結晶化プロセスのスケール阻害と連続X線回折分析のためのマイクロフロー構成の評価

Evaluation of microflow configurations for scale inhibition and serial X-ray diffraction analysis of crystallization processes.

• Mark A Levenstein
• Yi-Yeoun Kim
• Liam Hunter
• Clara Anduix-Canto
• Carlos González Niño
• Sarah J Day
• Shunbo Li
• William J Marchant
• Phillip A Lee
• Chiu C Tang
• Manfred Burghammer
• Fiona C Meldrum
• Nikil Kapur

抄録

マイクロ流体デバイスが提供するクリーンで再現性の高い条件は、化学反応や生化学反応、組立プロセスのin situ分析に理想的なサンプル環境です。しかし、マイクロ流路のサイズが小さいため、結晶の核生成や成長により流路のファウリングや閉塞の原因となる難溶性物質の結晶化をオンチップで研究することは困難です。ここでは、我々は、シリアルX線回折分析のための再利用可能な挿入ベースのマイクロ流体プラットフォームを実証し、温度の範囲で連続的およびセグメント化されたフロー構成に応答してスケール形成を調べます。連続的な流れの下では、反応器の壁にスケールが形成され、結晶化種の混合がほぼ即座に始まり、時間の経過とともに流路の閉塞をもたらします。流路の最初にイオンが枯渇すると、流路の最後に向かって結晶化が減少します。逆に、セグメント化された流れは、結晶化を制御することができるので、結晶化は液滴内で完全に発生します。その結果、チャネル内の空間的な位置は、結晶化プロセスの時間的なポイントを表しています。それぞれの方法は有用な結晶学的情報を提供することができますが、リアクターのファウリングが発生し、時間とともに溶液の状態が変化すると、時間分解された情報は失われます。単一の装置内の流れを操作することで、表面相互作用や溶液の結晶化に対応した幅広い情報を得ることができます。

The clean and reproducible conditions provided by microfluidic devices are ideal sample environments for in situ analyses of chemical and biochemical reactions and assembly processes. However, the small size of microchannels makes investigating the crystallization of poorly soluble materials on-chip challenging due to crystal nucleation and growth that result in channel fouling and blockage. Here, we demonstrate a reusable insert-based microfluidic platform for serial X-ray diffraction analysis and examine scale formation in response to continuous and segmented flow configurations across a range of temperatures. Under continuous flow, scale formation on the reactor walls begins almost immediately on mixing of the crystallizing species, which over time results in occlusion of the channel. Depletion of ions at the start of the channel results in reduced crystallization towards the end of the channel. Conversely, segmented flow can control crystallization, so it occurs entirely within the droplet. Consequently, the spatial location within the channel represents a temporal point in the crystallization process. Whilst each method can provide useful crystallographic information, time-resolved information is lost when reactor fouling occurs and changes the solution conditions with time. The flow within a single device can be manipulated to give a broad range of information addressing surface interaction or solution crystallization.