Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

Kimyasal Sentez ve Zaman-çözülmesi Mekanistiksel Çalışmaları Millifluidics

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

Millifluidic Nanomalzemelere aygıtları, tepkime mekanizmaları ve sürekli akış kataliz zaman çözümlü bir analiz olarak kontrol edilen sentez için kullanılmaktadır.

Abstract

Kimyasal sentez ve zaman çözümlü bir mekanik çalışmalar için millifluidic cihazlarını kullanan işlemler üç örnek alınarak açıklanmıştır. İlk olarak, çok küçük bakır nanoklastırlaar sentezi tarif edilmektedir. İkinci örnek yerinde X-ışını soğurma spektroskopi kullanarak altın nanoparçacık oluşumunu analiz kimyasal reaksiyonların zaman çözülmesi kinetik soruşturma için kendi yarar sağlar. Nihai örneğin nano yapılı katalizör ile kaplanmış kanal iç millifluidic reaksiyonlar sürekli akış kataliz gösterir.

Introduction

Kimyasal sentez için lab-on-a-chip (LOC) cihazları artmış kütle ve ısı transferi, üstün reaksiyon kontrolü, yüksek verim ve daha güvenli bir çalışma ortamı 1. açısından önemli bir avantaj göstermiştir. Bu cihazlar geniş yonga tabanlı akışkansal ve nonchip bazlı akışkan cihazlara ayrılabilir. Çip tabanlı akışkansal arasında, Mikroakiskan iyi incelenmiş ve konu literatürde 2-5 iyi kaplı. Nonchip tabanlı LOC sistemleri tubular reaktörler 6 kullanın. Geleneksel olarak, mikroakışkan sistemleri tam kontrol ve geometrik milimetre altı ölçeğe kısıtlı sıvıların manipülasyonu için kullanılır. Son zamanlarda (genişlik veya derinlik ya da kanalların iki ya da boyutu en az bir milimetre) 7-9 milimetre ölçeğinde kanallarında sıvıların manipülasyonu için kullanılabilecek çipli millifluidics, kavramını var. Ayrıca, millifluidic cips WHI imal etmek nispeten kolaydırle akış oranları ve reaktiflerin manipülasyon üzerinde benzer bir kontrol sunuyor. Bu yongalar, aynı zamanda daha dar bir boyut dağılımına sahip nanopartiküller kontrollü sentezinin ölçek büyütme için olanak sağlar, ve böylece, daha az kalma süreleri oluşturma, daha yüksek akış hızlarında çalıştırılabilir. Örnek olarak, biz son zamanlarda ultra-küçük bakır nanoklastırlaar sentezini gösterdi ve yerinde X-ışını soğurma spektroskopisi kullanarak yanı sıra TEM onları karakterize var. Bakır nanoklastırlar 7 istikrarlı koloitlerin oluşumu için çok etkili iki dişli PEG'lenmiş stabilize edici madde, MPEG, kullanımı ile kombine millifluidic kanal içinde küçük kalma süreleri elde etmek için yeteneği.

Kimyasal ve nanomalzemelerin sentezine ek olarak, millifluidics nedeniyle prob alanında yüksek satış hacmi ve konsantrasyonu, daha genel ve verimli bir zaman çözümlü bir kinetik çalışmalar için ve aynı zamanda achie olan sentetik bir platforma, sunabilirakışkan sistemleri 7,10 daha gürültü oranı daha iyi sinyal ves. Biz 5 msn 11 gibi küçük bir zaman çözünürlüğü ile in situ XAS kullanılarak çözeltiden altın Nano büyümesinin zaman çözüldü analizi için bir örnek olarak millifluidic çip kullanımını göstermektedir.

Ayrıca, kataliz uygulamaları için bugüne kadar geliştirilen mikro reaktörlerin çoğunluğu silikon 12,13 dayanmaktadır. Oluşturulan küçük birimlere ek olarak kendi pahalı üretim büyük ölçekli üretim için onları uygun hale getirir. Nanocatalysts ile kanal kaplanması için iki genel yöntem - kimyasal ve fiziksel, genellikle silikon kaplama işlemleri olarak adlandırılan, rağbet 14,15 şu anda. Mikro pahalı imalat ek olarak, kanalların tıkanması mikro reaktör kataliz büyük ölçekli üretim için uygun olabilir hale getirir. Microreactors mikro sürekli akış geçiş işlemleri earli heterojen kataliz için kullanılmış olsa da16-18 er, boyut kontrol yeteneği ve sürekli akış kanalları içinde gömülü altın nano yapılı katalizörler morfolojisi önce keşfedilmeyi değildi. Biz son zamanlarda, Au katalizörü ile millifluidic kanalları kaplanması için bir teknoloji geliştirdik nano morfolojisi ve boyutları (Şekil 5) 11 kontrollü olan, endüstriyel önemli kimyasal reaksiyonlar katalizini yürütülmesi için. Bir örnek olarak millifluidic kanalları içinde kaplanmış altın nano yapılı ile katalize 4-aminofenol, 4-nitrofenol dönüşüm göstermiştir. Tek bir millifluidic reaktör çip 50-60 ml / saat, 7 yüksek verimlilik ve kimyasalların kontrollü sentezinin akış oranlarını üretebilir olduğu göz önüne alındığında, ya sürekli akış işletim veya paralel işleme ile mümkündür.

Millifluidics yukarıda tarif kaç örnekle, teklif olanakları yararlanmak için, biz de göstermek kullanıcı dostu birtaşınabilir ve var millifluidic cihaz gibi millifluidic cips, manifoldlar, akış kontrol, pompa ve elektrik bağlantıları gibi tüm gerekli bileşenleri entegre. Böyle bir millifluidic cihazı, Şekil 7'de gösterildiği gibi, hemen işletme Millifluidica LLC (edinilebilir www.millifluidica.com ). Makale ayrıca nanomalzemelerin, tepkime mekanizmaları ve sürekli akış kataliz zaman çözümlü analizi kontrol sentezi için, aşağıda tarif edildiği gibi, elde tutulan cihazı kullanılarak millifluidic protokolleri sağlar.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Millifluidics set-up: 220 mm (L) x 2 mm (W) x 0.15 mm (Y) boyutlarında serpantin kanalları var Microplumbers Microsciences LLC, dan (polyester tereftalat polimerden yapılmış) bir millifluidic çip satın alın. Pompaya çip bağlamak için 0.25 mm ID boyutlarında, OD 1/16, FEP Boru kullanın. İki farklı deneyler için iki farklı pompalar kullanarak. İlk deneyde (bakır nanopartikülleri) ve ikinci deney (altın nanopartiküller) için millifluidic cihaz için kullanın P-Pompa. , Kanalların içinde gaz kabarcıklarının problemi en aza indirmek için, yeni hazırlanmış bir NaBH4 solüsyonu, gaz kabarcıkları çözelti kaçmak böylece yonga içine pompalama önce ~ 10-15 dakika boyunca beklemeye açık bırakıldı. Bu adım bizim deneyler için tüm izledi.

1.. Ultra-küçük Bakır Nano Kümeler (UCNCs) sentezi

  1. Gerekli Kimyasallar: bakır elde (II) nitrate hidrat, sodyum borohidrid, sodyum hidroksit peletleri ve O-[2 - (3-mercaptopropionylamino) etil]-O'-metilpolietilen glikol (MW = 5,000) [MPEG] ve daha fazla arıtılmadan tüm kimyasal kullanımı. Deney için nanopure su (M 18.2 cm) kullanın.
  2. Kullanım P-Pompa deney için azot basıncı altında düzenlenmiştir. Karşılık gelen akış oranı (ml / s) ile ilişkili önce deney için farklı basınçlarda çözücü olarak su ile pompalar edin. Deneyin başlamasından önce deiyonize su ile millifluidic reaktör ve boru durulayın.
  3. Bakır ve 174 mg (0.95 mmol) çözündürülür (II) nitrat ve O-[2 - (3-mercaptopropionylamino) etil] 610 mg (0.122 mmol) bir in-O'-metilpolietilen nanopure 28 ml su içinde tutmak glikol ve bunların bir giriş kanalı ile bağlanacak şişe
  4. Farklı bir şişe içinde bir sodyum borohidrit çözeltisi 111 mg (2.93 mmol) ve 102 mg (2.78 mmol) 28 ml sodyum hidroksit (pH ~ 13) tutun ve ile bağlamakDiğer giriş kanalı.
  5. Farklı akış hızları (aşağıda verilmiştir) de millifluidic reaktör içinde aynı anda her iki çözüm akış ve bir cam şişe içinde çıkışında elde edilen UCNCs toplar. Azot ile temizleyin ve bu çözelti, azot altında depolanır.
  6. Sentezi için, oda sıcaklığında 50 mbar (6.81 ml / saat), 100 mbar (14.31 ml / saat), 200 mbar (32.7 ml / saat) ve 300 mbar (51.4 ml / saat) farklı sabit basınçlar altında pompaları çalıştırın farklı akış hızlarında UCNCs.

Sentez prosedürü P-pompa ile millifluidic düzen kullanılarak gösterilmiştir, aynı zamanda Millifluidica gelen el millifluidic cihazı kullanılarak gerçekleştirilebilir.

2. Zaman Altın Nanopartikül Formation in situ Kinetik Çalışmaları Çözüldü

  1. Gerekli Kimyasallar: chloroauric asit (. HAuCl 4 3H 2 O) mezo-2 ,3-dimerkaptosüksinik asit (DMSA) ve sodyum bor hidrür & # Edinme160, ve daha fazla arıtılmadan tüm kimyasal kullanımı. Deney için nanopure su (M 18.2 cm) kullanın.
  2. Tam otomatik, nabız ücretsiz şırınga pompaları çip içerisindeki sıvıları akmaya, yüksek hassasiyet kullanın. Gerekli akış hızını optimize etmek üzere önceki deney için farklı akış hızları ile, çözücü olarak, su ile pompalar edin.
  3. (I) 4 HAuCl standart solüsyonları hazırlayın. 3H 2 O (10 mmol, 118.2 mg/30 mi) ve NANOpure içinde bir sodyum hidroksit (pH 12), 50 mg (ii) DMSA (20 mmol, 109.2 mg/30 mi) su.
  4. Otomatik bir pompa kullanılarak 10 ml / st 'lik bir sabit akış hızında millifluidic yonga iki ayrı şırınga yoluyla iki çözüm besleyin.
  5. Çift XYZ yönde hareket erişimi vardır ve çözeltiler çip pompalandı olarak çip üzerine farklı bölgelere XAS veri toplama, bir metal kademesi kullanılarak senkrotron ışın hattına millifluidic çip.

<Süreem> in situ analiz prosedürü P-pompa ile millifluidic düzen kullanılarak gösterilmiştir, aynı zamanda, elde tutulan millifluidic cihazı kullanılarak gerçekleştirilebilir.

3. Sürekli Akış Altın kataliz

Bu prosedür, bir el millifluidic cihazı kullanılarak gösterilmiştir.

  1. Gerekli Kimya: chloroauric asit (. HAuCl 4 3H 2 O), meso-2 ,3-dimerkaptosüksinik asit (DMSA), sodyum borohidrit, 4-nitrofenol, 4-amino fenol elde edilir ve daha fazla saflaştırma olmadan tüm kimyasallar kullanın. Deney için nanopure su (M 18.2 cm) kullanın.
  2. Katalizör hazırlanması:. HAuCl 4 standart çözeltiler hazırlayın 3H 2 O NANOpure (10 mmol, 118.2 mg/30 mi), DMSA (20 mmol, 109.2 mg/30 mi) ve NaBH4 (10 mmol, 11.34 mg/30 mi) su.
  3. Iki ayrı şişelere HAuCl 4 ve DMSA çözeltilerin her biri 10 mi almak ve inci akış45 dakika boyunca 12 ml / st 'lik muntazam bir akış hızı ile elde tutulan millifluidic cihazı kullanarak çip içinde em.
  4. Au Au (I) 'e düşürmek için, 15 dakika boyunca 12 ml / saat akış hızı ile çip içinde 10 mmol 4 Akış NaBH (0).
  5. Son olarak, kataliz deneyler yapmadan önce, aynı akış hızında 30 dakika boyunca nanopure su ile çip yıkayın.
  6. Kataliz reaksiyonu: aşağıda verilen altın katalizörü (yukarıda hazırlanmıştır) içinde 4-aminofenol (4-AP), 4-nitrofenol kimyasal dönüşüm reaksiyonu (redüksiyon) (4-NP) gerçekleştirme millifluidic kanal kaplama.
  7. 4-nitrophenolate iyon (4-NPI) oluşturmak için 0.65 mol NaBH4 çözeltisi 3.3 ml 4-NP 9 x 10 -5 mol solüsyonu 15 ml karıştırın.
  8. Katalitik etkinliğini değerlendirmek için 5 ml / sa 'lik bir sabit akış hızında çip içinde biriken altın katalizör üzerinden elde edilen solüsyonu geçirir. 250-50 dalga boyu aralığında toplanan ürünlerin UV-Vis spektrumu Analiz0 nm 4-NP dönüşüm onaylayın.
  9. 4-NPI kalibrasyon eğrisi elde reaksiyonun katalitik aktivitesini tahmin. Kalibrasyon eğrisi farklı standart konsantrasyonlarda 4-NPI, deneysel olarak gözlemlenen emme yoğunluğunu (I) çizilerek elde edilebilir. UV-Vis absorpsiyon eğrileri için (399 nm) pik yükseklikleri emme yoğunluğunu (I) değerleri temsil ve Bira Lambert'in yasaya göre, tepe yüksekliği değerinde herhangi bir değişiklik konsantrasyonu karşılık gelen değişiklik gösterecektir. Bu nedenle, kalibrasyon eğrisinden reaktifin ilk ve son konsantrasyonlarında fark bularak katalitik aktivitesini tahmin ediyoruz. Pik yüksekliği 1 ünite (Şekil 6) ise, örneğin, bu (kalibrasyon grafiği göre)% 90 katalitik bir dönüşüm karşılık gelir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Iyi dağıtılmış ve dar bir boyut dağılımı ile muntazam boyutlu bakır nanoklastırlar millifluidic yonga setup (Şekil 1a) kullanılarak elde edildi. Sentezi için kullanılan farklı akış hızları kümelerin boyutu üzerinde önemli bir etkiye sahip değildi. Bununla birlikte, akış hızındaki artış ile, boyut dağılımının daralması gözlenebilir bir gelişme yoktur. En iyi dar bir boyut dağılımına sahip UCNCs 32,7 ml / saatlik bir akış hızı ile elde edildi. 32,7 ml / saat akış hızı ile oluşturulan UCNCs büyüklüğü 1,2 nm'de (Şekil 1b) arasında bir ortalama çapa sahiptir.

Zaman çözümlü bir in situ XAS kurulumu, Şekil 2a olarak gösterilmektedir. Deneysel prosedürde tarif edildiği gibi, çip millifluidic doğrudan monokromatikleştirilmeyen sinkrotron ışın yolunda bir metal sahne üzerine monte edilir ve kiriş çip üzerinde istenen bölgesi boyunca geçirilir şekilde ayarlandı. Akış koşulları optimize sonra, ön-madde malzemeleri (chloroauric asit (4 HAuCl 3-kenarında Spektrumlar, 0.05 mm x 0.05 mm arasında bir X-ışını boyutu ile problanmıştır beş farklı bölgelerinde elde edilmiştir. Bu spektrumu analizine göre, prekürsör çözeltisinde ilk değişiklikler Au x S y oluşumu ile bölge 5 çevresinde yer alan bulunmuştur - 21 Au (I) oksidasyon durumu ile 2 arasında bir Au / S oranı yakın olan nanoklastırlar. Şek. 3a spektrumları, Au (III) oksidasyon durumu olan, ön-madde, HAuCl 4 varlığını gösteren bölge 3 de elde edilen spektrum ile, farklı bölgeler, toplanan Au L 3-edge XANES göstermektedir. Şek. Au 4 x S y numunenin transmisyon elektron mikroskobu (TEM) görüntüsünü gösterir - bölge 5 toplanan 1-2 nm boyutta nanoklastırlar. EXAFS Analy dayanaraksis ve lineer kombinasyonu altın varak ve bölge 5 incelenir numunenin altın sülfit referans bileşikler ile uydurma, biz de örnek S x, bir öncünün karışımı altın tuzu (HAuCl 4% 40) ve Au% 60 olduğunu teyit edebilir y - nanoyığınlar (Şekil 3b). Au x S y oluşumu - nanoklastırlar ilk 0,235 mmol / saniye idi, bu noktada reaksiyonun başlangıcında ve reaksiyon hızı (ön-maddeleri tüketimi kullanılarak hesaplanır) sonra, 17 saniye gözlendi. Nanoklastırlar - Hayır metalik altın nanopartikülleri da 12-24 saat tepkimeden ve tek Au x S y ihtiva kararlı koloit sonra elde edildi. Yongası ile NaBH 4 geçtikten sonra, EXAFS analiz nanoklastırlaar bağ uzunlukta Au Au indirgenmesini (I) gösteren 2.86 Â (Au-Au) için 2.30 Â (Au-S) artış gösterdi (0) (Şekil 3c). Uzamış üzerindeyarı küresel mikro şeklinde millifluidic kanalları içinde yatakları (Şekil 5) - öncüleri (9H), Au x S y akma süresi.

Kataliz deney için, 4-AP için 4-NP dönüşüm standartların spektrumları (Şekil 6a) göre elde edilen ürünlerin UV-Vis analizine dayalı gözlenmiş, NaBH4 ile karıştırıldığında bir görebilmesi 4-NP (316 nm λ max) absorpsiyon spektrumu, başka bir reaksiyon için en millifluidic kanal aracılığıyla akan 4-AP (301 nm λ max) dönüştürüldü 4-NPI oluşumunu gösteren 399 nm kaydırıldı nano yapılı altın içeren merkezinde biriken. Dönüştürme bir altın yoksun bir çip sadece% 20 iken,% 90.5 dönüşüm oranı altın tevdi çip içinde 4-AP (Şekil 6b) 4-NP gözlemlendi. En önemlisi, altın katalizör catalyticall olduğu bulunduHatta reaksiyon 80 saat sonra aktif y. Sonuçlar, sürekli akış kataliz için millifluidics önemini gösterir.

Şekil 1
Şekil 1: Reaksiyon şeması ~ 32.7 mL / saat 'lik bir akış oranı ile millifluidic çipi kullanılarak oluşturulan 1,2 nm UCNCs (çoğaltılmıştır (b) bir TEM görüntüsü ile birlikte UCNCs sentezi için millifluidic platformun (a) şematik bir temsili referans izni ile 7).

Şekil 2,
Şekil 2: (a) zaman çözümlü bir kinetik çalışmaları ile belirgin z (b) Millifluidic çip in situ analiz XAS set-upin situ XAS gerçekleştirilir olanlar (ref izniyle yayınlanmıştır. 7, Telif WileyVCH Verlag GmbH & Co KGaA, 2012).

Şekil 3,
Şekil 3: (a) L Madde Au bölgesi 3 (kırmızı) 3 kenar bölgesi 5 (mavi) ve aynı zonlarda zonunda 5 12 saat sonra (siyah) (b) EXAFS spektrumları (c) EXAFS gösteren, spektrumları XANES NaBH4 azaltma (kırmızı) sonra au folyo (siyah) ve numune, (-) Fourier büyüklüğünü dönüşümü ve Fourier (---) sanal bileşen dönüşümü (referans 11 çoaltilmitir).

Şekil 4,
Şekil 4: TEMAu x S y görüntü - nanoyığınlar (referans 11 çoaltilmitir)

Şekil 5,
Şekil 5: kaplama süresi 9 saat sonra millifluidic kanalı içinde oluşturulmuş altın katalizörün farklı büyütme SEM görüntüleri.

Şekil 6,
Şekil 6: UV-Vis spektrumu (a) 4-NP, 4-NPI ve 4-AP'nin (b) 4-NPI dönüştürülmesi ile ve altın olmayan bir millifluidic çip reaktör içinde 4-AP (referans 11 yayınlanmıştır) için .

Şekil 7 Şekil 7: Deneylerde kullanılan Elle tutulan millifluidic cihazı.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

-O'-metilpolietilen glikol (MW = 5,000) [MPEG] - UCNCs polimerik kapatma maddesi O-[(3-Mercaptopropionylamino) etil 2] mevcudiyetinde sodyum borohidrit ile bakır nitrat indirgeme reaksiyonu ile oluşturulmuştur. Reaksiyon, 6.8 ml / saat, 14,3 ml / saat, 32.7 ml / st ve oluşan UCNCs on akış hızlarının etkisini incelemek için 51.4 ml / saat olarak farklı akış-oranlarda millifluidic çip reaktör içinde gerçekleştirilmiştir. Yukarıda akış oranları için, ilgili kalış süreleri 47.49, 24.44, 16.56 ve 9.02 saniyedir. Tüm bu akış hızlarında elde kolloidal bakır kümeleri atıl koşullar altında üç aya kadar stabil idi. 1.2 nm ortalama parçacık boyutuna sahip dar bir boyut dağılımı, 32,7 ml / saat akış-oranı için elde edilmiştir.

Özellikle genel ve nanoparçacık sentezi kimyasal sentezi için Mikroakiskan üzerinde millifluidics kullanmanın başlıca avantajlarından biri yüksek akış oranları elde etmek imkanı vardır. EXA içinve arayüz 10-100 um kanal boyutlarına sahip olan elde edilebilir tipik akış hızları 0,03-4 ml / st 20 aralığında iken ör., 51.4 ml / st kadar yüksek akış oranları bizim deney gözlenmiştir. Bu Millifluidica arasındaki millifluidic cihaz kullanıldığında, daha yüksek akış oranları (örneğin,> 3 ml / dak) ulaşmak mümkün olmuştur. Nedeniyle bu tür yüksek akış oranları kaynaklanan akışkan özellikleri hala sayısal simülasyonlar aracılığıyla yanı sıra deneysel belirlenen Mikroakiskan durumunda benzer gibi laminer akış gibi özellikleri korudu. Örneğin, hesaplanan Reynolds numaralarına laminar akış doğruladı ve Peclet sayı aralığı, iki giriş karıştırma konveksiyon hakim olduğunu gösterdi.

Sentezde önemli adımlar bazı metal tuzları için uygun indirgeme işleminin kimlik ve bir dengeleyici olarak uygun yüzey aktif madde vardır. Buna ek olarak, millifluidic kanal seçimi ve tasarımıDoğru akım hızları önemli. Mevcut millifluidic yongaları kullanılarak yapılan polimerler için, reaksiyonlar, su bazlı reaksiyonları ve oda sıcaklığında gerçekleştirilebilir olanlar ile sınırlıdır. Ancak, uygun yüksek sıcaklık kararlı polimer cips veya borosilikat-tabanlı çipleri kullanarak, organik çözücüler kullanılarak hem de daha yüksek sıcaklıklarda reaksiyonlar yapabilir.

Zaman çözümlü bir kinetik çalışmalar için, ön-madde altın tuzunun başlangıç ​​altın nanopartiküllerinin in situ oluşumu zaman çözünürlüğü içine uzaysal çözünürlüğü dönüştürerek in situ X-ray absorpsiyon spektroskopisi kullanarak gerçek zamanlı olarak problanmıştır. Au-Au bağ ile altın nanopartiküllerinin oluşması ilk kanıt tek Tsukuda ve arkadaşları tarafından 19 incelemelerin sonuçları farklı olarak, NaBH4 ilave edildikten sonra gözlenmiştir. Bunlar metalik Au 13 (DMSA) Mixi üzerine Au-Au bağı ile 8 kümeleri oluşumunu bildirmiştirgeleneksel bir şişe sentezde aynı prekürsörlerinin ng. Bu teknik, bu nedenle, geleneksel bir şişe göre reaksiyonda mümkün değildir zamanlı çözünürlükte reaksiyon ara maddeleri gözlem değerlidir.

Kinetik çalışma çözüldü kez millifluidic sistemleri kullanarak en büyük avantajlarından biri, in situ reaksiyonları sondalandı zaman gürültü oranı daha iyi bir sinyal sağlayacaktır daha yüksek konsantrasyonlarına sahip olma olasılığı kaynaklanmaktadır. Mevcut sistemde sınırlama sadece sert X-ışınları XAS kullanan reaksiyonu araştırmak için kullanılabilir olmasıdır. UV-VIS spektroskopi gibi diğer spektroskopi teknikleri kullanılarak reaksiyonları araştırmak amacıyla, millifluidic cips optik pencere olması gerekir. Yine, mevcut set-up ile, bir tek su bazlı reaksiyonları ve oda sıcaklığında sonda olabilir.

Toplu iş süreçleri içinde altın bazlı katalizörler kullanılarak kataliz iyi bilinen ve çok aktif bir araştırma takip olduğunu. Bununla birlikte, same sürekli akış kataliz için doğru değildir. Bu çalışmada, bir örnek olarak kullanılan 4-AP 22, 4-NP azaltılması için millifluidic çip içinde oluşan altın katalizörler sürekli akış katalitik aktivitesini göstermektedir. Sonuçlar, sürekli akış kataliz yaklaşım kullanılarak altın katalizörü ile 4-NP% 90 dönüşüm gösterdi. Toplu kataliz süreci boyunca bu yöntemin önemli avantajlarından biri, katalizörün yeniden kullanılabilirliği olan. Örneğin, katalizör, 40 döngü boyunca (tepkime süresi 80 saat) yeniden kullanılabilir ve halen aktif olarak kaldı.

Sürekli akış kataliz için mevcut sistemin kullanmanın avantajları mikroakışkan kanal sistemleri kullanılarak 23,24 literatürde rapor farklı olarak katalizatör ile tıkanmış daha az olmasıdır. Bir diğer avantajı da kataliz reaksiyon mekanizmasını anlamak için olduğu gibi in situ reaksiyonu kataliz araştırmak için yeteneğidir. CurSürekli akış kataliz için sistemin kira sınırlama sadece su bazlı çözelti fazlı kataliz reaksiyonları gerçekleştirilir ve de sadece bu, oda sıcaklığında olabilir bulunmaktadır. Cihazın başka modifikasyonlar gaz fazı sürekli akış kataliz, oda sıcaklığında veya daha yüksek sıcaklıklarda, ya sağlamak için gereklidir.

Özet olarak, millifluidic reaktör iki önemli özelliklerini göstermektedir. Bir süre için çok yönlü bir prob kimyasal reaksiyonlar kinetik çalışmalar çözüldü İlk olarak, bu sürekli akış kimyasal sentez ve ikinci için bir araç olarak kullanılabilir. Buna ek olarak, biz bir millifluidic cihaz lab-on-a-chip cihazlar hakkında öğrenme ve aynı zamanda basit, kullanıcı dostu ve kimyasal sentez ve in situ soruşturmada el cihazı gibi bir eğitim aracı olarak hem de kullanılabilir olduğunu göstermektedir kimyasal reaksiyonlar.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

CSSR Kaya hariç tüm yazarlar hiçbir rakip mali çıkarlarını olmadığını beyan ederim. C. SSR Kumar şirketin Millifluidica LLC kurucusudur.

Acknowledgments

Bu araştırma çalışmaları Atomik Seviye Catalyst Tasarım, ABD Enerji Departmanı, Bilim, Ödül sayısı DE-SC0001058 altında Temel Enerji Bilimler Dairesi Başkanlığı tarafından finanse edilen bir Enerji Frontier Araştırma Merkezi Merkezi'nin bir parçası olarak desteklenen ve aynı zamanda Yönetim Kurulu tarafından desteklenmektedir hibe ödül numarası LEQSF (2009-14)-EFRC-MAÇ ve LEDSF-EPS (2012)-OPT-IN-15 altında Vekaleti. MRCAT işlemleri Enerji Bakanlığı ve MRCAT üye kurumlar tarafından desteklenmektedir. ANL de Gelişmiş Foton Kaynak kullanımı, Sözleşme No: DE-AC02-06CH11357 altında ABD Enerji Departmanı, Fen Bilimleri, Temel Enerji Bilimler Dairesi Ofisi tarafından desteklenmektedir. Jtm için mali destek Atom verimli Kimyasal Dönüşümler Enstitüsü (İAİS), ABD Enerji Bakanlığı tarafından finanse edilen bir Enerji Frontier Araştırma Merkezi, Bilim Ofisi, Temel Enerji Bilimler Office'in bir parçası olarak sağlandı.

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

Biyomühendislik Sayı 81 Millifluidics Millifluidic Cihaz Zaman çözülmesi Kinetik Sentez kataliz Nanomalzemeler Lab-on-a-Chip
Kimyasal Sentez ve Zaman-çözülmesi Mekanistiksel Çalışmaları Millifluidics
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