Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

Millifluidics for kjemisk syntese og Time-løst mekanistiske studier

Published: November 27, 2013 doi: 10.3791/50711

Summary

Millifluidic enheter er benyttet for kontrollert syntese av nanomaterialer, tid-løst analyse av reaksjonsmekanismer og kontinuerlig flyt katalyse.

Abstract

Prosedyrer med bruk millifluidic enheter for kjemisk syntese og tid-løst mekanistiske studier er beskrevet ved å ta tre eksempler. I den første, er syntesen av ultra-små kobber nanoclusters beskrevet. Det andre eksemplet gir deres verktøy for å undersøke tids løst kinetikk av kjemiske reaksjoner ved å analysere gull nanopartikkel dannelse ved hjelp av in situ X-ray absorpsjon spektroskopi. Det siste eksemplet viser kontinuerlig flyt katalyse av reaksjoner inne millifluidic kanal belagt med nanostrukturerte katalysator.

Introduction

Lab-on-a-chip (LOC) enheter for kjemisk syntese har vist betydelig fordel i form av økt masse og varmeoverføring, overlegen reaksjon kontroll, høy gjennomstrømming og sikrere drift miljø en. Disse enhetene kan grovt deles inn i chip basert lufthåndtering og nonchip basert fluidic enheter. Blant chip-basert lufthåndtering, er MicroFluidics godt undersøkt og et emne godt dekket i litteraturen 2-5. Nonchip basert LOC systemer bruker rørreaktorer seks. Konvensjonelt, er microfluidic systemer brukes til presis kontroll og manipulering av væsker som er geometrisk avgrensa til Submillimeter skala. Vi har nylig innført begrepet chip-baserte millifluidics, som kan benyttes for manipulering av væske i kanaler i millimeterskala (enten bredde eller dybde eller begge av kanalene er i det minste en millimeter i størrelse) 7-9. Videre millifluidic chips er relativt lett å dikte WHIle tilbyr lignende kontroll over flytrater og manipulering av reagenser. Disse brikkene kan også kjøres med høyere flytrater, skape mindre oppholdstid, og dermed, og tilbyr muligheten for oppskalering av kontrollert syntese av nanopartikler med smalere størrelsesfordelingen. Som et eksempel, har vi nylig demonstrert syntesen av ultra-små kobber nanoclusters og karakterisert dem ved hjelp av in situ X-ray absorpsjon-spektroskopi, så vel som TEM. Evnen til å oppnå små oppholdstider innenfor millifluidic kanaler i kombinasjon med bruk av MPEG, som er meget effektiv bidentat PEGylert stabiliserende middel for dannelsen av stabile kolloider av kobber nanoclusters 7.

I tillegg til syntese av kjemikalier og nanomaterialer, kan de millifluidics har, på grunn av større volum og konsentrasjon på sonden, en syntetisk plattform som er mer generalisert og effektiv for tid-løst kinetiske studier, og også achieves bedre signal til støy-forhold enn microfluidic systemer 7,10. Vi viser bruken av millifluidic chip som et eksempel for tid løst analyse av vekst av gull nanostrukturer fra oppløsningen ved hjelp av in situ XAS med en tidsoppløsning så liten som 5 msek 11..

Også flertallet av de mikroreaktorer som er utviklet til dags dato for katalyse programmer er basert på silisium 12,13. Deres kostbare fabrikasjons i tillegg til små mengder som genereres gjør dem uegnet for produksjon i stor skala. De to generelle metoder for belegg på kanaler med nanocatalysts - kjemiske og fysiske, ofte referert til som silisium belegningsprosedyrer, er for tiden på moten 14,15. I tillegg til kostbare mikro fabrikasjon, tilstopping av kanalene gjør mikroreaktor katalyse kan være uegnet for storskala produksjon. Selv microreactors har blitt brukt for heterogen katalyse i mikro kontinuerlige gjennomstrømnings prosesser earlieh 16-18, evnen til å kontrollere dimensjonene, og morfologien til de innleirede gull nanostrukturerte katalysatorer i løpet av kontinuerlig strømningskanaler aldri ble undersøkt før. Vi har nå utviklet en teknologi for å belegge millifluidic kanaler med Au-katalysatorer, etter å ha kontrollert nano morfologi og dimensjoner (figur 5) 11, for å utføre katalyse av industrielt viktige kjemiske reaksjoner. Som et eksempel har vi vist omdannelse av 4-nitrofenol i 4-aminofenol katalysert av nanostrukturerte gull belagt innenfor millifluidic kanaler. Tatt i betraktning at en enkelt millifluidic reaktor-brikken kan fremflythastigheter på 50 til 60 ml / time, 7 hurtig og kontrollert syntese av kjemikalier er det mulig enten ved kontinuerlig strømningsdrift eller parallell prosessering.

For å kapitalisere på de mulighetene de millifluidics tilby, med noen eksempler beskrevet som ovenfor, vi også demonstrere et brukervennligmillifluidic enhet som er bærbar og har alle de nødvendige komponenter som millifluidic chips, manifolder, strøm kontrollere, pumper og elektriske tilkoblinger integrert. En slik millifluidic enhet, som vist i figur 7, er nå tilgjengelige fra selskapet Millifluidica LLC ( www.millifluidica.com ). Manuskriptet gir også protokoller ved hjelp av håndholdte millifluidic enhet, som beskrevet nedenfor, for kontrollert syntese av nanomaterialer, tid-løst analyse av reaksjonsmekanismer og kontinuerlig flyt katalyse.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Millifluidics set-up: Kjøp en millifluidic chip (laget av polyester tereftalat polymer) fra Microplumbers Microsciences LLC, som har serpentin kanaler med dimensjoner på 2 mm (B) x 0,15 mm (H) x 220 mm (L). Bruk FEP Tubing med dimensjoner på 0,25 mm ID, 1/16 i OD, for tilkobling av chip til pumpen. Bruk to forskjellige pumper for to forskjellige eksperimenter. Bruk P-Pump for det første eksperimentet (kobber nanopartikler) og millifluidic enhet for det andre eksperimentet (gull nanopartikler). For å minimalisere problemet med gass-bobler inne i kanalene, tilberedes NaBH4-løsning ble etterlatt åpen for å stå i ~ 10-15 min før pumping inn i brikken, slik at gassboblene unnslippe fra løsningen. Dette trinnet ble fulgt for alle våre eksperimenter.

En. Syntese av Ultra-små Copper Nano Clusters (UCNCs)

  1. Kjemikalier som kreves: Skaffe kobber (II) nitrate hydrat, natriumborhydrid, natriumhydroksyd-pellet, og O-[2 - (3-mercaptopropionylamino) etyl]-O'-methylpolyethylene glykol (MW = 5000) [MPEG] og bruke alle kjemikalier uten ytterligere rensing. Bruk nanopure vann (18,2 MΩ-cm) for forsøket.
  2. Bruk P-Pump regulert under nitrogen press for forsøket. Test pumper med vann som oppløsningsmiddel ved forskjellige trykk før forsøket til å korrelere med de tilsvarende strømningsrater (ml / time). Skyll millifluidic reaktoren og slangen med avionisert vann før initiering av eksperimentet.
  3. Oppløs 174 mg (0,95 mmol) av kobber (II) nitrat og 610 mg (0.122 mmol) av O-[2 - (3-mercaptopropionylamino) etyl]-O'-methylpolyethylene glycol i 28 ml nanopure vann og holde dem i en ampulle å være forbundet med en inngangskanal
  4. Holdes en annen løsning av 111 mg (2,93 mmol) natriumborhydrid og 102 mg (2,78 mmol) natriumhydroksyd i 28 ml (pH ~ 13) i en annen ampulle og koble den medandre inngangskanal.
  5. Flow begge løsningene samtidig innenfor den millifluidic reaktoren ved forskjellige strømningsrater (gitt nedenfor) og samle de resulterende UCNCs ved utløpet i hetteglass. Blås ut løsningen med nitrogen og lagre den under nitrogen.
  6. Betjen pumpene under forskjellige konstant trykk på 50 mbar (6,81 ml / time), 100 mbar (14,31 ml / time), 200 mbar (32,7 ml / time) og 300 mbar (51,4 ml / time) ved romtemperatur i syntesen av UCNCs på ulike flytrater.

Selv om synteseprosedyre ble demonstrert ved hjelp av millifluidic oppsett med P-pumpe, kan den også utføres ved å bruke den håndholdte millifluidic enhet fra Millifluidica.

2. Tid Løst situ Kinetic Studier på gull nanopartikler formasjonen i

  1. Kjemikalier som kreves: skaffer chloroauric syre (HAuCl 4 3 H 2 O.) Meso-2 ,3-dimercaptosuccinic syre (DMSA), og natriumborhydrid & #160, og bruke alle kjemikalier uten ytterligere rensing. Bruk nanopure vann (18,2 MΩ-cm) for forsøket.
  2. Bruk høy presisjon, helautomatisk, pulse gratis sprøytepumper å strømme væsker innen chip. Test pumper med vann som oppløsningsmiddel ved forskjellige strømningsrater før forsøket for å optimalisere den nødvendige strømningshastighet.
  3. Forbered standardløsninger av (i) HAuCl 4.. 3H 2 O (10 mmol, 118,2 mg/30 ml) og (ii) DMSA (20 mmol, 109,2 mg/30 ml) med 50 mg natrium-hydroksyd (pH 12) i ​​nanopure vann.
  4. Strøm de to oppløsningene gjennom to separate sprøyter inn i den millifluidic chip ved en konstant strømningshastighet på 10 ml / time ved hjelp av den automatiske pumpe.
  5. Par den millifluidic chip til synkrotron strålen linjen ved hjelp av en metall scene som har tilgang til bevegelse i XYZ retninger og samle XAS data på forskjellige soner på chip som løsningene ble pumpet gjennom chip.

Mens <em> in situ analyse fremgangsmåte ble demonstrert ved hjelp av millifluidic oppsett med P-pumpe, kan den også utføres ved hjelp av en håndholdt millifluidic enhet.

Tre. Kontinuerlig Flow Gold Katalyse

Denne prosedyren ble demonstrert ved hjelp av en håndholdt millifluidic enhet.

  1. Kjemikalier som kreves skaffer chloroauric syre (HAuCl 4 3 H 2 O.), Meso-2 ,3-dimercaptosuccinic syre (DMSA), natrium-hydrid, 4-nitrofenol, 4-aminofenol og bruke alle kjemikalier uten ytterligere rensing. Bruk nanopure vann (18,2 MΩ-cm) for forsøket.
  2. Catalyst forberedelse:. Forbered standardløsninger av HAuCl 4 3H 2 O (10 mmol, 118,2 mg/30 ml), DMSA (20 mmol, 109,2 mg/30 ml) og NaBH 4 (10 mmol, 11,34 mg/30 ml) i Nanopure vann.
  3. Ta 10 ml hver av HAuCl 4 og DMSA løsninger i to separate hetteglass og flyte them i brikken ved hjelp av den håndholdte millifluidic enhet med jevn strømningshastighet på 12 ml / time i 45 min.
  4. Strømnings 10 mmol NaBH4 i løpet av brikken ved 12 ml / t strømningshastighet i 15 minutter for å redusere Au (I) i Au (0).
  5. Til slutt vaskes brikken med nanopure vann i 30 min ved samme strømningsrate før gjennomføringen av katalyse eksperimenter.
  6. Katalyse reaksjon: Utfør kjemisk omdannelse reaksjonen (reduksjon) av 4-nitrofenol (4-NP) i 4-aminofenol (4-AP) i det gull-katalysator (fremstilt ovenfor) belagt millifluidic kanal som angitt nedenfor.
  7. Bland 15 ml av 9 x 10 -5 mol oppløsning av 4-NP med 3,3 ml av 0,65 mol NaBH4-løsning for å danne 4-nitrofenolat ion (4-NP).
  8. Før den resulterende oppløsning i løpet av gull-katalysator avsatt innenfor chip ved en konstant strømningshastighet på 5 ml / time for å evaluere den katalytiske aktivitet. Analyser UV-Vis-spektra av de innsamlede produkt innenfor det bølgelengdeområde på 250 til 500 nm for å bekrefte omdannelsen av 4-NP.
  9. Beregn den katalytiske aktivitet av reaksjonen ved å skaffe en kalibreringskurve av 4-NPI. Kalibreringskurve kan erverves ved å plotte eksperimentelt observert absorpsjon intensitet (I) av 4-NPI på ulike standardkonsentrasjoner. Den topphøyder (ved 399 nm) for de UV-Vis absorpsjon Kurvene representerer absorpsjonen intensiteten (I) verdier, og i henhold til Beer Lamberts lov, vil enhver endring i topphøyde verdien viser tilsvarende endring i konsentrasjonen. Derfor anslå den katalytiske aktivitet ved å finne forskjellen i begynnelses-og sluttkonsentrasjoner av reaktanten fra kalibreringskurven. For eksempel, hvis topphøyden er 1 enhet (figur 6) den svarer til en katalytisk omdanning av 90% (basert på kalibreringsplott).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Godt spredt og ensartet store kobber nanoclusters med en smal størrelsesfordeling ble innhentet ved hjelp av millifluidic chip oppsett (Fig. 1a). De ulike strømningsrater som brukes for syntese ikke har en signifikant effekt på størrelsen av klyngene. Likevel, med økning i strømningshastighet, er det en observerbar forbedring i innsnevringen av størrelsesfordeling. UCNCs med en best snever størrelsesfordeling ble oppnådd ved en strømningsrate på 32,7 ml / time. Størrelsen på UCNCs dannet ved 32,7 ml / t strømningshastighet har en gjennomsnittlig diameter på 1,2 nm (Fig. 1b).

Den tid-løst in situ XAS oppsettet er vist i Fig. 2a. Som beskrevet i den eksperimentelle prosedyre ble millifluidic brikken montert på et metalltrinn direkte i banen for den monochromatized synkrotron strålen og justeres slik at strålen passerte gjennom den ønskede sone på brikken. Etter å optimalisere strømningsforhold, forløperen reagenser (chloroauric syre (HAuCl 4 3-kanten ble erholdt ved fem forskjellige soner analysert ved røntgenstråle størrelse på 0,05 mm x 0,05 mm, mens strømmer av forløper-løsninger inn i kanalene. Basert på disse spektra-analyse, ble de første endringer i forløperen løsningen funnet å finne sted rundt sonen 5 med dannelse av Au x S y - nanoclusters 21 med en Au / S-forhold nær 2 med Au (I) oksydasjonstilstand. Fig. 3a viser Au L 3 bryt XANES spektra tatt ved forskjellige soner med spekteret oppnådd i sone 3 som viser tilstedeværelsen av forløperen, HAuCl 4, som har Au (III)-oksydasjonstilstand. Fig. 4 viser transmisjonselektronmikroskopi (TEM) bilde av prøven av Au x S y - nanoclusters av 1-2 nm størrelse samles fra sone 5. Basert på EXAFS analysesis og lineær kombinasjon passende med gullfolie og gull sulfid referanse forbindelser av prøven analysert ved sonen 5, kan vi også bekreftet at prøven er en blanding av forløper gullsalt (40% av HAuCl 4), og 60% av Au x S y - nanoclusters (Fig. 3b). Dannelsen av Au x S y - nanoclusters ble først observert 17 sekunder etter starten av reaksjonen, og reaksjonshastighet (beregnet ved bruk av utgangsstoffer forbruk) på dette punktet var 0,235 mmol / sek. Ingen metalliske gullnanopartikler ble oppnådd selv etter 12 til 24 timer av reaksjonen og stabilt kolloid inneholdt bare Au x S y - nanoclusters. Etter å ha passert NaBH4 gjennom brikken, er EXAFS-analyse viste at bindingen-lengden av nanoclusters økte fra 2,30 Å (Au-S) til 2,86 Å (Au-Au) som angir reduksjonen av Au (I) i Au (0) (fig. 3c). Over lengre tidstid for å renne forløperne (9 H), Au x S y - forekomster innenfor millifluidic kanaler i form av halvkuleformede mikrostrukturer (fig. 5).

For katalyse eksperimentet, ble omdannelsen av 4-NP for 4-AP overvåkes basert på UV-Vis-analyse av produktene som oppnås i sammenligning med spektrene av standardene (fig. 6a), Ved å blande med NaBH4 kan man se at absorbsjons-spekteret av 4-NP (λ maks på 316 nm) ble skiftet til 399 nm som indikerer dannelse av 4-NPI som ved videre reaksjon ble omdannet til 4-AP (λ maks på 301 nm) ved å strømme gjennom den millifluidic kanal inneholdende nanostrukturerte gull avsatt på midten. Konverterings hastighet på 90.5% ble observert for 4-NP til 4-AP (Fig. 6b) i det gull-avsatt brikken, mens omdannelsen var bare 20% i en brikke blottet for gull. Viktigst var gull-katalysator funnet å være catalytically aktiv selv etter 80 timer med reaksjon. Resultatene viser betydningen av millifluidics for kontinuerlig strømning katalyse.

Figur 1
Fig. 1: (a) En skjematisk representasjon av millifluidic plattform for syntese av UCNCs sammen med reaksjonsskjemaet (b) TEM-bilde av ~ 1,2 nm UCNCs dannet ved hjelp av millifluidic chip med en strømningshastighet på 32,7 ml / h (Gjen med tillatelse fra referanse 7).

Fig. 2
Figur 2: (a) I situ XAS analyse oppsett for tid-løst kinetiske studier (b) Millifluidic chip med det markerte zde hvor in situ XAS er utført (Gjengitt med tillatelse fra ref.. 7, Copyright Wiley-VCH Verlag GmbH & Co KGaA, 2012).

Figur 3
Figur 3: (a) XANES spektra viser Au L 3 flanke på sone 3 (rød), sone 5 (blått), og at sonen 5 etter 12 timer (sort) (b) EXAFS spektra ved de samme soner (c) EXAFS av Au folie (svart) og prøve etter NaBH 4 reduksjon (rød), (-) Fourier transform magnitude og (---) imaginær komponent i Fourier transform (Gjengitt fra referanse 11).

Figur 4
Figur 4: TEMbilde av Au x S y - nanoclusters (Gjengitt fra referanse 11)

Figur 5
Figur 5: SEM bilder av de forskjellige forstørrelser av gull-katalysator som dannes innenfor den millifluidic kanalen etter 9 h av belegg tid.

Figur 6
Figur 6: UV-Vis-spektra av (a) 4-NP-, 4-NPI, og 4-AP (b) Omdannelse av 4-NPI for 4-AP i en millifluidic chip reaktor med og uten gull (Gjen fra referanse 11) .

Figur 7 Figur 7: Håndholdte millifluidic enhet som brukes i forsøkene.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De UCNCs ble dannet ved reduksjonsreaksjonen av kobber nitrat med natriumborhydrid i nærvær av det polymere middel capping O-[2 - (3-Mercaptopropionylamino)-etyl]-O'-methylpolyethylene glykol (MW = 5000) [MPEG]. Reaksjonen ble utført i løpet av den millifluidic chip reaktoren ved forskjellige strømningsrater for eksempel 6,8 ml / time, 14,3 ml / time, 32,7 ml / time, og 51,4 ml / time for å studere effekten av strømningsrater på UCNCs dannet. De respektive oppholdstider for de ovennevnte flytrater er 47.49, 24.44, 16.56, og 9.02 sek. De kolloidale kobber klynger innhentet på alle disse flytrater var stabil inntil tre måneder under inerte betingelser. En smal størrelsesfordeling med gjennomsnittlig partikkelstørrelse på 1,2 nm ble oppnådd for den strømningshastighet på 32,7 ml / time.

En av de viktigste fordelene ved å bruke millifluidics løpet MicroFluidics for kjemisk syntese generelt og nanopartikkel syntese spesielt er muligheten for å oppnå høye strømningsrater. For EXAmple, ble strømningsrater så høyt som 51,4 ​​ml / time observert i våre forsøk, mens den typiske strømningsrater som kan oppnås med MicroFluidics ha 10-100 mikrometer kanalstørrelser er i området fra 0,03 til 4 ml / time 20. Det var mulig å nå enda høyere strømningsrater (dvs.> 3 ml / min) når millifluidic enheten fra Millifluidica ble brukt. Fluidic egenskaper som oppstår på grunn av slike høye strømningsrater fortsatt beholdt funksjoner som laminær ligner tilfelle av MicroFluidics som bestemmes eksperimentelt samt gjennom numeriske simuleringer. For eksempel, den beregnede Reynolds tall er bekreftet laminær og utvalget av Peclet tall viser at blandingen av de to inngangene er dominert av konveksjon.

Noen av de kritiske trinn i syntesen er identifisering av passende reduksjonsprosess for metallsalter og egnet overflateaktivt middel som en stabilisator. Videre utforming av millifluidic kanalen og valg avkorrekte flytrater er viktig. Siden de nåværende millifluidic brikkene er gjort ved hjelp av polymerer, blir reaksjonene begrenset til vann-baserte reaksjoner, og de som kan bli utført ved romtemperatur. Imidlertid, ved hjelp av egnede høytemperatur stabile polymere chips eller borsilikat-baserte chips, kan man utføre reaksjonen ved høyere temperaturer, så vel ved hjelp av organiske løsningsmidler.

For de tid-løst kinetiske studier, er in situ dannelse av gull nanopartikler med start fra forstadiet gullsalt ble undersøkt i sanntid ved hjelp av in situ X-ray absorpsjon-spektroskopi ved å konvertere romlig oppløsning i tidsoppløsning. Det første tegn på dannelsen av gull nanopartikler med Au-Au binding ble kun observert etter tilsetningen av NaBH4 i motsetning til resultatene fra undersøkelser av Tsukuda og medarbeidere 19. De rapporterte dannelsen av metallisk Au 13 (DMSA) 8 klynger med Au-Au bonding på Mixing av de samme utgangsstoffer i en tradisjonell kolbe-syntese. Teknikken er derfor verdifull i å observere reaksjonsmellomprodukter ved-oppløsning som ikke er mulig i en tradisjonell kolbe basert reaksjon.

En av de største fordelene med å bruke millifluidic systemer for tiden løst kinetisk studie er på grunn av muligheten til å ha høyere konsentrasjoner som gjør det mulig bedre signal til støyforhold når reaksjonene blir undersøkt in situ. I dagens system for begrensning er at det bare vanskelig røntgenstråler kan brukes til å undersøke reaksjonen ved hjelp XAS. For å undersøke de reaksjoner ved hjelp av spektroskopi andre teknikker som for eksempel UV-VIS-spektroskopi, er millifluidic chips må ha optiske vinduer. Igjen, med de eksisterende oppsett, kunne man bare sonde vannbaserte reaksjoner og ved romtemperatur.

Katalyse ved hjelp av gull-baserte katalysatorer innen batch prosesser er velkjent og meget aktivt fulgt forskning. Imidlertid SAmeg er ikke sant for kontinuerlig flyt katalyse. I denne undersøkelse viser vi kontinuerlig strøm katalytiske aktivitet av gull-katalysatorer som dannes innenfor den millifluidic chip for reduksjon av fire-NP til 4-AP-22, som ble brukt som et eksempel. Resultatene viste over 90% omdannelse av 4-NP med gull-katalysator ved hjelp av kontinuerlige strømningskatalyse tilnærming. En av de store fordelene med denne metoden fremfor batch katalyse prosessen er gjenbruksverdien av katalysatoren. For eksempel ble katalysatoren på nytt mer enn 40 sykluser (80 timers reaksjonstid), og fremdeles var aktiv.

Fordelene med å bruke dagens system for kontinuerlig flyt katalyse er at kanalene er mindre sannsynlig å bli tilstoppet av katalysatoren i motsetning til det som er rapportert i litteraturen ved hjelp microfluidic systemer 23,24. Enda en annen fordel er muligheten til å sondere katalyse reaksjon in situ når det skjer for å forstå den katalyse reaksjonsmekanisme. Curleie begrensninger systemet for kontinuerlig strømning katalyse er at kun vannbaserte løsningsfasekatalyse reaksjoner kan utføres og som også kun ved romtemperatur. Ytterligere modifikasjoner av anordningen er nødvendig for å muliggjøre gass-fase kontinuerlige strømningskatalyse, enten ved romtemperatur eller ved høyere temperaturer.

I sammendraget, vi demonstrere to viktigste egenskapene til millifluidic reaktorer. For det første kan den brukes som et verktøy for kontinuerlig strømning kjemisk syntese, og andre, som en allsidig probe for tiden løst kinetiske studier av kjemiske reaksjoner. I tillegg viser vi at en millifluidic enhet kan benyttes både som et pedagogisk verktøy for å lære om lab-on-a-chip-enheter, og også som en enkel, brukervennlig og håndholdt enhet for kjemisk syntese og in situ probe for kjemiske reaksjoner.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Alle forfattere unntatt CSSR Kumar erklærer at de ikke har noen konkurrerende finansielle interesser. C. SSR Kumar er grunnlegger av selskapet Millifluidica LLC.

Acknowledgments

Dette forskningsarbeidet er støttet som en del av Senter for Atomic nivå Catalyst Design, en Energy Frontier Research Center finansiert av US Department of Energy, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences i henhold Award Antall DE-SC0001058 og også støttet av styret Regents under tilskudd award nummer LEQSF (2009-14)-EFRC-MATCH og LEDSF-EPS (2012)-OPT-IN-15. MRCAT operasjoner er støttet av Department of Energy og MRCAT medlemsinstitusjoner. Bruken av Advanced Photon Source på ANL er støttet av US Department of Energy, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences under kontrakt nummer DE-AC02-06CH11357. Økonomisk støtte til JTM ble gitt som en del av Institutt for Atom-effektive kjemiske transformasjoner (IACT), en Energy Frontier Research Center finansiert av US Department of Energy, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences.

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

Bioteknologi Millifluidics Millifluidic Device tids løst Kinetics Synthesis katalyse Nanomaterialer Lab-on-a-Chip
Millifluidics for kjemisk syntese og Time-løst mekanistiske studier
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