Millifluidics til kemisk syntese og tidsopløste mekanistiske undersøgelser

Bioengineering

Your institution must subscribe to JoVE's Bioengineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

Welcome!

Enter your email below to get your free 1 hour trial to JoVE!





We use/store this info to ensure you have proper access and that your account is secure. We may use this info to send you notifications about your account, your institutional access, and/or other related products. To learn more about our GDPR policies click here.

If you want more info regarding data storage, please contact gdpr@jove.com.

 

Summary

Millifluidic enheder er brugt til styret syntese af nanomaterialer, tidsopløst analyse af reaktionsmekanismer og kontinuerlig strøm katalyse.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

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

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Procedurer, som anvender millifluidic udstyr til kemisk syntese og tidsopløste mekanistiske undersøgelser er beskrevet ved at tage tre eksempler. I den første, er syntese af ultra-små kobber nanoclusters beskrevet. Det andet eksempel giver deres anvendelighed til undersøgelse tid løst kinetik kemiske reaktioner ved at analysere guld nanopartikel dannelse ved hjælp af in situ røntgen absorption spektroskopi. Det sidste eksempel viser kontinuerlig strøm katalyse af reaktioner inde millifluidic kanal overtrukket med nanostrukturerede katalysator.

Introduction

Lab-on-a-chip (LOC) enheder til kemisk syntese har vist signifikant fordel i form af øget masse og varmeoverførsel, overlegen reaktion kontrol, high throughput og sikrere drift miljø 1. Disse enheder kan groft inddeles i chip baserede fluidik og nonchip baseret fluidic enheder. Blandt de chip-baserede fluidik er mikrofluidik godt undersøgt, og et emne godt dækket i litteraturen 2-5. Nonchip baseret LOC systemer bruger rørreaktorer 6. Konventionelt mikrofluide systemer anvendes til præcis styring og håndtering af væsker, der er geometrisk begrænsede til submillimeter skala. Vi har for nylig indført begrebet chipbaserede millifluidics, som kan anvendes til manipulation af væsker i kanaler i millimeterskala (enten bredde eller dybde eller begge af kanalerne er mindst en millimeter i størrelse) 7-9. Desuden er relativt let at fremstille whi de millifluidic chipsle tilbyde lignende kontrol over flowhastigheder og manipulation af reagenser. Disse chips kan også betjenes ved højere strømningshastigheder, skaber mindre opholdstider dermed giver mulighed for opskalering af kontrolleret syntese af nanopartikler med snævrere størrelsesfordeling. Som et eksempel har vi for nyligt vist, at syntesen af ultrasmå kobber nanoklynger og karakteriseret dem ved hjælp af in situ-røntgen-absorptionsspektroskopi samt TEM. Evne til at opnå små opholdstider inden millifluidic kanaler i kombination med anvendelsen af MPEG, som er meget effektiv bidentat PEGyleret stabiliserende middel til dannelse af stabile kolloider af kobber nanoklynger 7.

Ud over syntesen af ​​kemikalier og nanomaterialer, kunne millifluidics tilbyder, på grund af større volumen og koncentration ved sonden, et syntetisk platform, der er mere generel og effektiv for tidsopløst kinetikstudier og også achieves bedre signal-støj-forhold end mikrofluide systemer 7,10 til. Vi viser anvendelsen af millifluidic chip som et eksempel på tidsopløst analyse af væksten af guld nanostrukturer fra opløsning under anvendelse af in situ XAS med en tidsopløsning så lille som 5 msek 11.

Desuden er størstedelen af de mikro-reaktorer, der er udviklet til dato for katalyse applikationer baseret på silicium 12,13. Deres dyre fabrikation i tillæg til små volumener genereres gør dem uegnede til stor skala produktion. De to generelle metoder til at overtrække kanaler med nanocatalysts - kemiske og fysiske, der ofte omtales som silicium belægning procedurer, er i øjeblikket på mode 14,15. Ud over dyre mikro fabrikation, tilstopning af kanalerne gør mikroreaktor katalyse kan være uegnet til fremstilling i stor skala. Selv mikroreaktorer har været brugt til heterogen katalyse i mikro kontinuerlig gennemstrømning processer earliare 16-18, blev evnen til at styre dimensionen, og morfologi af de indlejrede guld nanostrukturerede katalysatorer inden kontinuerlige strømningskanaler udforsket aldrig før. Vi har for nylig udviklet en teknologi til at overtrække millifluidic kanaler med Au-katalysatorer, at det er kontrolleret nano morfologi og dimensioner (figur 5) 11, til udførelse af katalyse af industrielt vigtige kemiske reaktioner. Som et eksempel har vi vist, omdannelse af 4-nitrophenol i 4-aminophenol katalyseret af nanostrukturerede guldbelagt inden millifluidic kanaler. I betragtning af at en enkelt millifluidic reaktor chip kan producere strømningshastigheder på 50-60 ml / time, 7 high-throughput og kontrolleret syntese af kemikalier er muligt enten ved kontinuerligt flow drift eller parallel behandling.

For at udnytte de muligheder millifluidics tilbyder, med få beskrevet som ovenfor eksempler vi også vise en brugervenligmillifluidic enhed, der er transportabel og har alle de nødvendige komponenter såsom millifluidic chips, mangfoldigheder, flow controllere, pumper og elektriske forbindelser integreret. En sådan millifluidic enhed, som vist i figur 7, er nu tilgængelig fra firmaet Millifluidica LLC ( www.millifluidica.com ). Håndskriftet tilvejebringer også protokoller anvender håndholdte millifluidic enhed, som beskrevet nedenfor, til styret syntese af nanomaterialer tidsopløst analyse af reaktionsmekanismer og kontinuerlig strøm katalyse.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Millifluidics set-up: Køb et millifluidic chip (lavet af polyesterterephthalat polymer) fra Microplumbers Microsciences LLC, som har Serpentine kanaler med dimensioner 2 mm (B) x 0,15 mm (H) x 220 mm (L). Brug FEP Tubing med dimensionerne 0,25 mm ID, 1/16 i OD, til at forbinde chippen til pumpen. Brug to forskellige pumper til de to forskellige eksperimenter. Brug P-Pumpe til det første eksperiment (kobber nanopartikler) og millifluidic enhed til det andet eksperiment (guld nanopartikler). For at minimere problemet med gasbobler i kanalerne, frisklavet NaBH4 opløsning blev overladt til at stå for ~ 10-15 min før indpumpning til chip, således at gasboblerne undslippe fra opløsningen. Dette trin blev fulgt for alle vores eksperimenter.

1.. Syntese af Ultra-små kobber Nano klynger (UCNCs)

  1. Kemikalier, der kræves: Få kobber (II) nitrate hydrat natriumborhydrid, natriumhydroxidpellets og O-[2 - (3-mercaptopropionylamino) ethyl]-O'-methylpolyethylenglycol (MW = 5,000) [MPEG] og bruge alle kemikalier uden yderligere oprensning. Brug nanorent vand (18,2 MOhm cm) til forsøget.
  2. Brug P-pumpe reguleres under nitrogen pres til eksperimentet. Test pumperne med vand som opløsningsmiddel ved forskellige tryk forud for forsøget at korrelere med de tilsvarende flowhastigheder (ml / time). Skyl millifluidic reaktor og slanger med demineraliseret vand før påbegyndelse af forsøget.
  3. Opløs 174 mg (0,95 mmol) kobber (II) nitrat og 610 mg (0,122 mmol) O-[2 - (3-mercaptopropionylamino) ethyl]-O'-methylpolyethylenglycol i 28 ml nanopure vand og holde dem i en hætteglas for at være forbundet med en indgangskanal
  4. Hold en anden løsning af 111 mg (2,93 mmol) natriumborhydrid og 102 mg (2,78 mmol) natriumhydroxid i 28 ml (pH ~ 13) i et andet hætteglas og forbinde den medanden indgangskanal.
  5. Flow begge løsninger samtidigt i de millifluidic reaktor ved forskellige strømningshastigheder (nedenfor), og indsamle de resulterende UCNCs ved afgangen i hætteglas. Purge løsningen med kvælstof og gemme det under nitrogen.
  6. Drive pumperne under forskellige konstant tryk på 50 mbar (6,81 ml / h), 100 mbar (14,31 ml / time), 200 mbar (32,7 ml / time) og 300 mbar (51,4 ml / h) ved stuetemperatur til syntese af UCNCs ved forskellige strømningshastigheder.

Mens syntese procedure blev demonstreret ved hjælp af den millifluidic opsætning med P-Pump, kan det også udføres ved hjælp af håndholdte millifluidic enhed fra Millifluidica.

2. Time Løst In situ Kinetic Undersøgelser om Gold Nanopartikel Formation

  1. Kemikalier, der kræves: Opnå chlorguldsyre (HAuCl 4 3H 2 O.) Meso-2 ,3-dimercaptosuccinsyresuccimer (DMSA) og natriumborhydrid & #160, og bruge alle kemikalier uden yderligere rensning. Brug nanorent vand (18,2 MOhm cm) til forsøget.
  2. Brug høj præcision, fuldt automatiseret, pulsationsfri sprøjtepumper at flyde væskerne i chippen. Test pumperne med vand som opløsningsmiddel ved forskellige strømningshastigheder før forsøget på at optimere den krævede strømningshastighed.
  3. Forbered standardløsninger (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 natriumhydroxid (pH 12) i ​​nanopure vand.
  4. Feed de to løsninger gennem to separate sprøjter ind i den millifluidic chip ved en konstant strømningshastighed på 10 ml / time ved hjælp af den automatiske pumpe.
  5. Koble millifluidic chip til synkrotron stråle ved hjælp af et metal-fase, der har adgang til bevægelse i XYZ retninger og indsamle XAS data på forskellige zoner på chippen som opløsninger blev pumpet gennem chippen.

Mens <em> in situ analyse procedure blev påvist ved hjælp af den millifluidic set-up med P-Pump, det kan også udføres ved hjælp af en håndholdt millifluidic enhed.

3. Kontinuerlig Flow Gold Katalyse

Denne procedure blev påvist ved hjælp af en håndholdt millifluidic enhed.

  1. Kemikalier, som forlanges: Opnå chlorguldsyre (HAuCl 4 3H 2 O)., Meso-2 ,3-dimercaptosuccinsyresuccimer (DMSA), natriumborhydrid, 4-nitrophenol, 4-aminophenol og bruge alle de kemikalier uden yderligere rensning. Brug nanorent vand (18,2 MOhm cm) til forsøget.
  2. Katalysator forberedelse:. Forbered standardløsninger af HAuCl 4 3H 2 O (10 mmol, 118,2 mg/30 ml), DMSA (20 mmol, 109,2 mg/30 ml) og NaBH4 (10 mmol, 11,34 mg/30 ml) i Nanopure vand.
  3. Tag 10 ml af HAuCl 4 og DMSA løsninger i to separate hætteglas og flow them i chippen ved hjælp af håndholdte millifluidic enhed med en ensartet flow-hastighed på 12 ml / time i 45 min.
  4. Flow 10 mmol NaBH4 i chippen ved 12 ml / h strømningshastighed i 15 minutter for at reducere Au (I) til Au (0).
  5. Endelig vaskes chip med nanopure vand i 30 minutter ved den samme strømningshastighed før forestår katalyse eksperimenter.
  6. Katalyse reaktion: kemisk omdannelse reaktion (reduktion) af 4-nitrophenol (4-NP) Udfør til 4-aminophenol (4-AP) i guldkatalysator (fremstillet ovenfor) belagt millifluidic kanal som angivet nedenfor.
  7. Bland 15 ml 9 x 10 -5 mol opløsning af 4-NP med 3,3 ml 0,65 mol NaBH4 til dannelse af 4-nitrophenolat ion (4-NPI).
  8. Pass den resulterende opløsning over guldkatalysator afsat i chippen ved en konstant strømningshastighed på 5 ml / time for at vurdere den katalytiske aktivitet. Analyser UV-Vis spektre af de indsamlede produkter i bølgelængdeområdet på 250-500 nm at bekræfte omdannelsen af ​​4-NP.
  9. Vurdere den katalytiske aktivitet af reaktionen ved at indhente kalibreringskurve 4-NPI. Kalibreringskurven kan erhverves ved at plotte den eksperimentelt observerede absorption intensitet (I) 4-NPI ved forskellige standard koncentrationer. Tophøjderne (ved 399 nm) for UV-VIS absorptionskurver repræsenterer absorptionen intensitet (I)-værdier og i henhold til Beer Lambert lov, vil enhver ændring i tophøjde værdi viser tilsvarende ændring i sin koncentration. Derfor estimerer den katalytiske aktivitet ved at finde forskellen i indledende og endelige koncentrationer af reaktant fra kalibreringskurven. For eksempel, hvis den maksimale højde er 1 enhed (figur 6) svarer til en katalytisk omdannelse af 90% (baseret på kalibrering plot).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Godt spredt og ensartede mellemstore kobber nanoclusters med en snæver størrelsesfordeling blev opnået ved hjælp af den millifluidic chip setup (fig. 1a). De forskellige strømningshastigheder, der anvendes til syntese ikke har en væsentlig indvirkning på størrelsen af ​​de klynger. Ikke desto mindre, med stigning i strømningshastighed, der er en observerbar forbedring i indsnævringen af ​​størrelsesfordelingen. UCNCs med en bedste snæver størrelsesfordeling blev opnået ved en strømningshastighed på 32,7 ml / time. Størrelsen af ​​UCNCs dannet ved 32,7 ml / h strømningshastighed har en gennemsnitlig diameter på 1,2 nm (figur 1b).

Den tidsopløst in situ XAS setup er vist i fig 2a. Som beskrevet i den eksperimentelle procedure blev millifluidic chippen monteret på en metal fase direkte i bane monochromatized synkrotron bjælken og justeret således, at strålen passerede gennem den ønskede zone på chippen. Efter at optimere strømningsforholdene, precursor reagenser (chlorguldsyre (HAuCl 4 3-kant blev opnået ved fem forskellige zoner probet med en røntgenstråle størrelse på 0,05 mm x 0,05 mm, og strømmer precursor-opløsningerne i kanalerne. Baseret på disse spektre analyse blev de første ændringer i forløberen fundne løsning til at finde sted omkring den zone 5 med dannelsen af Au x S y - nanoclusters 21, der har en Au / S forhold tæt på 2 med Au (I) oxidationstrin. Fig. 3a viser Au L 3-edge XANES spektre indsamlet på forskellige zoner med spektret opnået ved zone 3, der viser tilstedeværelsen af forstadiet, HAuCl 4 med Au (III) oxidationstrin. Fig. 4 viser transmissions elektron mikroskopi (TEM) billede af stikprøven af Au x S y - nanoclusters på 1-2 nm størrelse indsamlet fra zone 5. Baseret på EXAFS anasis og lineær kombination montering med bladguld og guld sulfid referencestoffer med prøven probed ved zone 5, kan vi også bekræfte, at prøven er en blanding af forstadie guld salt (40% af HAuCl 4) og 60% af Au x S y - nanoclusters (fig. 3b). Dannelsen af Au x S y - nanoclusters blev først observeret 17 sekunder efter starten af reaktionen og reaktionshastigheden (beregnet ved hjælp af prækursorer forbrug), på dette tidspunkt var 0,235 mmol / sek. Ingen metalliske guld nanopartikler blev opnået, selv efter 12-24 timer for reaktionen og stabil kolloid kun indeholdt Au x S y - nanoclusters. Efter at have passeret NaBH4 gennem chip, EXAFS analyse viste, at bindingen længde af nanoclusters steg fra 2,30 Å (Au-S) til 2,86 Å (Au-Au) angiver reduktion af Au (I) til Au (0) (fig. 3c). Over længeretid af strømmende forstadier (9 h), Au x S y - indskud inden for de millifluidic kanaler i form af halvkugleformede mikrostrukturer (fig. 5).

For katalyse eksperiment blev omdannelsen af 4-NP til 4-AP overvåges baseret på UV-Vis-analyse af de opnåede i sammenligning med spektrene for standarderne (fig. 6a) produkter Ved blanding med NaBH4 kan man se, at absorptionsspektret af 4-NP (λ max 316 nm) blev flyttet til 399 nm, hvilket indikerer dannelsen af 4-NPI som ved yderligere reaktion blev omdannet til 4-AP (λ max 301 nm) ved at strømme igennem millifluidic kanal indeholdende nanostrukturerede guld deponeret på midten. Omregningskurs på 90,5% blev observeret for 4-NP til 4-AP (Fig. 6b) inden for guld deponeret chip mens konverteringen var kun 20% i en chip blottet for noget guld. Vigtigst var guldkatalysator fundet catalytically aktiv, selv efter 80 timers reaktion. Resultaterne viser betydningen af ​​millifluidics til kontinuerlig strømning katalyse.

Figur 1
Figur 1: (a) En skematisk fremstilling af millifluidic platform til syntese af UCNCs sammen med reaktionsskemaet (b) TEM billede af ~ 1,2 nm UCNCs dannet ved anvendelse af millifluidic chip med en strømningshastighed på 32,7 ml / h (Gengivet med tilladelse fra henvisning 7).

Figur 2
Figur 2: (a) In situ XAS analyse set-up for tidsopløste kinetiske undersøgelser (b) Millifluidic chip med den markerede zdem, hvor XAS in situ udføres (Gengivet med tilladelse fra ref. 7 Copyright Wiley-VCH Verlag GmbH & Co KGaA, 2012).

Figur 3
Figur 3: (a) XANES spektre viser Au L 3 kant zone 3 (rød), zone 5 (blå) og i zone 5 efter 12 timer (sort) (b) EXAFS spektre ved de samme zoner (c) EXAFS af Au folie (sort) og prøve efter NaBH4 reduktion (rød), (-) Fouriertransformation omfang og (---) imaginære komponent af Fourier transformation (Gengivet henvisning 11).

Figur 4
Figur 4: TEMbillede af Au x S y - nanoclusters (Gengivet fra henvisning 11)

Figur 5
Figur 5: SEM billeder af de forskellige forstørrelser af guld katalysator dannet inden for det millifluidic kanal efter 9 timer coating tid.

Figur 6
Figur 6: UV-Vis spektre af (a) 4-NP, 4-NPI og 4-AP (b) Omdannelse af 4-NPI til 4-AP i et millifluidic chip reaktor med og uden guld (Gengivet henvisning 11) .

Figur 7 Figur 7: Håndholdt millifluidic anordning, der anvendes i forsøgene.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De UCNCs blev dannet ved reduktionsreaktionen kobbernitrat med natriumborhydrid i nærværelse af det polymere endeafslutningsmiddel O-[2 - (3-Mercaptopropionylamino) ethyl]-O'-methylpolyethylenglycol (MW = 5,000) [MPEG]. Reaktionen blev udført inden for den millifluidic chip reaktor ved forskellige strømningshastigheder, såsom 6,8 ml / time, 14,3 ml / time, 32,7 ml / time, og 51,4 ml / time for at studere effekten af ​​strømningshastigheder på UCNCs dannes. De respektive opholdstider for ovennævnte flowhastigheder er 47.49, 24.44, 16,56 og 9,02 sek. De kolloide kobber klynger opnået på alle disse strømningshastigheder var stabile i op til tre måneder under inerte betingelser. En snæver størrelsesfordeling med en gennemsnitlig partikelstørrelse på 1,2 nm blev opnået for strømningshastighed på 32,7 ml / time.

En af de vigtigste fordele ved at bruge millifluidics løbet mikrofluidik for kemisk syntese i almindelighed og nanopartikel syntese navnlig er muligheden for at opnå høje strømningshastigheder. For example blev strømningshastigheder så højt som 51,4 ​​ml / time observeret i vores eksperiment hvorimod de typiske flowhastigheder, der er opnåelige med MicroFluidics har 10-100 um kanal størrelser er i intervallet 0,03 til 4 ml / time 20. Det var muligt at nå endnu højere strømningshastigheder (dvs.> 3 ml / min), når millifluidic enhed fra Millifluidica blev brugt. Strømningstekniske egenskaber opstår på grund af sådanne høje strømningshastigheder stadig bevaret funktioner såsom laminar strømning lignende tilfælde af mikrofluidik som bestemmes eksperimentelt samt gennem numeriske simuleringer. For eksempel den beregnede Reynolds tal bekræftede laminar strømning og den række af Peclet tal viste, at blandingen af ​​de to indgange er domineret af konvektion.

Nogle af de kritiske trin i syntesen er identifikationen af ​​passende afslag proces til metalsalte og passende overfladeaktive som stabilisator. Desuden design af millifluidic kanal og udvælgelse afkorrekte strømningshastigheder er vigtig. Da de nuværende millifluidic chips er fremstillet under anvendelse af polymerer reaktionerne begrænset til vandbaserede reaktioner og dem, der kan udføres ved stuetemperatur. Men ved hjælp af passende høj temperatur stabile polymere chips eller borsilicatpartikler-baserede chips, kan man udføre reaktioner ved højere temperaturer samt anvendelse af organiske opløsningsmidler.

For tidsopløste kinetiske undersøgelser, in situ dannelsen af guld nanopartikler startende fra forstadiet guld salt blev sonderet i realtid ved hjælp in situ røntgen absorptionsspektroskopi ved at konvertere rumlig opløsning i tidsopløsning. Sås de første beviser for dannelsen af guld nanopartikler med Au-Au limning kun efter tilsætning NaBH4 modsætning til resultaterne fra undersøgelser Tsukuda og kollegaer 19. De rapporterede dannelsen af metallisk Au 13 (DMSA) 8 klynger med Au-Au bonding på mixing af de samme prækursorer i en traditionel kolbe syntese. Den teknik, derfor er værdifuldt i at observere reaktionsmellemprodukter på tid-opløsning, der ikke er muligt i en traditionel kolbe baseret reaktion.

En af de største fordele ved at bruge millifluidic systemer til tidsopløst kinetisk undersøgelse er på grund af muligheden for at have højere koncentrationer, der vil give bedre signal-støj-forholdet, når reaktionerne probes in situ. I det nuværende system begrænsning er, at kun hårdt røntgenstråler kan anvendes til at undersøge reaktionen under anvendelse XAS. For at undersøge de reaktioner under anvendelse af andre spektroskopi teknikker, såsom UV-VIS spektroskopi brug for millifluidic chips til at have optiske vinduer. Igen med det nuværende set-up, man kunne kun sonde vandbaserede reaktioner og ved stuetemperatur.

Katalyse hjælp guld-baserede katalysatorer inden for batch-processer er velkendt og meget aktivt forskning. Men samig, er ikke sandt for kontinuerlig flow katalyse. I denne undersøgelse viser vi, kontinuerlig strøm katalytiske aktivitet af guld-katalysatorer, der er dannet inden for millifluidic chip til reduktion af 4-NP til 4-AP 22, som blev brugt som et eksempel. Resultaterne viste over 90% omdannelse af 4-NP med guld-katalysator ved hjælp af den kontinuerlige strøm katalyse tilgang. En af de store fordele ved denne metode frem batch katalyse proces er genanvendelighed af katalysatoren. For eksempel blev katalysator genbruges over 40 cykler (80 timers reaktionstid), og stadig var aktiv.

Fordelene ved at bruge det nuværende system til kontinuerlig flow katalyse er, at kanalerne er mindre tilbøjelige til at blive tilstoppet af katalysatoren i modsætning til dem rapporteret i litteraturen ved hjælp mikrofluide systemer 23,24. Endnu en anden fordel er evnen til at sondere katalyse reaktion in situ, som det sker med henblik på at forstå den katalyse reaktionsmekanisme. Curleje begrænsninger af systemet til kontinuerlig strøm katalyse er, at kun vandbaserede løsning-fase katalysereaktioner kan udføres, og at også kun ved stuetemperatur. Yderligere modifikationer af anordningen skal gøre det muligt for gasfase-kontinuerlig strømning katalyse, enten ved stuetemperatur eller ved højere temperaturer.

Sammenfattende viser vi to vigtige evner millifluidic reaktorer. For det første kan den anvendes som et redskab til kontinuerlig strømning kemisk syntese og for det andet som en alsidig probe til tidsopløst kinetiske undersøgelser af kemiske reaktioner. Derudover viser vi, at en millifluidic anordning kan udnyttes både som et pædagogisk værktøj til at lære om lab-on-a-chip-enheder og også som en enkel, brugervenlig og håndholdt enhed til kemisk syntese og in situ-sonde til kemiske reaktioner.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Alle forfattere undtagen CSSR Kumar erklærer, at de ikke har nogen konkurrerende finansielle interesser. C. SSR Kumar er grundlægger af firmaet Millifluidica LLC.

Acknowledgments

Denne forskning arbejde understøttes som en del af Center for Atomic Level Catalyst Design, en Energy Frontier Research Center finansieret af det amerikanske Department of Energy, Office of Science, Kontoret for Basic Energi Videnskaber under Award Number DE-SC0001058 og støttes også af bestyrelse Regents under tilskud tildeling nummer LEQSF (2009-14)-EFRC-MATCH og LEDSF-EPS (2012)-OPT-IN-15. MRCAT funktioner er understøttet af Institut for Energi og MRCAT medlemsinstitutioner. Brugen af ​​Advanced Foton Kilde ved ANL understøttes af det amerikanske Department of Energy, Office of Science, Kontoret for Basic Energi Sciences, under kontrakt nr. DE-AC02-06CH11357. Finansiel støtte til JTM blev givet som en del af Institut for Atom-effektive kemiske omdannelser (IACT), en Energy Frontier Research Center finansieret af det amerikanske Department of Energy, Office of Science, Kontoret for Basic Energi 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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics