JoVE Logo
АВТОРЫ
СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

Войдите в систему

Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.

В этой статье

  • Резюме
  • Аннотация
  • Введение
  • протокол
  • Результаты
  • Обсуждение
  • Раскрытие информации
  • Благодарности
  • Материалы
  • Ссылки
  • Перепечатки и разрешения

Резюме

Millifluidic устройства используются для контролируемого синтеза наноматериалов, с временным разрешением анализа механизмов реакций и непрерывного катализа потока.

Аннотация

Процедуры, использующие millifluidic устройства для химического синтеза и временным разрешением механистических исследований описываются принимая три примера. В первой, синтез ультра-малых нанокластеров меди описано. Второй пример предоставляет их полезность для исследования времени решены кинетики химических реакций на основе анализа формирования наночастиц золота с использованием месте рентгеновской абсорбционной спектроскопии в. Последний пример демонстрирует непрерывный поток катализ реакций внутри millifluidic канала, покрытых наноструктурированного катализатора.

Введение

Лаборатория-на-чипе (LOC) устройства для химического синтеза продемонстрировали значительное преимущество в плане повышения массо-и теплопередача, удобство управления реакции, высокой пропускной способностью и более безопасной эксплуатации окружающей среды 1. Эти устройства могут быть в целом разделить на чип на основе струйной и nonchip основе жидкостных устройств. Среди струйной чиповых, микрофлюидики хорошо исследованы и тема хорошо освещены в литературе 2-5. Системы LOC Nonchip основе использовать трубчатых реакторов 6. Традиционно, микрофлюидных системы используются для точного контроля и манипуляции жидкостей, которые геометрически ограниченных в субмиллиметровом масштабе. Мы недавно ввели понятие чиповых millifluidics, которые могут быть использованы для манипулирования жидкости в каналах в миллиметровой шкале (ширины или глубины или оба из каналов, по меньшей мере миллиметра) 7-9. Кроме того, millifluidic чипы могут быть сравнительно легко изготовить бееле предлагая такой же контроль над скорости потока и манипулирования реагентов. Эти чипы также могут работать при более высоких скорости потока, создавая меньшие время пребывания, тем самым, предлагая возможность для расширения масштабов контролируемого синтеза наночастиц с узким распределением по размерам. В качестве примера, мы недавно продемонстрировали синтез ультра-малых нанокластеров меди и характеризуется их с помощью месте рентгеновской абсорбционной спектроскопии в, а также ТЭМ. Возможность получить небольшие времени пребывания в millifluidic каналов в сочетании с использованием MPEG, который является очень эффективным бидентатный пегилированный стабилизирующий агент для образования стабильных коллоидов нанокластеров меди 7.

В дополнение к синтезу химических веществ и наноматериалов, в millifluidics могли бы предложить, в связи с увеличением объема и концентрации на участке зонда, синтетического платформу, которая является более обобщенной и эффективным для временным разрешением кинетических исследований, а также достижимVES лучший сигнал-шум, чем микрофлюидных систем 7,10. Покажем использование millifluidic чип в качестве примера для времени решены анализа роста золота наноструктур из раствора с помощью на месте XAS с временным разрешением, как маленький 5 мс 11.

Кроме того, большинство микро реакторов, разработанных на сегодняшний день для катализа приложений основаны на кремниевой 12,13. Их изготовление дорогой в дополнение к малых объемов генерируемых делает их непригодными для крупномасштабного производства. Два основных способа покрытия каналов с нанокатализаторов - химических и физических, часто упоминается как процедуры кремния покрытия, в настоящее время в моде 14,15. В дополнение к дорогого микро изготовления, засорение каналов делает микро реактор катализа, могут не подходить для крупномасштабного производства. Хотя микрореакторы были использованы для гетерогенного катализа в микро непрерывных проточных процессов earliэ 16-18, способность контролировать размер и морфология встроенных катализаторов золото наноструктурированных внутри каналов проточных никогда не изучен ранее. Недавно мы разработали технологию для покрытия millifluidic каналов с Au катализаторов, с контролируемой нано морфологию и размеры (рис. 5) 11, для проведения катализ промышленно важных химических реакций. В качестве примера мы показали превращение 4-нитрофенола в 4-аминофенола, катализируемой наноструктурного золота, покрытого внутри millifluidic каналов. Учитывая, что один millifluidic чип реактор может производить скорости потока 50-60 мл / ч, 7 высокой пропускной и контролируемого синтеза химических веществ можно либо через непрерывной работы потока или параллельной обработки.

Для того, чтобы заработать на возможностях в millifluidics предлагают, с нескольких примеров, описанных как и выше, также демонстрируют дружественныйmillifluidic устройство, которое является портативным и обладает все необходимые компоненты, такие как millifluidic чипов, коллекторы, регуляторы потока, насосов и электрических соединений интегрированы. Такой millifluidic устройство, как показано на рисунке 7, теперь доступен от компании Millifluidica LLC ( www.millifluidica.com ). Рукопись также обеспечивает протокола с ручной millifluidic устройство, как описано ниже, для контролируемого синтеза наноматериалов, с временным разрешением анализа механизмов реакций и непрерывного катализа потока.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

протокол

Millifluidics настройки: Приобретите millifluidic чип (из полиэфирного политерефталата) от Microplumbers Microsciences LLC, которая имеет змеиные каналов с размерами 2 мм (Ш) х 0,15 мм (В) х 220 мм (L). Используйте FEP труб с размерами 0,25 мм ID, 1/16 в ОД, для подключения чипа к насосу. Использование двух различных насосов для двух различных экспериментах. Использование P-насоса для первого эксперимента (наночастиц меди) и millifluidic устройства для второго эксперимента (наночастиц золота). Чтобы свести к минимуму проблемы пузырьков газа в каналах, свежеприготовленный раствор NaBH 4 был оставлен открытым стоять в течение ~ 10-15 мин до накачки в кристалле таким образом, чтобы пузырьки газа уйти от раствора. За этим шагом для всех наших экспериментов.

1. Синтез Крохотные Медь Nano кластеров (UCNCs)

  1. Химикаты, необходимые: Получить меди (II), НитраТе гидрат, борогидрид натрия, гидроксид натрия гранулы и O-[2 - (3-меркаптопропиониламино) этил]-O'-methylpolyethylene гликоль (MW = 5000) [MPEG] и использовать все химические вещества без дополнительной очистки. Использование NanoPure воду (18,2 МОм-см) в течение эксперимента.
  2. Использование P-насоса регулируется под давлением азота в течение эксперимента. Испытание насосов с водой в качестве растворителя при различных давлениях до начала эксперимента коррелируют с соответствующими скорости потока (мл / ч). Промыть millifluidic реактор и трубку деионизированной водой до начала эксперимента.
  3. Растворите 174 мг (0,95 ммоль) меди (II), нитрат и 610 мг (0,122 ммоль) О-[2 - (3-меркаптопропиониламино) этил]-О'-methylpolyethylene гликоля в 28 мл NanoPure водой и держать их в флакон быть соединен с одним входным каналом
  4. Хранить другой раствор 111 мг (2,93 ммоль) боргидрида натрия и 102 мг (2,78 ммоль) гидроксида натрия в 28 мл (рН ~ 13) в другой сосуд и соединить его сДругой вход канала.
  5. Расход оба решения одновременно в millifluidic реактора на разных системах, работающих с (см. ниже) и собирать в результате UCNCs на выходе в стеклянном флаконе. Выпустите решение азотом и хранить его в атмосфере азота.
  6. Эксплуатации насосов при различных постоянных давлении 50 мбар (6,81 мл / ч), 100 мбар (14,31 мл / ч), 200 мбар (32,7 мл / ч) и 300 мбар (51,4 мл / ч) при комнатной температуре в течение синтеза UCNCs на разных системах, работающих с.

Хотя процедура синтеза был продемонстрирован с использованием millifluidic установку с P-насос, он также может быть осуществлен с помощью ручного millifluidic устройство из Millifluidica.

2. С временным разрешением на месте кинетических исследований на основе наночастицы золота формирования

  1. Химикаты, необходимые: Получение хлорзолотую кислоту (HAuCl 4 3H 2 O). Мезо-2 ,3-димеркаптосукциновой кислота (DMSA) и борогидрид натрия и #160, а также использовать все химические вещества без дополнительной очистки. Использование NanoPure воду (18,2 МОм-см) в течение эксперимента.
  2. Используйте высокую точность, полностью автоматизированные, пульсации бесплатно шприцевые насосы течь жидкостей в чипе. Проверьте насосы с водой в качестве растворителя при различных системах, работающих до эксперимента для оптимизации требуемого скорости потока.
  3. Подготовка стандартных растворов (I) HAuCl 4. 3H 2 O (10 ммоль, 118,2 мг/30 мл) и (II) DMSA (20 ммоль, 109,2 мг/30 мл) с 50 мг гидроксида натрия (рН 12) в NanoPure вода.
  4. Поток через два решения двух отдельных шприцев в millifluidic чипа при постоянной скорости потока 10 мл / час с использованием автоматизированной насос.
  5. Пара millifluidic чип для синхротронного пучка линии с использованием этап металла, который имеет доступ к движению в XYZ направлениях и собирать данные XAS в разных зонах на чипе как растворы прокачивается через чип.

В то время как в анализе месте процедура была продемонстрирована с помощью millifluidic установку с P-насос, он также может быть осуществлена ​​с использованием ручного millifluidic устройство.

3. Непрерывный поток золота Катализ

Эта процедура была продемонстрирована с использованием ручного millifluidic устройства.

  1. Химикаты, необходимые: Получение хлорзолотую кислоту (HAuCl 4 3H 2 O)., Мезо-2 ,3-димеркаптосукциновой кислоты (DMSA), боргидрид натрия, 4-нитрофенола, 4-аминофенол и использовать все химические вещества без дополнительной очистки. Использование NanoPure воду (18,2 МОм-см) в течение эксперимента.
  2. Получение катализатора:. Подготовка стандартных растворов HAuCl 4 3Н 2 О (10 ммоль, 118,2 мг/30 мл), DMSA (20 ммоль, 109,2 мг/30 мл) и NaBH 4 (10 ммоль, 11,34 мг/30 мл) в NanoPure вода.
  3. Возьмите 10 мл каждого из HAuCl 4 и решений DMSA в двух отдельных флаконах и е течьет в пределах чипа с помощью ручного устройства millifluidic с равномерной скоростью потока 12 мл / ч в течение 45 мин.
  4. Поток 10 ммоль NaBH 4 в чипе на 12 мл / час расхода в течение 15 мин, чтобы уменьшить Au (I) в Au (0).
  5. Наконец, мыть чип с NanoPure воде в течение 30 мин при той же скорости потока перед проведением экспериментов катализе.
  6. Катализ реакции: проводить реакцию химической конверсионной (уменьшение) 4-нитрофенола (4-NP) в 4-аминофенола (4-AP) в золотого катализатора (полученного выше) с покрытием millifluidic канал, как указано ниже.
  7. Смешайте 15 мл 9 х 10 -5 моль раствору 4-NP с 3,3 мл 0,65 моль NaBH 4 растворе с образованием 4-nitrophenolate ион (4-НПИ).
  8. Pass полученного раствора над золотого катализатора, нанесенного в пределах чипа при постоянной скорости потока 5 мл / ч для оценки каталитической активности. Анализ UV-VIS спектры собранных продуктов в диапазоне длин волн от 250-500 нм, чтобы подтвердить преобразование 4-NP.
  9. Оцените каталитическую активность в реакции путем получения калибровочной кривой 4-НПИ. Калибровочная кривая может быть получена путем построения интенсивность экспериментально наблюдаемое поглощения (I) 4-НПИ при различных концентрациях стандартных. Высоты пиков (на 399 нм) для кривых UV-VIS поглощения представляют интенсивность поглощения (I) значения и в соответствии с законом пиво Ламберта, любое изменение в значение высоты пика покажет соответствующее изменение его концентрации. Таким образом, оценить каталитическую активность путем нахождения разницы в начальных и конечных концентраций реагента с калибровочной кривой. Например, если высота пика 1 единица (рис. 6) это соответствует каталитической конверсии 90% (на основе калибровки участка).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Результаты

Ну разошлись и единые размера нанокластеров меди с узким распределением по размерам были получены на установке millifluidic чип (рис. 1а). Различные скорости потока, используемые для синтеза не оказывают существенное влияние на размер кластеров. Тем не менее, с увеличением скорости потока, ес...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Обсуждение

В UCNCs были сформированы реакции восстановления нитрата меди боргидридом натрия в присутствии полимерного укупорки агента O-[2 - (3-меркаптопропиониламино) этил]-O'-methylpolyethylene гликоля (MW = 5000) [MPEG]. Реакцию проводили в реакторе millifluidic стружки при различных скорости потока, такие как 6,8 мл / ч, ...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Раскрытие информации

Все авторы, кроме ЧССР Кумар заявляют, что они не имеют конкурирующие финансовые интересы. С. ССР Кумар является основателем компании Millifluidica ООО.

Благодарности

Эта работа поддерживается как часть Центра атомного уровня Catalyst дизайна, научно-исследовательский центр пограничной энергии, финансируемого Департаментом энергетики США, Управление по науке, Управления основной энергии наук при Award Количество DE-SC0001058 а также при поддержке Совета Риджентс по грантам награждения числа LEQSF (2009-14)-EFRC-МАТЧ и LEDSF-EPS (2012)-OPT-IN-15. Операции MRCAT поддерживаются Министерством энергетики и учреждений-членов MRCAT. Использование передовых фотонных Источник в ANL поддерживается Министерством энергетики США, Управление по науке, Управления основной энергии наук, по договору № DE-AC02-06CH11357. Финансовая поддержка JTM была предоставлена ​​в рамках Института Атом-эффективных химических превращений (IACT), в научно-исследовательский центр энергии пограничной финансируемого Департаментом энергетики США, Управление по науке, Управления основной энергии наук.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Материалы

NameCompanyCatalog NumberComments
Copper (II) nitrate hydrateSigma-Aldrich13778-31-999.999% pure
O-[2-(3-mercaptopropionylamino)ethyl]-O′-methylpolyethylene glycolSigma-Aldrich401916-61-8MW=5,000
HAuCl4.3H2O (Chloroauric acid)Sigma-Aldrich27988-77-899.999% pure
meso-2,3-dimercaptosuccinic acid (DMSA)Sigma-Aldrich304-55-2~98% pure
4-NitrophenolSigma-Aldrich100-02-7spectrophotometric grade
4-AminophenolSigma-Aldrich123-30-8>99% pure (HPLC grade)
Sodium borohydrideSigma-Aldrich16940-66-298% pure
Sodium hydroxide pelletsSigma-Aldrich1310-73-299.99% pure
EQUIPMENT
Millifluidic ChipsMicroplumbers Microsciences LLCSDC-01Made from polyester terephthalate polymer
Pressure PumpMitos P-Pump, Dolomite3200016
Automated Syringe PumpCetoni Automation and Microsystems, GmbHSyringe pump neMESYS
UV-3600 UV-VIS-NIR SpectrophotometerShimadzu
Hand-held Millifluidic DeviceMillifluidicaSCMD-1008Figure 7

Ссылки

  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).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи

Запросить разрешение

Смотреть дополнительные статьи

81MillifluidicsMillifluidic

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

РЕКОМЕНДОВАТЬ БИБЛИОТЕКЕ

НОВОСТИ JoVE

Исследования

Образование

АВТОРЫ

Библиотекарь

О JoVE

Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены