الكيميائية في التركيب العام وجسيمات متناهية الصغر على وجه الخصوص هو إمكانية تحقيق معدلات عالية التدفق. لإكساءmple، شوهد تدفق معدلات عالية مثل 51.4 مل / ساعة في حين أن تجربتنا نموذجية تدفق المعدلات التي يمكن تحقيقها مع وجود على microfluidics 10-100 ميكرون الأحجام قناة هي في حدود ،03-4 مل / ساعة 20. كان من الممكن للوصول إلى أعلى معدلات تدفق (أي> 3 مل / دقيقة) عندما استخدمت الجهاز millifluidic من Millifluidica. خصائص فلويديك الناشئة بسبب ارتفاع تدفق مثل معدلات لا تزال تحتفظ الميزات مثل تدفق الصفحي مماثلة لحالة على microfluidics كما تجريبيا وكذلك من خلال المحاكاة العددية. على سبيل المثال، أكدت أرقام رينولدز حساب في تدفق الصفحي وأظهرت مجموعة من الأرقام Peclet أن اختلاط المدخلات اثنين يهيمن عليها الحراري.

بعض الخطوات الحاسمة في التوليف هي تحديد العملية المناسبة لتخفيض الأملاح المعدنية والسطحي مناسبة باعتبارها عامل استقرار. بالإضافة إلى ذلك، تصميم قناة millifluidic واختيارتدفق الصحيح في أسعار هو المهم. منذ مصنوعة من رقائق millifluidic الحالي باستخدام البوليمرات، وردود الفعل تقتصر على التفاعلات المياه القائمة وتلك التي يمكن القيام بها في درجة حرارة الغرفة. ومع ذلك، باستخدام درجات حرارة عالية رقائق البوليمر مستقرة مناسبة أو رقائق القائم على البورسليكات، يمكن للمرء القيام ردود الفعل عند ارتفاع درجات الحرارة وكذلك باستخدام المذيبات العضوية.

للدراسات الحركية وقت حل، في تشكيل الوضع الطبيعي للجزيئات الذهب بدءا من السلائف الملح الذهب تم بحثها في في الوقت الحقيقي باستخدام الوضع الطبيعي الأشعة السينية طيف الامتصاص في طريق تحويل القرار المكانية في وقت القرار. ولوحظ أول دليل على تشكيل جزيئات الذهب مع الاتحاد الافريقي والاتحاد الافريقي الترابط فقط بعد إضافة NABH 4 خلافا للنتائج من التحقيقات التي تسوكودا وزملاء العمل 19. وذكرت ان تشكيل معدني الاتحاد الافريقي 13 (DMSA) 8 مجموعات مع الاتحاد الافريقي والاتحاد الافريقي على الترابط للانترنتنانوغرام من نفس السلائف في توليفة قارورة التقليدية. هذه التقنية، لذلك، هو قيمة في مراقبة رد فعل وسيطة في وقت الاستبانة لم يكن ذلك ممكنا في رد فعل قارورة مقرها التقليدية.

ويرجع ذلك إلى إمكانية أن يكون تركيزات أعلى من شأنها أن تمكن من تحسين إشارة إلى نسبة الضوضاء عندما يتم بحثها ردود الفعل في الوضع الطبيعي واحدا من أعظم مزايا استخدام نظم millifluidic للمرة تحل الدراسة الحركية. في النظام الحالي القيد هو أنه من الصعب فقط الأشعة السينية يمكن استخدامها لتحقيق التفاعل باستخدام XAS. من أجل تحقيق التفاعلات باستخدام تقنيات التحليل الطيفي الأخرى مثل الأشعة فوق البنفسجية VIS الطيفي، في حاجة إلى رقائق millifluidic لديك النوافذ الضوئية. مرة أخرى، مع القائمة مجموعة المتابعة، يمكن للمرء أن التحقيق فقط ردود الفعل القائمة على المياه وعلى درجة حرارة الغرفة.

الحفز باستخدام المحفزات القائمة على الذهب في عمليات الدفعي هو معروف جدا وبنشاط البحوث. ومع ذلك، فإن سالي ليس صحيحا لالحفز المستمر للتدفق. في هذا التحقيق، ونحن لشرح التدفق المستمر النشاط التحفيزي من المحفزات الذهب شكلت داخل رقاقة millifluidic للحد من 4 إلى 4-NP-AP 22، والتي كانت تستخدم كمثال على ذلك. أظهرت نتائج أكثر من 90٪ تحويل 4-NP مع محفز الذهب باستخدام النهج المستمر الحفز التدفق. واحدة من أهم مزايا هذه الطريقة على عملية الحفز دفعة هو إعادة استخدام المحفز. على سبيل المثال، تم إعادة استخدام محفز أكثر من 40 دورات (80 ساعة من وقت رد الفعل) ولا تزال نشطة.

مزايا استخدام النظام الحالي للتدفق المستمر الحفز هو أن القنوات هي أقل عرضة للانسداد من قبل محفز على عكس تلك التي ذكرت في الأدبيات باستخدام نظم ميكروفلويديك 23،24. وثمة ميزة أخرى هي القدرة على تحقيق رد فعل الحفز في الموقع كما يحدث من أجل فهم آلية تفاعل الحفز. الحاليالإيجار القيود المفروضة على نظام لتدفق مستمر الحفز هي أن الحل الوحيد للتخلص تفاعلات الحفز المياه القائمة يمكن القيام بها والتي فقط للغاية في درجة حرارة الغرفة. ويلزم إجراء المزيد من التعديلات للجهاز لتمكين الطور الغازي المستمر الحفز تدفق إما في درجة حرارة الغرفة أو عند ارتفاع درجات الحرارة.

باختصار، علينا أن نظهر اثنين من قدرات هامة من المفاعلات millifluidic. أولا، أنها يمكن أن تستخدم كأداة لاستمرار تدفق التركيب الكيميائي والثانية، وذلك لتحقيق تنوعا الوقت حل الدراسات الحركية للتفاعلات الكيميائية. بالإضافة إلى ذلك، وتبين لنا أن جهاز millifluidic يمكن استخدامها على حد سواء باعتبارها أداة تعليمية لتعلم حول أجهزة المختبر على واحد في رقاقة وكذلك بسيطة، سهلة الاستخدام والجهاز باليد لتخليق المواد الكيميائية والتحقيق في الموقع ل التفاعلات الكيميائية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

جميع المؤلفين باستثناء CSSR كومار تعلن أنه ليس لديهم مصالح مالية المتنافسة. C. SSR كومار هو مؤسس الشركة Millifluidica LLC.

Acknowledgments

ويدعم هذا العمل البحثي كجزء من مركز للمستوى الذرية محفز التصميم، وهو مركز بحوث الطاقة الحدودي الذي تموله وزارة الطاقة الأميركية، مكتب العلوم، مكتب علوم الطاقة الأساسية في إطار جائزة عدد DE-SC0001058 ودعمت أيضا من قبل مجلس الحكام تحت بند المنح جائزة LEQSF عدد (2009-14) EFRC-MATCH وLEDSF-EPS (2012) الأراضي الفلسطينية المحتلة-IN-15. يتم دعم عمليات MRCAT من قبل وزارة الطاقة والمؤسسات الأعضاء MRCAT. يتم اعتماد استخدام فوتون المصدر المتقدمة في ANL من قبل وزارة الطاقة الأميركية، مكتب العلوم، مكتب علوم الطاقة الأساسية، بموجب العقد رقم DE-AC02-06CH11357. وقدمت الدعم المالي لJTM كجزء من معهد اتوم كفاءة التحولات الكيميائية (IACT)، وهو مركز أبحاث الطاقة الحدودي الذي تموله وزارة الطاقة الأميركية، مكتب العلوم، مكتب علوم الطاقة الأساسية.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Song, Y., Hormes, J., Kumar, C. S. S. R. Microfluidic Synthesis of Nanomaterials. Small. 4 (6), 698-711 (2008).
  2. 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).
  3. Helen, S., Delai, L. C., Rustem, F. I. Reactions in Droplets in Microfluidic Channels. Angew. Chem. Int. Ed. 45, 7336-7356 (2006).
  4. Marre, S., Jensen, K. F. Synthesis of nanostructures in microfluidic systems. Chem. Soc. Rev. 39, 1183-1202 (2010).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Microfluidic Devices in nanotechnology-Fundamental Concepts. Kumar, C. S. S. R. , John Wiley. (2010).
  13. Microfluidic Devices in nanotechnology-Fundamental Concepts. Kumar, C. S. S. R. , John Wiley. (2010).
  14. Meille, V. Review on Methods to Deposit Catalysts on Structured Surfaces. Appl. Catal. A Gen. 315, 1-17 (2006).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Abou-Hassan, A., Sandre, O., Cabuil, V. Microfluidics in Inorganic Chemistry. Angew. Chem. Int. Ed. 49, 6268-6286 (2010).
  21. Jiang, D., Walter, M., Dai, S. Gold Sulfide Nanoclusters: A Unique Core-In-Cage Structure. Chem. Eur. J. 16, 4999-5003 (2010).
  22. 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).
  23. 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. , In Press (2013).
  24. Shahbazali, E., Hessel, V., Noël, T., Wang, Q. Metallic nanoparticles made in flow and their catalytic applications in organic synthesis. Nanotech. Rev. , In Press (2013).

Tags

الهندسة الحيوية، العدد 81، Millifluidics، جهاز Millifluidic، حركية الوقت لحلها، التجميعي، الحفز، المواد النانوية، ومختبر على واحد في رقاقة
Millifluidics لتخليق المواد الكيميائية والدراسات الميكنة الوقت لحلها
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Krishna, K. S., Biswas, S., Navin,… More

Krishna, K. S., Biswas, S., Navin, C. V., Yamane, D. G., Miller, J. T., Kumar, C. S. S. R. Millifluidics for Chemical Synthesis and Time-resolved Mechanistic Studies. J. Vis. Exp. (81), e50711, doi:10.3791/50711 (2013).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter