עבודת מחקר זו נתמכת כחלק מהמרכז לרמה אטומית Catalyst עיצוב, מרכז לחקר אנרגיה Frontier ממומן על ידי משרד אנרגיה האמריקאי, משרד מדע, משרד אנרגיה של יסוד מדעי תחת מספר פרס DE-SC0001058 ונתמך גם על ידי מועצת המנהלים של העוצרים תחת מענקי LEQSF הפרס מספר (2009-14)-EFRC-MATCH וLEDSF-EPS (2012)-OPT-IN-15. פעולות MRCAT נתמכות על ידי משרד אנרגיה ומוסדות חבר MRCAT. השימוש בפוטון מתקדם המקור בANL נתמך על ידי משרד אנרגיה האמריקאי, משרד מדע, משרד אנרגיה של יסוד מדעי, תחת חוזה מס &#39;DE-AC02-06CH11357. תמיכה כספית לJTM סופקה כחלק מהמכון לטרנספורמציות כימית Atom יעיל (IACT), המרכז לחקר האנרגיה Frontier ממומן על ידי משרד האנרגיה האמריקאי, משרד מדע, משרד אנרגיה של יסוד מדעי.

Millifluidics ההגדרה: רכישת שבב millifluidic (עשוי מפולימר terephthalate פוליאסטר) מMicroplumbers Microsciences LLC, בו יש ערוצים מתפתל עם ממדים של 2 מ&quot;מ x 0.15 מ&quot;מ (W) (H) x 220 מ&quot;מ (L). השתמש FEP אבובים עם ממדים של 0.25 מזהה מ&quot;מ, 1/16 בקוטר חיצוני, לחיבור השבב למשאבה. השתמש בשתי משאבות שונות עבור שני ניסויים שונים. שימוש P-משאבה לניסוי הראשון (חלקיקי נחושת) ומכשיר millifluidic לניסוי השני (חלקיקי זהב). כדי למזער את הבעיה של בועות גז בתוך הערוצים, פתרון מוכן טרי NaBH 4 הושאר פתוח לעמוד ל~ 10-15 דקות לפני השאיבה לתוך השבב, כך שבועות הגז לברוח מהפתרון. צעד זה היה במעקב במשך כל הניסויים שלנו. 1. סינתזה של אשכולות הנחושת Nano קטנים במיוחד (UCNCs) <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ניטרה השג נחושת (II): כימיקלים הנדרשיםמימה te, borohydride נתרן, כדורי נתרן הידרוקסידי וO-[2 - אתיל (3-mercaptopropionylamino)] גליקול הדלעת המהבהב, methylpolyethylene (MW = 5,000) [MPEG] ולהשתמש בכל הכימיקלים ללא טיהור נוספת. השתמש במי nanopure (18.2 MΩ סנטימטר) לצורך הניסוי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השימוש P-Pump מוסדר תחת לחץ חנקן לצורך הניסוי. בדוק את המשאבות במים כממס בלחצים שונים לפני הניסוי כדי לתאם עם הספיקות המקבילה (מיליליטר / שעה). שוטפים את כור millifluidic וצינורות עם מים deionized לפני תחילת הניסוי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ממיסים 174 מ&quot;ג (0.95 מילימול) של נחושת (II) חנקת ו610 מ&quot;ג (0.122 מילימול) של O-[2 - (3-mercaptopropionylamino) אתיל] גליקול הדלעת המהבהב, methylpolyethylene ב28 מיליליטר מים nanopure ולשמור אותם ב בקבוקון להיות מחובר עם ערוץ קלט אחד </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> שמור על פתרון אחר של 111 מ&quot;ג (2.93 מילימול) של borohydride נתרן ומ&quot;ג 102 (2.78 מילימול) נתרן הידרוקסידי ב28 מיליליטר (pH ~ 13) בבקבוקון שונה ולחבר אותו עםערוץ קלט אחר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> תזרום גם את הפתרונות בו זמנית בתוך הכור millifluidic בספיקות שונות (כדלקמן) ולאסוף את UCNCs וכתוצאה מכך בנקודת היציאה בבקבוקון זכוכית. לטהר את הפתרון עם חנקן ולאחסן אותו תחת חנקן. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להפעיל את המשאבות תחת לחצים מתמיד שונים של 50 mbar (6.81 מיליליטר / hr), 100 mbar (14.31 מיליליטר / hr), 200 mbar (32.7 מיליליטר / hr) ו300 mbar (51.4 מיליליטר / שעה) בטמפרטורת חדר לסינתזה של UCNCs בספיקות שונות. </li></ol> בעוד הליך הסינתזה הודגם באמצעות הגדרת millifluidic עם P-Pump, יכול גם להתבצע באמצעות מכשיר millifluidic כף היד מMillifluidica. 2. זמן נפתר בקינטי לימודי אתרם על גיבוש הזהב Nanoparticle <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כימיקלים הנדרשים: השג חומצת chloroauric (HAuCl 4 3H 2 O). טווינה-2 ,3-חומצת dimercaptosuccinic (DMSA) וborohydride &amp; # נתרן160; ולהשתמש בכל הכימיקלים ללא טיהור נוספת. השתמש במי nanopure (18.2 MΩ סנטימטר) לצורך הניסוי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש ברמת דיוק גבוהה, אוטומטי לחלוטין, משאבות מזרק פעימה חופשית לזרום נוזלים בתוך השבב. בדוק את המשאבות במים כממס בספיקות שונות לפני הניסוי כדי לייעל את זרימת קצב הנדרש. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכן את הפתרונות סטנדרטיים של (i) HAuCl 4. 3H 2 O (10 מילימול, 118.2 mg/30 מיליליטר) וכן (ii) DMSA (20 מילימול, 109.2 mg/30 מיליליטר) עם 50 מ&quot;ג של נתרן הידרוקסידי (pH 12) בnanopure מים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להאכיל שני פתרונות באמצעות שני מזרקים נפרדים לתוך שבב millifluidic בזרימת קצב קבוע של 10 מיליליטר / שעה תוך שימוש במשאבה האוטומטית. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> זוג שבב millifluidic לקו קורה סינכרוטרון באמצעות שלב מתכת יש לו גישה לתנועה בכיוונים XYZ ולאסוף את נתוני סאס באזורים שונים על השבב כנשאבו הפתרונות באמצעות השבב. </li></ol> בעוד &lt;em&gt; בניתוח אתרו הליך הודגם באמצעות הגדרת millifluidic עם P-Pump, יכול גם להתבצע באמצעות מכשיר millifluidic החזיק ביד. 3. זרימת זהב קטליזה רציפה הליך זה הודגם באמצעות מכשיר millifluidic החזיק ביד. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כימיקלים הנדרשים: השג חומצת chloroauric (HAuCl 4 3H 2 O)., טווינה-2 ,3-חומצת dimercaptosuccinic (DMSA), borohydride נתרן, 4 nitrophenol, 4 aminophenol ולהשתמש בכל הכימיקלים ללא טיהור נוספת. השתמש במי nanopure (18.2 MΩ סנטימטר) לצורך הניסוי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכנת זרז:. הכן את הפתרונות סטנדרטיים של 4 HAuCl 3H 2 O (10 מילימול, 118.2 mg/30 מיליליטר), DMSA (20 מילימול, 109.2 mg/30 מיליליטר) ו -4 NaBH (10 מילימול, 11.34 mg/30 מיליליטר) בNanopure מים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> קח 10 מיליליטר כל אחד 4 HAuCl ופתרונות DMSA לשתי צלוחיות נפרדות וזרימת האותם בתוך השבב באמצעות מכשיר millifluidic כף יד עם קצב זרימה אחיד של 12 מיליליטר / שעה 45 דקות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לזרום 10 מילימול NaBH 4 בתוך השבב ב12 מיליליטר / שעה ספיקה ל15 דקות כדי להפחית את Au (I) לAu (0). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לבסוף, לשטוף את השבב עם המים nanopure ל30 דקות באותו קצב הזרימה לפני ביצוע ניסויי קטליזה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> תגובת קטליזה: בצע את תגובת ההמרה הכימית (הפחתה) של 4 nitrophenol-(4-NP) לתוך 4-aminophenol (4-AP) בתוך זרז הזהב (שהוכן לעיל) מצופי ערוץ millifluidic כמפורט להלן. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מערבבים 15 מיליליטר של תמיסת 9 x 10 -5 mol של 4-NP עם 3.3 מיליליטר של 0.65 mol NaBH 4 פתרון ליצירת יון 4 nitrophenolate-(4-NPI). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לעבור את הפתרון כתוצאה מעל זרז הזהב שהופקד בתוך שבב בזרימת קצב קבוע של 5 מיליליטר / שעה כדי להעריך את הפעילות הקטליטית. לנתח את ספקטרום UV-Vis של המוצרים שנאספו בטווח אורך הגל של 250-500 ננומטר כדי לאשר את ההמרה של 4-NP. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להעריך את הפעילות הקטליטית של התגובה על ידי קבלת עקומת הכיול של 4-NPI. עקומת כיול ניתן נרכשה על ידי קשירת קשר עוצמת נצפתה בניסוי הקליטה (I) של 4-NPI בריכוזים סטנדרטיים שונים. הגבהים השיא (ב399 ננומטר) לקרינת UV-Vis עקומות הקליטה מייצגים את עוצמת קליטת ערכים (אני) ועל פי החוק של באר למברט, כל שינוי בשווי גובה השיא היה להראות שינוי מקביל בריכוז שלה. לכן, להעריך את הפעילות הקטליטית על ידי מציאת ההבדל בריכוזים ראשוניים וסופיים של המגיב מעקום הכיול. לדוגמא, אם את גובה השיא הוא יחידה 1 (איור 6) שהוא תואם להמרה הקטליטית של 90% (המבוססת על עלילת הכיול). </li></ol>

<ol>
	<li>Song, Y., Hormes, J., Kumar, C. S. S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfluidic+Synthesis+of+Nanomaterials.">Microfluidic Synthesis of Nanomaterials.</a> Small. 4 (6), 698-711 (2008).</li><li>Huebner, A., Sharma, S., Srisa-Art, M., Hollfelder, F., Edel, J. B., DeMello, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microdroplets:+a+sea+of+applications.">Microdroplets: a sea of applications.</a> Lab Chip. 8, 1244-1254 (2008).</li><li>Helen, S., Delai, L. C., Rustem, F. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reactions+in+Droplets+in+Microfluidic+Channels.">Reactions in Droplets in Microfluidic Channels.</a> Angew. Chem. Int. Ed. 45, 7336-7356 (2006).</li><li>Marre, S., Jensen, K. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Synthesis+of+nanostructures+in+microfluidic+systems.">Synthesis of nanostructures in microfluidic systems.</a> Chem. Soc. Rev. 39, 1183-1202 (2010).</li><li>Theberge, A. B., Courtois, F., Schaerli, Y., Fischlechner, M., Abell, C., Hollfelder, F., Huck, W. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microdroplets+in+microfluidics:+an+evolving+platform+for+discoveries+in+chemistry+and+biology.">Microdroplets in microfluidics: an evolving platform for discoveries in chemistry and biology.</a> Angew. Chem. Int. Ed. 49 (34), 5846-5868 (2010).</li><li>Nicolas, L., Flavie, S., Pierre, G., Pascal, P., Annie, C., Bertrand, P., Cindy, H., Patrick, M., Samuel, M., Thomas, D., Cyril, A., Pascale, S., Laurent, P., Christopher, G., Emmanuel, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Some+recent+advances+in+the+design+and+the+use+of+miniaturized+droplet-based+continuous+process:+Applications+in+chemistry+and+high-pressure+microflows.">Some recent advances in the design and the use of miniaturized droplet-based continuous process: Applications in chemistry and high-pressure microflows.</a> Lab Chip. 11, 779 (2011).</li><li>Biswas, S., Miller, J. T., Li, Y., Nandakumar, K., Kumar, C. S. S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Developing+Millifluidic+Platform+for+Synthesis+of+Ultra-small+Nanoclusters+(UNCs):+Ultra-small+Copper+Nanoclusters+(UCNCs)+as+a+Case+Study.">Developing Millifluidic Platform for Synthesis of Ultra-small Nanoclusters (UNCs): Ultra-small Copper Nanoclusters (UCNCs) as a Case Study.</a> Small. 8 (5), 688-698 (2012).</li><li>Li, Y., Sanampudi, A., Reddy, V. R., Biswas, S., Nandakumar, K., Yamane, D. G., Goettert, J. S., Kumar, C. S. S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Size+Evolution+of+Gold+Nanoparticles+in+a+Millifluidic+Reactor.">Size Evolution of Gold Nanoparticles in a Millifluidic Reactor.</a> Phys. Chem. Phys. 13 (1), 177-182 (2012).</li><li>Li, Y., Yamane, D. G., Li, S., Biswas, S., Reddy, R., Goettert, J. S., Nandakumar, K., Kumar, C. S. S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Geometric+Optimization+of+Liquid-Liquid+Slug+Flow+in+a+Flow-focusing+Millifluidic+Device+for+Synthesis+of+Nanomaterials.">Geometric Optimization of Liquid-Liquid Slug Flow in a Flow-focusing Millifluidic Device for Synthesis of Nanomaterials.</a> Chem. Eng. J. 217, 447-459 (2013).</li><li>Zinoveva, S., De Silva, R., Louis, R. D., Datta, P., Kumar, C. S. S. R., Goettert, J., Hormes, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+wet+chemical+synthesis+of+Co+nanoparticles+in+a+microreactor+system:+A+time-resolved+investigation+by+X-ray+absorption+spectroscopy.">The wet chemical synthesis of Co nanoparticles in a microreactor system: A time-resolved investigation by X-ray absorption spectroscopy.</a> Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 582, 239-241 (2007).</li><li>Krishna, K. S., Navin, C. V., Biswas, S., Singh, V., Ham, K., Bovenkamp, G. L., Theegala, C. S., Miller, J. T., Spivey, J., Kumar, C. S. S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Millifluidics+for+Time-resolved+Mapping+of+the+Growth+of+Gold+Nanostructures.">Millifluidics for Time-resolved Mapping of the Growth of Gold Nanostructures.</a> J. Am. Chem. Soc. 135 (14), 5450-5456 (2013).</li><li>Kumar, C. S. S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Microfluidic Devices in nanotechnology-Fundamental Concepts. , (2010).</li><li>Kumar, C. S. S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Microfluidic Devices in nanotechnology-Fundamental Concepts. , (2010).</li><li>Meille, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Review+on+Methods+to+Deposit+Catalysts+on+Structured+Surfaces.">Review on Methods to Deposit Catalysts on Structured Surfaces.</a> Appl. Catal. A Gen. 315, 1-17 (2006).</li><li>Shin, W. C., McDonald, J. A., Zhao, S., Besser, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Etching+Characteristics+of+a+Micromachined+Chemical+Reactor+Using+Inductively+Coupled+Plasma.">Etching Characteristics of a Micromachined Chemical Reactor Using Inductively Coupled Plasma.</a> , p357 (2002).</li><li>Abahmane, L., K&#246;hler, J. M., Gro&#223;, G. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gold-nanoparticle-catalyzed+synthesis+of+propargylamines:+the+traditional+A3-multicomponent+reaction+performed+as+a+two-step+flow+process.">Gold-nanoparticle-catalyzed synthesis of propargylamines: the traditional A3-multicomponent reaction performed as a two-step flow process.</a> Chem. Eur. J. 17, 3005-3010 (2011).</li><li>Abahmane, L., Knauer, A., Ritter, U., K&#246;hler, J. M., Gro&#223;, G. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heterogeneous+Catalyzed+Pyridine+Synthesis+using+Montmorillionite+and+Nanoparticle-Impregnated+Alumina+in+a+Continuous+Micro+Flow+System.">Heterogeneous Catalyzed Pyridine Synthesis using Montmorillionite and Nanoparticle-Impregnated Alumina in a Continuous Micro Flow System.</a> Chem. Eng. Technol. 32, 1799-1805 (2009).</li><li>Abahmane, L., Knauer, A., K&#246;hler, J. M., Gro&#223;, G. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Synthesis+of+polypyridine+derivatives+using+alumina+supported+gold+nanoparticles+under+micro+continuous+flow+conditions.">Synthesis of polypyridine derivatives using alumina supported gold nanoparticles under micro continuous flow conditions.</a> Chem. Eng. J. 167, 519-526 (2011).</li><li>Negishi, Y., Tsukuda, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=One-Pot+Preparation+of+Subnanometer-Sized+Gold+Clusters+via+Reduction+and+Stabilization+by+meso-2,3-Dimercaptosuccinic+Acid.">One-Pot Preparation of Subnanometer-Sized Gold Clusters via Reduction and Stabilization by meso-2,3-Dimercaptosuccinic Acid.</a> J. Am. Chem. Soc. 125, 4046-4047 (2003).</li><li>Abou-Hassan, A., Sandre, O., Cabuil, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfluidics+in+Inorganic+Chemistry.">Microfluidics in Inorganic Chemistry.</a> Angew. Chem. Int. Ed. 49, 6268-6286 (2010).</li><li>Jiang, D., Walter, M., Dai, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gold+Sulfide+Nanoclusters:+A+Unique+Core-In-Cage+Structure.">Gold Sulfide Nanoclusters: A Unique Core-In-Cage Structure.</a> Chem. Eur. J. 16, 4999-5003 (2010).</li><li>Kuroda, K., Ishida, T., Haruta, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reduction+of+4-nitrophenol+to+4-aminophenol+over+Au+nanoparticles+deposited+on+PMMA.">Reduction of 4-nitrophenol to 4-aminophenol over Au nanoparticles deposited on PMMA.</a> J. Mol. Catal. A Chem. 298, 7-11 (2009).</li><li>Navin, C. V., Krishna, K. S., Theegala, C. S., Kumar, C. S. S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lab-on-a-chip+devices+for+gold+nanoparticle+synthesis+and+their+role+as+a+catalyst+support+for+continuous+flow+catalysis.">Lab-on-a-chip devices for gold nanoparticle synthesis and their role as a catalyst support for continuous flow catalysis.</a> Nanotech. Rev. , (2013).</li><li>Shahbazali, E., Hessel, V., No&#235;l, T., Wang, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Metallic+nanoparticles+made+in+flow+and+their+catalytic+applications+in+organic+synthesis.">Metallic nanoparticles made in flow and their catalytic applications in organic synthesis.</a> Nanotech. Rev. , (2013).</li></ol>

כל המחברים מלבד CSSR קומאר מצהירים כי אין להם אינטרסים כלכליים מתחרים. ג. SSR קומאר הוא המייסד של החברה Millifluidica LLC.

UCNCs נוצרו על ידי התגובה לירידה של חנקה נחושת עם borohydride נתרן בנוכחות הסוכן פולימריים מכסת O-[2 - (3-Mercaptopropionylamino) אתיל] גליקול הדלעת המהבהב, methylpolyethylene (MW = 5,000) [MPEG]. התגובה בוצעה בתוך כור שבב millifluidic בספיקות שונות כגון 6.8 מיליליטר / שעה, 14.3 מיליליטר / שעה, 32.7 מיליליטר / שעה, ו51.4 מיליליטר / שעה כדי לחקור את ההשפעה של ספיקות בUCNCs נוצר. פעמים המגורים המתאימות לספיקות הנ&quot;ל הן 47.49, 24.44, 16.56, ו9.02 שניות. אשכולות נחושת colloidal מתקבלים בכל אלה הספיקות היו יציבים עד שלושה חודשים בתנאי אינרטי. התפלגות גודל צרה עם חלקיקים בגודל ממוצע של 1.2 ננומטר הושגה לספיקה של 32.7 מיליליטר / שעה. אחד היתרונות העיקריים של שימוש millifluidics מעל מיקרופלואידיקה לסינתזה כימית בסינתזה כללית וnanoparticle בפרט הוא האפשרות להשיג ספיקות גבוהות. לexample, ספיקות גבוהות ככל 51.4 מיליליטר / שעה נצפו בניסוי שלנו ואילו הספיקות טיפוסיות שהם ברי השגה עם מיקרופלואידיקה שיש 10-100 גדלי ערוץ מיקרומטר הן בטווח של 0.03-4 מיליליטר / שעה 20. זה היה אפשר להגיע לשיעורי זרימה גבוהים אף יותר (כלומר&gt; 3 מיליליטר / דקה) כאשר מכשיר millifluidic מMillifluidica היה בשימוש. מאפייני Fluidic הנובעים בשל כגון ספיקות גבוהות עדיין נשמרים תכונות כגון זרימה שכבתית דומות למקרה של מיקרופלואידיקה כפי שנקבעו באופן ניסיוני, וכן באמצעות סימולציות מספריות. לדוגמא, המספרים של ריינולדס מחושב אישרו את הזרימה למינרית ואת הטווח מספרי Peclet הוכיח כי הערבוב של שתי התשומות הוא נשלט על ידי הסעה. חלק מהשלבים הקריטיים בסינתזה הם זיהוי של תהליך ההפחתה המתאים למלחי מתכות ופעילים שטח מתאים כמייצב. בנוסף, עיצוב של הערוץ והבחירה של millifluidicספיקות נכונות היא חשובות. מאז שבבי millifluidic הנוכחיים מבוצעים באמצעות פולימרים, התגובות מוגבלות לתגובות על בסיס מים ואלה שיכולים להתבצע בטמפרטורת חדר. עם זאת, על ידי שימוש בשבבים מתאימים בטמפרטורה גבוהה יציבים פולימריים או שבבים מבוססי ורוסיליקט, אפשר לבצע את התגובות בטמפרטורות גבוהות יותר, כמו גם שימוש בממסים אורגניים. למחקרים הקינטית הזמן נפתר, במבנה באתרו של חלקיקי זהב החל ממלח זהב המבשר היה נחקר בזמן אמת באמצעות בספקטרוסקופיה קליטת קרני ה-X אתרו על ידי המרת רזולוציה מרחבית לרזולוצית זמן. העדות הראשונה להיווצרותם של חלקיקי זהב עם המליטה Au-Au נצפתה רק לאחר התוספת של 4 NaBH בניגוד לתוצאות מהחקירות על ידי טסוקודה ועמיתים לעבודה 19. הם דיווחו על היווצרות המתכתי Au 13 (DMSA) 8 אשכולות עם המליטה Au-Au על mixiננוגרם של אותו מבשרים בסינתזת בקבוק מסורתי. הטכניקה, אם כן, היא בעל ערך בהתבוננות ביניים התגובה ברזולוצית הזמן שאינה אפשרי בתגובת בקבוק מבוססת מסורתית. אחד היתרונות הגדולים ביותר של שימוש במערכות millifluidic לזמן לפתור מחקר הקינטית הוא בשל האפשרות שיש ריכוזים גבוהים יותר, שיאפשר לאות טובה יותר יחס רעש כאשר התגובות שלהם נחקרו באתרם. במערכת הנוכחית היא שההגבלה, רק קשה קרני ה-X יכול לשמש כדי לחקור את התגובה באמצעות סאס. כדי לחקור את התגובות תוך שימוש בטכניקות ספקטרוסקופיה אחרות כגון UV-VIS ספקטרוסקופיה, שבבי millifluidic צריכים חלונות אופטיים. שוב, עם ההגדרה הקיימת, אפשר רק לחקור תגובות על בסיס מים ובטמפרטורת חדר. קטליזה באמצעות זרזים מבוססי זהב בתוך תהליכים אצווה ידועה וחתר מחקר מאוד. עם זאת, saאותי זה לא נכון עבור הזרימה רציפה קטליזה. בחקירה זו, אנו מדגימים את פעילות הקטליטית של זרימה רציפה של זרזי הזהב נוצרו בתוך השבב millifluidic להפחתה של 4-NP ל22 4-AP, שמשמש כדוגמא. התוצאות הראו המרת 90% מעל 4-NP עם זרז זהב באמצעות גישת הזרימה קטליזה רציפה. אחד היתרונות העיקריים של שיטה זו על פני תהליך קטליזה אצווה הוא השימוש החוזר של הזרז. לדוגמא, הזרז לשימוש חוזר מעל 40 מחזורים (80 שעות של זמן תגובה) ועדיין נשאר פעיל. היתרונות של שימוש במערכת הנוכחית לזרימה רציפה קטליזה הוא שהערוצים הם פחות סיכוי להיות סתום על ידי הזרז בניגוד לאלה שדווחו בספרות תוך שימוש במערכות microfluidic 23,24. עם זאת, יתרון נוסף הוא היכולת לבחון את תגובת קטליזה באתר כפי שזה קורה כדי להבין את מנגנון תגובת קטליזה. נוכמגבלות השכרה של המערכת לזרימה רציפה קטליזה הן שיכולה להתבצע רק תגובות קטליזה פתרון שלב בסיס מים וגם זה רק בטמפרטורת חדר. שינויים נוספים של המכשיר דרושים כדי לאפשר זרימה רציפה קטליזה שלב גז או בטמפרטורת חדר או בטמפרטורות גבוהות יותר. לסיכום, אנחנו מדגימים שתי יכולות חשובות של כורי millifluidic. ראשית, הוא יכול לשמש ככלי לסינתזה כימית זרימה רציפה ושנייה, כמו בדיקה תכליתית עבור זמן לפתור מחקרים הקינטית של תגובות כימיות. בנוסף, אנו מראים כי מכשיר millifluidic יכול להיות מנוצל גם ככלי חינוכי ללימוד על מכשירי מעבדה על שבב וגם כפשוט, ידידותי למשתמש ומכשיר כף יד לסינתזה כימית ובבדיקת אתר ל תגובות כימיות.

מכשירי מעבדה על שבב (LOC) לסינתזה כימית הראו יתרון משמעותי במונחים של העברה גדלה מסה וחום, בקרת תגובה מעולה, תפוקה גבוהה וסביבת פעולה בטוחה יותר 1. התקנים אלה יכולים להיות מסווגים באופן כללי לfluidics שבב מבוססת ומכשירי fluidic nonchip מבוססים. בין fluidics מבוססת השבב, מיקרופלואידיקה נחקר היטב ונושא מכוסה היטב בספרות 2-5. מערכות LOC Nonchip מבוססות להשתמש כורים צינורי 6. כמקובל, מערכות microfluidic משמשות לבקרה ולמניפולציה של נוזלים, כי הם מוגבלים גיאומטריים לקנה מידת submillimeter מדויקים. יש לנו לאחרונה הציג את הרעיון של millifluidics מבוסס שבב, אשר יכול לשמש למניפולציה של נוזלים בערוצים בקנה מידת מילימטר (או רוחב או עומק או שניהם של הערוצים הם לפחות מילימטר בגודל) 7-9. יתר על כן, שבבי millifluidic קלים יחסית לפברק WHIle מציע שליטה דומה על ספיקות ומניפולציה של חומרים כימיים. שבבים אלה גם יכולים להיות מופעלים ב- ספיקה גבוהה יותר, יוצרים פעמים מגורים קטנות יותר, ובכך, מציעים את האפשרות להיקף של עד של סינתזה מבוקרת של חלקיקים עם התפלגות גודל צרה. כדוגמא, יש לנו לאחרונה הפגין את הסינתזה של nanoclusters נחושת קטן במיוחד ומאופיין אותם באמצעות בספקטרוסקופיה קליטת קרני ה-X באתר, כמו גם TEM. יכולת להשיג פעמים מגורים קטנות בתוך ערוצי millifluidic בשילוב עם השימוש של MPEG, שהוא סוכן PEGylated bidentate יעיל מאוד לייצוב להיווצרות של קולואידים יציבים של nanoclusters נחושת 7. בנוסף לסינתזה של חומרים כימיים וננו, millifluidics יכול להציע, בשל נפח גבוה וריכוז באזור הבדיקה, פלטפורמה סינתטית שהיא יותר כללי ויעילה ללימודים הקינטית זמן נפתר וגם achieVes אות טובה יותר יחס רעש מאשר מערכות microfluidic 7,10. אנחנו מראים את השימוש בשבב millifluidic כדוגמא לניתוח של הצמיחה של ננו זהב מפתרון באמצעות באתר סאס עם רזולוציה זמן קטנה כמו 5 אלפיות שני 11 זמן נפתר. כמו כן, רוב כורי מיקרו פותחו עד היום ליישומי קטליזה מבוססים על 12,13 סיליקון. הייצור היקר שלהם, בנוסף לנפחים קטנים שנוצרו גורם להם אינו מתאים לייצור בקנה מידה גדולה. שתי שיטות הכלליות לציפוי הערוצים עם nanocatalysts - כימי ופיזי, המכונה לעתים קרובות נהלי ציפוי סיליקון, נמצאות כעת באופנה 14,15. בנוסף לייצור מיקרו יקר, סתימה של הערוצים הופכת קטליזה כור מיקרו עשויה להיות מתאימה לייצור בקנה מידה גדולה. למרות microreactors שימש במשך קטליזה הטרוגנית בearli הרציף מיקרו זרימה דרך תהליכיםאה 16-18, את היכולת לשלוט בממד, והמורפולוגיה של זרזי nanostructured זהב המשובצים בתוך ערוצי זרימה רציפים מעולם לא נחקרו בעבר. יש לנו לאחרונה פיתחו טכנולוגיה לציפוי ערוצי millifluidic עם זרזי Au, שנשלטו על מורפולוגיה ננו וממדים (איור 5) 11, לביצוע קטליזה של תגובות כימיות תעשייתי חשובות. כדוגמא יש לנו הפגנו המרה של 4 nitrophenol-ל 4 aminophenol-זרז ידי זהב nanostructured המצופה בערוצי millifluidic. בהתחשב בכך ששבב כור millifluidic בודד יכול לייצר ספיקות של 50-60 מיליליטר / שעה, 7 תפוקה גבוהה וסינתזה מבוקרת של כימיקלים אפשרי גם דרך זרימת פעולה רציפה או עיבוד מקביל. על מנת לנצל את אפשרויות millifluidics להציע, עם כמה דוגמאות שתוארו כאמור לעיל, אנו גם להפגין ידידותי למשתמשמכשיר millifluidic כי הוא נייד ויש לו את כל המרכיבים הנדרשים כגון שבבי millifluidic, סעפות, בקרי זרימה, משאבות וחיבורים חשמליים משולב. מכשיר כזה millifluidic, כפי שמוצג באיור 7, הוא זמין מחברת Millifluidica LLC (החברה <a href="http://www.millifluidica.com" target="_blank">www.millifluidica.com).</a> כתב היד מספקת גם פרוטוקולים באמצעות מכשיר millifluidic כף יד, כפי שיתואר להלן, לסינתזה מבוקרת של ננו, ניתוח של מנגנוני תגובה וזרימת קטליזה המתמשכת זמן נפתר.

<table border="1">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Copper (II) nitrate hydrate</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>13778-31-9</td>
			<td>99.999% pure</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>O-[2-(3-mercaptopropionylamino)ethyl]-O&#8242;-methylpolyethylene glycol</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>401916-61-8&#160;</td>
			<td>MW=5,000</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HAuCl4.3H2O (Chloroauric acid)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>27988-77-8&#160;</td>
			<td>99.999% pure</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>meso-2,3-dimercaptosuccinic acid (DMSA)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>304-55-2</td>
			<td>~98% pure</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>4-Nitrophenol</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>100-02-7&#160;</td>
			<td>spectrophotometric grade</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>4-Aminophenol</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>123-30-8&#160;</td>
			<td>&#62;99% pure (HPLC grade)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium borohydride</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>16940-66-2&#160;</td>
			<td>98% pure</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium hydroxide pellets</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>1310-73-2&#160;</td>
			<td>99.99% pure</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>[header]</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>EQUIPMENT</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Millifluidic Chips</td>
			<td>Microplumbers Microsciences LLC</td>
			<td>SDC-01</td>
			<td>Made from polyester terephthalate polymer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pressure Pump</td>
			<td>Mitos P-Pump, Dolomite</td>
			<td>3200016</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Automated Syringe Pump</td>
			<td>Cetoni Automation and Microsystems, GmbH</td>
			<td></td>
			<td>Syringe pump neMESYS</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>UV-3600 UV-VIS-NIR Spectrophotometer</td>
			<td>Shimadzu</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hand-held Millifluidic Device</td>
			<td>Millifluidica</td>
			<td>SCMD-1008</td>
			<td>Figure 7</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

millifluidics for chemical synthesis and time-resolved mechanistic studies

נהלי ניצול מכשירי millifluidic לסינתזה כימית ומחקרים מכניסטית זמן נפתר מתוארים על ידי לקיחת שלוש דוגמאות. בראשון, סינתזה של nanoclusters נחושת קטן במיוחד הוא תאר. הדוגמא השנייה מספקת השירות שלהם לחקירת קינטיקה של תגובות כימיות זמן נפתר על ידי ניתוח היווצרות nanoparticle זהב באמצעות בספקטרוסקופיה קליטת קרני ה-X באתרה. הדוגמא האחרונה מדגימה זרימת קטליזה המתמשכת של תגובות בתוך ערוץ millifluidic מצופה זרז nanostructured.

ובכן התפזר וnanoclusters נחושת בגודל האחיד עם התפלגות גודל צרה התקבלו באמצעות התקנת millifluidic השבב (איור 1 א). הספיקות השונות המשמשות לסינתזה לא היו השפעה משמעותית על הגודל של האשכולות. עם זאת, עם עלייה בספיקה, יש שיפור הנצפה בהיצרות של התפלגות הגודל. UCNCs עם התפלגות גודל הצרה ביותר התקבלו בספיקה של 32.7 מ&quot;ל / שעה. הגודל של UCNCs נוצר ב32.7 מ&quot;ל / שעה ספיקה יש קוטר ממוצע של 1.2 ננומטר (איור 1b). בהתקנת סאס אתרו הזמן לפתור מוצג באיור 2 א. כפי שתואר בהליך ניסיוני, שבב millifluidic היה רכוב על גבי במה מתכת ישירות בנתיב של קרן סינכרוטרון monochromatized והותאם כך שהקרן עברה דרך האזור הרצוי על גבי השבב. אחרי אופטימיזציה של תנאי הזרימה, ריאגנטים המבשר (חומצת chloroauric (HAuCl 4 </תת&gt;) וטווה 2, חומצת 3-dimercapto succinic (DMSA)) היו לוותר ואיפשר להגיב באזור 1 (איור 2b). הספקטרום בAu L 3 קצה התקבלו בחמישה אזורים שונים נחקרו על ידי גודל קרן הרנטגן של 0.05 מ&quot;מ x 0.05 מ&quot;מ, בעוד זורמים פתרונות המבשר לערוצים. בהתבסס על ניתוח הספקטרום הללו, השינויים הראשונים בפתרון המבשר נמצאו מתקיימים ברחבי האזור 5 עם הקמתה של y S x Au - nanoclusters 21 שיש יחס קרוב Au / S 2 עם Au מדינה (אני) חמצון. איור. 3 א מציג את XANES 3 קצה L Au נאסף ספקטרום באזורים שונים בספקטרום המתקבל באזור 3 מראה את נוכחותו של המבשר, 4 HAuCl, לאחר Au (III) מצב חמצון. איור. 4 מראה את התמונה מיקרוסקופית אלקטרונים הילוכים (TEM) של המדגם של y S x Au - nanoclusters של 1-2 ננומטר גודל שנאסף מהאזור 5. בהתבסס על analy EXAFSשילוב sis וליניארי הולם בנייר זהב ותרכובות גופרתי התייחסות זהב של המדגם נחקר באזור 5, גם אנחנו יכולים לאשר כי המדגם הוא תערובת של מבשר מלח זהב (40% מ4 HAuCl) ו60% מAu x S y - nanoclusters (איור 3 ב). היווצרות של y S x Au - nanoclusters נצפה לראשונה 17 שניות לאחר תחילת התגובה וקצב התגובה (מחושב באמצעות צריכת המבשרים) בשלב זה היה 0.235 מילימול / sec. אין חלקיקי זהב מתכתיים התקבלו גם לאחר שעות של 12-24 התגובה וקולואיד היציב הכיל רק y Au x S - nanoclusters. אחרי שעברתי 4 NaBH דרך השבב, ניתוח EXAFS הראה כי הקשר באורך של nanoclusters עלה מ 2.30 Å (Au-S) ל2.86 Å (Au-Au) מציין את הירידה של Au (I) לAu (0) (ג 3 איור). מעל ממושךזמן זורם המבשרים (9 שעות), y S x Au - פיקדונות בתוך ערוצי millifluidic בצורה של microstructures חצי כדור (איור 5). לצורך ניסוי קטליזה, המרה של 4-NP 4-AP הייתה פיקוח המבוססת על ניתוח UV-Vis של המוצרים שהושגו בהשוואה לספקטרום של הסטנדרטים (איור 6 א), בערבוב עם 4 NaBH אחד יכול לראות את זה ספקטרום הספיגה של 4-NP (מקסימום λ של 316 ננומטר) הועבר ל399 ננומטר המצביע על היווצרות של 4-NPI אשר בתגובה נוספת הוסבה ל4-AP (מקסימום λ של 301 ננומטר) על ידי זורם אותו דרך ערוץ millifluidic המכיל זהב nanostructured שהופקד במרכז. יחס המרה של 90.5% נצפה עבור 4-NP ל4-AP (איור 6 ב) בתוך השבב שהופקד זהב ואילו ההמרה הייתה 20% בלבד בשבב נטול כל זהב. והכי חשוב, זרז הזהב נמצא catalytically הפעיל גם לאחר 80 שעות של תגובה. התוצאות מראות את המשמעות של millifluidics לזרימת קטליזה רציפה. <img alt="איור 1" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50711/50711fig1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50711/50711fig1.jpg" /> איור 1: (א) ייצוג סכמטי של פלטפורמת millifluidic לסינתזה של UCNCs יחד עם תכנית התגובה (ב) תמונת TEM של ~ 1.2 UCNCs ננומטר נוצר באמצעות שבב millifluidic עם ספיקה של 32.7 מ&quot;ל / שעה (לשכפל 7) באישור ההתייחסות. <img alt="איור 2" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50711/50711fig2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50711/50711fig2.jpg" /> איור 2: (א) באתרו סאס ניתוח ההגדרה למחקרים הקינטית הזמן נפתר (ב) שבב Millifluidic עם z המסומןאלה שבם באתר סאס מתבצע (לשכפל באישור מנ&quot;צ. 7, זכויות היוצרים Wiley-VCH Verlag GmbH &amp; Co KGaA 2012). <img alt="איור 3" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50711/50711fig3highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50711/50711fig3.jpg" /> איור 3: (א) XANES ספקטרום מראה L Au 3 קצה באזור 3 (אדום), אזור 5 (כחול) ובאזור 5 לאחר 12 שעות (שחור) (ב) ספקטרום EXAFS באותו האזורים EXAFS (ג) רדיד Au (שחור) ומדגם לאחר NaBH 4 הפחתה (אדום); (-) התמרת גודל ו( ---) מרכיב דמיוני של ההתמרה פורייה (לשכפל מהתייחסות 11). <img alt="איור 4" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50711/50711fig4highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50711/50711fig4.jpg" /> איור 4: TEMתמונה של y S x Au - nanoclusters (לשכפל מהתייחסות 11) <img alt="איור 5" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50711/50711fig5highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50711/50711fig5.jpg" /> איור 5: SEM תמונות של ההגדלה שונה של זרז זהב נוצרה בתוך הערוץ millifluidic לאחר 9 שעות של זמן ציפוי. <img alt="איור 6" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50711/50711fig6highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50711/50711fig6.jpg" /> איור 6: UV-Vis ספקטרום של (א) 4-NP, 4-NPI, ו4-AP (ב) המרה של 4-NPI ל4-AP בכור שבב millifluidic עם ובלי זהב (לשכפל מהתייחסות 11) . <img alt="איור 7"עבור: תוכן width = &quot;5in&quot; עבור: src = /&gt; &quot;/ files/ftp_upload/50711/50711fig7highres.jpg&quot; = &quot;/ files/ftp_upload/50711/50711fig7.jpg&quot; src איור 7: מכשיר millifluidic ידניים המשמש בניסויים.

Watch this Scientific Journal Video about Millifluidics for Chemical Synthesis and Time-resolved Mechanistic Studies at JoVE.com

Millifluidics for Chemical Synthesis and Time-resolved Mechanistic Studies

מכשירי Millifluidic מנוצלים לסינתזה מבוקרת של ננו, ניתוח של מנגנוני תגובה וזרימת קטליזה המתמשכת זמן נפתר.

Millifluidics לסינתזה כימית וזמן נפתר מכניסטית לימודים

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

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

Google

Research

Education

JoVE Journal

JoVE Core

Physics

Bioengineering

Unit 1

Work and Kinetic Energy

SCIENTISTS IN ACTION

11.1K Views.  Louisiana State University.  מכשירי Millifluidic מנוצלים לסינתזה מבוקרת של ננו, ניתוח של מנגנוני תגובה וזרימת קטליזה המתמשכת זמן נפתר. 

Video: Millifluidics for Chemical Synthesis and Time-resolved Mechanistic Studies

Combinatorial Synthesis of and High-throughput Protein Release from Polymer Film and Nanoparticle Libraries

Polyanhydrides are a class of biomaterials with excellent biocompatibility and drug delivery capabilities. While they have been studied extensively with conventional one-sample-at-a-time synthesis techniques, a more recent high-throughput approach has been developed enabling the synthesis and testing of large libraries of polyanhydrides1. This will facilitate more efficient optimization and design process of these biomaterials for drug and vaccine delivery applications. The method in this work describes the combinatorial synthesis of biodegradable polyanhydride film and nanoparticle libraries and the high-throughput detection of protein release from these libraries. In this robotically operated method (Figure 1), linear actuators and syringe pumps are controlled by LabVIEW, which enables a hands-free automated protocol, eliminating user error. Furthermore, this method enables the rapid fabrication of micro-scale polymer libraries, reducing the batch size while resulting in the creation of multivariant polymer systems. This combinatorial approach to polymer synthesis facilitates the synthesis of up to 15 different polymers in an equivalent amount of time it would take to synthesize one polymer conventionally. In addition, the combinatorial polymer library can be fabricated into blank or protein-loaded geometries including films or nanoparticles upon dissolution of the polymer library in a solvent and precipitation into a non-solvent (for nanoparticles) or by vacuum drying (for films). Upon loading a fluorochrome-conjugated protein into the polymer libraries, protein release kinetics can be assessed at high-throughput using a fluorescence-based detection method (Figures 2 and 3) as described previously1. This combinatorial platform has been validated with conventional methods2 and the polyanhydride film and nanoparticle libraries have been characterized with 1H NMR and FTIR. The libraries have been screened for protein release kinetics, stability and antigenicity; in vitro cellular toxicity, cytokine production, surface marker expression, adhesion, proliferation and differentiation; and in vivo biodistribution and mucoadhesion1-11. The combinatorial method developed herein enables high-throughput polymer synthesis and fabrication of protein-loaded nanoparticle and film libraries, which can, in turn, be screened in vitro and in vivo for optimization of biomaterial performance.

This method describes the combinatorial synthesis of biodegradable polyanhydride film and nanoparticle libraries and the high-throughput detection of protein release from these libraries.

סינתזה קומבינטורית של שחרור חלבון ותפוקה גבוהה מסרט הפולימר וספריות Nanoparticle

Polyanhydrides are a class of biomaterials with excellent biocompatibility and drug delivery capabilities. While they have been studied extensively with ...

High-throughput Synthesis of Carbohydrates and Functionalization of Polyanhydride Nanoparticles

Transdisciplinary approaches involving areas such as material design, nanotechnology, chemistry, and immunology have to be utilized to rationally design efficacious vaccines carriers. Nanoparticle-based platforms can prolong the persistence of vaccine antigens, which could improve vaccine immunogenicity1. Several biodegradable polymers have been studied as vaccine delivery vehicles1; in particular, polyanhydride particles have demonstrated the ability to provide sustained release of stable protein antigens and to activate antigen presenting cells and modulate immune responses2-12.
The molecular design of these vaccine carriers needs to integrate the rational selection of polymer properties as well as the incorporation of appropriate targeting agents. High throughput automated fabrication of targeting ligands and functionalized particles is a powerful tool that will enhance the ability to study a wide range of properties and will lead to the design of reproducible vaccine delivery devices.
The addition of targeting ligands capable of being recognized by specific receptors on immune cells has been shown to modulate and tailor immune responses10,11,13 C-type lectin receptors (CLRs) are pattern recognition receptors (PRRs) that recognize carbohydrates present on the surface of pathogens. The stimulation of immune cells via CLRs allows for enhanced internalization of antigen and subsequent presentation for further T cell activation14,15. Therefore, carbohydrate molecules play an important role in the study of immune responses; however, the use of these biomolecules often suffers from the lack of availability of structurally well-defined and pure carbohydrates. An automation platform based on iterative solution-phase reactions can enable rapid and controlled synthesis of these synthetically challenging molecules using significantly lower building block quantities than traditional solid-phase methods16,17.
Herein we report a protocol for the automated solution-phase synthesis of oligosaccharides such as mannose-based targeting ligands with fluorous solid-phase extraction for intermediate purification. After development of automated methods to make the carbohydrate-based targeting agent, we describe methods for their attachment on the surface of polyanhydride nanoparticles employing an automated robotic set up operated by LabVIEW as previously described10. Surface functionalization with carbohydrates has shown efficacy in targeting CLRs10,11 and increasing the throughput of the fabrication method to unearth the complexities associated with a multi-parametric system will be of great value (Figure 1a).

In this article, a high throughput method is presented for the synthesis of oligosaccharides and their attachment to the surface of polyanhydride nanoparticles for further use in targeting specific receptors on antigen presenting cells.

תפוקה גבוהה סינתזה של פחמימות functionalization של חלקיקים Polyanhydride

Transdisciplinary approaches involving areas such as material design, nanotechnology, chemistry, and immunology have to be utilized to rationally design ...

Microfabrication of Nanoporous Gold Patterns for Cell-material Interaction Studies

Nanostructured materials with feature sizes in tens of nanometers have enhanced the performance of several technologies, including fuel cells, biosensors, biomedical device coatings, and drug delivery tools. Nanoporous gold (np-Au), produced by a nano-scale self-assembly process, is a relatively new material that exhibits large effective surface area, high electrical conductivity, and catalytic activity. These properties have made np-Au an attractive material to scientific community. Most studies on np-Au employ macro-scale specimens and focus on fundamental science of the material and its catalytic and sensor applications. The macro-scale specimens limit np-Au's potential in miniaturized systems, including biomedical devices. In order to address these issues, we initially describe two different methods to micropattern np-Au thin films on rigid substrates. The first method employs manually-produced stencil masks for creating millimeter-scale np-Au patterns, while the second method uses lift-off photolithography to pattern sub-millimeter-scale patterns. As the np-Au thin films are obtained by sputter-deposition process, they are compatible with conventional microfabrication techniques, thereby amenable to facile integration into microsystems. These systems include electrically-addressable biosensor platforms that benefit from high effective surface area, electrical conductivity, and gold-thiol-based surface bioconjugation. We describe cell culture, immunostaining, and image processing techniques to quantify np-Au's interaction with mammalian cells, which is an important performance parameter for some biosensors. We expect that the techniques illustrated here will assist the integration of np-Au in platforms at various length-scales and in numerous applications, including biosensors, energy storage systems, and catalysts.

We report on techniques to micropattern nanoporous gold thin films via stencil printing and photolithography, as well as methods to culture cells on the microfabricated patterns. In addition, we describe image analysis methods to characterize morphology of the material and the cultured cells using scanning electron and fluorescence microscopy techniques.

Microfabrication של דפוסי זהב Nanoporous לסלולרי מהותי מחקרי אינטראקציה

Nanostructured materials with feature sizes in tens of nanometers have enhanced the performance of several technologies, including fuel cells, biosensors, ...

Synthesis of an Intein-mediated Artificial Protein Hydrogel

We present the synthesis of a highly stable protein hydrogel mediated by a split-intein-catalyzed protein trans-splicing reaction. The building blocks of this hydrogel are two protein block-copolymers each containing a subunit of a trimeric protein that serves as a crosslinker and one half of a split intein. A highly hydrophilic random coil is inserted into one of the block-copolymers for water retention. Mixing of the two protein block copolymers triggers an intein trans-splicing reaction, yielding a polypeptide unit with crosslinkers at either end that rapidly self-assembles into a hydrogel. This hydrogel is very stable under both acidic and basic conditions, at temperatures up to 50 &#176;C, and in organic solvents. The hydrogel rapidly reforms after shear-induced rupture. Incorporation of a &#34;docking station peptide&#34; into the hydrogel building block enables convenient incorporation of &#34;docking protein&#34;-tagged target proteins. The hydrogel is compatible with tissue culture growth media, supports the diffusion of 20 kDa molecules, and enables the immobilization of bioactive globular proteins. The application of the intein-mediated protein hydrogel as an organic-solvent-compatible biocatalyst was demonstrated by encapsulating the horseradish peroxidase enzyme and corroborating its activity.

We present the synthesis of a split-intein-mediated protein hydrogel. The building blocks of this hydrogel are two protein copolymers each containing a subunit of a trimeric protein that serves as a crosslinker and one half of a split intein. Mixing of the two protein copolymers triggers an intein trans-splicing reaction, yielding a polypeptide unit that self-assembles into a hydrogel. This hydrogel is highly pH- and temperature-stable, compatible with organic solvents, and easily incorporates functional globular proteins.

סינתזה של חלבון מלאכותי בתיווך intein Hydrogel

We present the synthesis of a highly stable protein hydrogel mediated by a split-intein-catalyzed protein trans-splicing reaction. The building blocks of ...

Synthesis of Keratin-based Nanofiber for Biomedical Engineering

Electrospinning, due to its versatility and potential for applications in various fields, is being frequently used to fabricate nanofibers. Production of these porous nanofibers is of great interest due to their unique physiochemical properties. Here we elaborate on the fabrication of keratin containing poly (&#949;-caprolactone) (PCL) nanofibers (i.e., PCL/keratin composite fiber). Water soluble keratin was first extracted from human hair and mixed with PCL in different ratios. The blended solution of PCL/keratin was transformed into nanofibrous membranes using a laboratory designed electrospinning set up. Fiber morphology and mechanical properties of the obtained nanofiber were observed and measured using scanning electron microscopy and tensile tester. Furthermore, degradability and chemical properties of the nanofiber were studied by FTIR. SEM images showed uniform surface morphology for PCL/keratin fibers of different compositions. These PCL/keratin fibers also showed excellent mechanical properties such as Young&#39;s modulus and failure point. Fibroblast cells were able to attach and proliferate thus proving good cell viability. Based on the characteristics discussed above, we can strongly argue that the blended nanofibers of natural and synthetic polymers can represent an excellent development of composite materials that can be used for different biomedical applications.

Electrospun nanofibers have a high surface area to weight ratio, excellent mechanical integrity, and support cell growth and proliferation. These nanofibers have a wide range of biomedical applications. Here we fabricate keratin/ PCL nanofibers, using the electrospinning technique, and characterize the fibers for possible applications in tissue engineering.

סינתזה של nanofiber קראטין מבוסס על הנדסה ביו רפואית

Electrospinning, due to its versatility and potential for applications in various fields, is being frequently used to fabricate nanofibers. Production of ...

The Synthesis of RGD-functionalized Hydrogels as a Tool for Therapeutic Applications

The use of polymers as biomaterials has provided significant advantages in therapeutic applications. In particular, the possibility to modify and functionalize polymer chains with compounds that are able to improve biocompatibility, mechanical properties, or cell viability allows the design of novel materials to meet new challenges in the biomedical field. With the polymer functionalization strategies, click chemistry is a powerful tool to improve cell-compatibility and drug delivery properties of polymeric devices. Similarly, the fundamental need of biomedicine to use sterile tools to avoid potential adverse-side effects, such as toxicity or contamination of the biological environment, gives rise to increasing interest in the microwave-assisted strategy.
The combination of click chemistry and the microwave-assisted method is suitable to produce biocompatible hydrogels with desired functionalities and improved performances in biomedical applications. This work aims to synthesize RGD-functionalized hydrogels. RGD (arginylglycylaspartic acid) is a tripeptide that can mimic cell adhesion proteins and bind to cell-surface receptors, creating a hospitable microenvironment for cells within the 3D polymeric network of the hydrogels. RGD functionalization occurs through Huisgen 1,3-dipolar cycloaddition. Some PAA carboxyl groups are modified with an alkyne moiety, whereas RGD is functionalized with azido acid as the terminal residue of the peptide sequence. Finally, both products are used in a copper catalyzed click reaction to permanently link the peptide to PAA. This modified polymer is used with carbomer, agarose and polyethylene glycol (PEG) to synthesize a hydrogel matrix. The 3D structure is formed due to an esterification reaction involving carboxyl groups from PAA and carbomer and hydroxyl groups from agarose and PEG through microwave-assisted polycondensation. The efficiency of the gelation mechanism ensures a high degree of RGD functionalization. In addition, the procedure to load therapeutic compounds or biological tools within this functionalized network is very simple and reproducible.

We present a protocol for the synthesis of RGD-functionalized hydrogels as devices for cell and drug delivery. The procedure involves copper catalyzed alkyne-azide cycloaddition (CuAAC) between alkyne-modified polyacrylic acid (PAA) and a RGD-azide derivative. The hydrogels are formed using microwave-assisted polycondensation and their physicochemical properties are investigated.

הסינתזה של RGD פונקציונלית הידרוג ככלי יישומים טיפוליים

The use of polymers as biomaterials has provided significant advantages in therapeutic applications. In particular, the possibility to modify and ...

Polydimethylsiloxane-polycarbonate Microfluidic Devices for Cell Migration Studies Under Perpendicular Chemical and Oxygen Gradients

This paper reports a microfluidic device made of polydimethylsiloxane (PDMS) with an embedded polycarbonate (PC) thin film to study cell migration under combinations of chemical and oxygen gradients. Both chemical and oxygen gradients can greatly affect cell migration in vivo; however, due to technical limitations, very little research has been performed to investigate their effects in vitro. The device developed in this research takes advantage of a series of serpentine-shaped channels to generate the desired chemical gradients and exploits a spatially confined chemical reaction method for oxygen gradient generation. The directions of the chemical and oxygen gradients are perpendicular to each other to enable straightforward migration result interpretation. In order to efficiently generate the oxygen gradients with minimal chemical consumption, the embedded PC thin film is utilized as a gas diffusion barrier. The developed microfluidic device can be actuated by syringe pumps and placed into a conventional cell incubator during cell migration experiments to allow for setup simplification and optimized cell culture conditions. In cell experiments, we used the device to study migrations of adenocarcinomic human alveolar basal epithelial cells, A549, under combinations of chemokine (stromal cell-derived factor, SDF-1&#945;) and oxygen gradients. The experimental results show that the device can stably generate perpendicular chemokine and oxygen gradients and is compatible with cells. The migration study results indicate that oxygen gradients may play an essential role in guiding cell migration, and cellular behavior under combinations of gradients cannot be predicted from those under single gradients. The device provides a powerful and practical tool for researchers to study interactions between chemical and oxygen gradients in cell culture, which can promote better cell migration studies in more in vivo-like microenvironments.

The control of chemical and oxygen gradients is essential for cell cultures. This paper reports a polydimethylsiloxane-polycarbonate (PDMS-PC) microfluidic device capable of reliably generating combinations of chemical and oxygen gradients for cell migration studies, which can be practically utilized in biological labs without sophisticated instrumentation.

Polydimethylsiloxane-פוליקרבונט התקני microfluidic הכימי בניצב תחת מחקרי נדידת תאים והדרגות חמצן

This paper reports a microfluidic device made of polydimethylsiloxane (PDMS) with an embedded polycarbonate (PC) thin film to study cell migration under ...

Synthesis of Hydrogels with Antifouling Properties As Membranes for Water Purification

Hydrogels have been widely utilized to enhance the surface hydrophilicity of membranes for water purification, increasing the antifouling properties and thus achieving stable water permeability through membranes over time. Here, we report a facile method to prepare hydrogels based on zwitterions for membrane applications. Freestanding films can be prepared from sulfobetaine methacrylate (SBMA) with a crosslinker of poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) via photopolymerization. The hydrogels can also be prepared by impregnation into hydrophobic porous supports to enhance the mechanical strength. These films can be characterized by attenuated total reflection Fourier transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR) to determine the degree of conversion of the (meth)acrylate groups, using goniometers for hydrophilicity and differential scanning calorimetry (DSC) for polymer chain dynamics. We also report protocols to determine the water permeability in dead-end filtration systems and the effect of foulants (bovine serum albumin, BSA) on membrane performance.

This paper reports practical methods to prepare hydrogels in freestanding films and impregnated membranes and to characterize their physical properties, including water transport properties.

סינתזה של הידרוג עם מאפייני Antifouling ופלטות לטיהור מים

Hydrogels have been widely utilized to enhance the surface hydrophilicity of membranes for water purification, increasing the antifouling properties and ...

Ammonia Synthesis at Low Pressure

Ammonia can be synthesized at low pressure by the use of an ammonia selective absorbent. The process can be driven with wind energy, available locally in areas requiring ammonia for synthetic fertilizer. Such wind energy is often called &#34;stranded,&#34; because it is only available far from population centers where it can be directly used.
In the proposed low pressure process, nitrogen is made from air using pressure swing absorption, and hydrogen is produced by electrolysis of water. While these gases can react at approximately 400 &#176;C in the presence of a promoted conventional catalyst, the conversion is often limited by the reverse reaction, which makes this reaction only feasible at high pressures. This limitation can be removed by absorption on an ammine-like calcium or magnesium chloride. Such alkaline metal halides can effectively remove ammonia, thus suppressing the equilibrium constraints of the reaction. In the proposed absorption-enhanced ammonia synthesis process, the rate of reaction may then be controlled not by the chemical kinetics nor the absorption rates, but by the rate of the recycle of unreacted gases. The results compare favorably with ammonia made from a conventional small scale Haber-Bosch process.

Ammonia can be synthesized at low pressure by using a conventional catalyst and an ammonia selective absorbent.

סינתזה אמוניה בלחץ נמוך

Ammonia can be synthesized at low pressure by the use of an ammonia selective absorbent. The process can be driven with wind energy, available locally in ...

Synthesis of Functionalized 10-nm Polymer-coated Gold Particles for Endothelium Targeting and Drug Delivery

Gold nanoparticles (AuNPs) have been used extensively in medical research due to their size, biocompatibility, and modifiable surface. Specific targeting and drug delivery are some of the applications of these AuNPs, but endothelial extracellular matrices&#39; defensive properties hamper particle uptake. To address this issue, we describe a synthesis method for ultrasmall gold nanoparticles to improve vascular delivery, with customizable functional groups and polymer lengths for further adjustments. The protocol yields 2.5 nm AuNPs that are capped with tetrakis(hydroxymethyl)phosphonium chloride (THPC). The replacement of THPC with hetero-functional polyethylene glycol (PEG) on the surface of the AuNP increases the hydrodynamic radius to 10.5 nm while providing various functional groups on the surface. The last part of the protocol includes an optional addition of a fluorophore to allow the AuNPs to be visualized under fluorescence to track nanoparticle uptake. Dialysis and lyophilization were used to purify and isolate the AuNPs. These fluorescent nanoparticles can be visualized in both in vitro and in vivo experiments due to the biocompatible PEG coating and fluorescent probes. Additionally, the size range of these nanoparticles render them an ideal candidate for probing the glycocalyx without disrupting normal vasculature function, which may lead to improved delivery and therapeutics.

We describe a method of synthesizing biocompatible 10-nm gold nanoparticles, functionalized by coating poly-ethylene glycol onto the surface. These particles can be used in vitro and in vivo for delivering therapeutics to nanoscale cellular and extracellular spaces that are difficult to access with conventional nanoparticle sizes.

סינתזה של Functionalized 10-nm פולימר מצופה זהב חלקיקים אנדותל הכוונת משלוח סמים

Gold nanoparticles (AuNPs) have been used extensively in medical research due to their size, biocompatibility, and modifiable surface. Specific targeting ...