Future of Microwave Sample Preparation

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Systèmes de laboratoire Par Micro-ondes
Applications Chemical synthesis
Applications Analytic
Applications Process
Applications BioSciences
2
Une Micro-Onde
?
c
H
?
?
Champ électrique
H
Champ magnétique
?
longueur donde (12.2 cm pour 2450 MHz)
c
vitesse de la lumière (300 000 km/s)
3
Spectre Electromagnétique
X-Rays
Ultraviolet
Infrarouge
Micro-onde
Visible
Radio
Radiation Laser
10-10
10-9
10-8
10-7
10-6
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
1
Longueur donde (mètres)
3x1012
3x1010
3x108
3x106
3x104
3x102
Fréquence (MHz)
Vibrations moléculaires
Electrons couches internes
Electrons couches externes(valence)
Rotations moléculaires
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Energie Micro-Onde Vs autres Energies
Electromagnétiques
Type
Fréquence
Quantum
Liaison
Energie
Radiation
Energie
Chimique Type
liaison
Type
(MHz)
(Kcal /mole)
(Kcal/mole)
Rayons Gamma
3.0 x 1014
H
OH
2.86 x 107
120
H
CH3
104
Rayons X
3.0 x 1013
2.86 x 106
H
NHCH3
92
Ultraviolet
1.0 x 109
95
H3C
CH3
88
Visible
6.0 x 108
58
PhCH2
COOH
55
Infra-rouge
3.0 x 106
0.28
H
H
H
Micro-ondes
2450
0.037
O
48
O
(-)
H
Radio
1
9 x 10-8
(-)
E Neas, Basic Theoretical Considerations in
Microwave Chemistry, Breukelen, Sept. 1992
5
Interaction des Matériaux avec les Micro-ondes
Réflechissant
Conducteur
Les métaux réfléchissent lénergie Micro-onde et
ne chauffent pas.
Transparent
Isolant
De nombreux matériaux sont transparents à
lénergie micro-onde et ne chauffent pas mais
sont de bons isolants.
Absorbant
Diélectrique
Ces matériaux absorbent lénergie Micro-onde et
chauffent.
6
Labsorption de lénergie micro-onde est produite
par deux mécanismes
Rotation Dipolaire Conduction Ionique
7
Rotation Dipolaire Interaction du champ
électrique Micro-onde avec la molécule deau
8
Conduction Ionique
-
Interaction des micro-ondes avec le
Carbonate de Calcium
9
Chauffage par Conduction
.
.
.
Courants de Convection
.
.
.
La température des parois extérieures est
supérieure à la température débullition du
liquide.
10
Chauffage par Micro-Ondes
Parois transparentes à lénergie micro-onde
Mélange réactif-solvant absorbe lénergie
micro-onde
Chauffage micro-onde
Point chaud localisé
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Comment lénergie micro-onde accélère les
réactions et augmente le rendement?

• Le transfert rapide dénergie qui crée des
  conditions déséquilibrées donne des hautes
  températures instantanées (Ti)
• Ce transfert active un plus fort pourcentage de
  molécules au-dessus du niveau dénergie requis

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Energie Micro-onde vs. Energie dActivation
Requise

• Energie dActivation pour transformation typique
• 50 kcal/mole
• Pour 30 mg de Réactants
• Poids Mol. Moyen 300 g/mole
• Ea 5 cal
• Energie Micro-onde appliquée
• 300 Watts 72 cal/second
• Lenergie micro-onde fournit 10 fois plus
  dénergie que
  lEa requise par seconde!

13
Energie potentielle
Energie Potentielle
Coordonnées de la Réaction
14
Vitesse de Réaction
Fréquence de collisions avec la géomètrie
correcte requise pour la réaction
K Vitesse réaction constante Ae-Ea / RTi
Fraction des molécules avec le minimum dénergie
requis pour la réaction
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Evolution des Systèmes utilisant la Technologie
Micro-onde
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Système Multimode

• Avantages
• Cavité de grande dimension avec niveaux de
  puissance fournie importants
• Conception industrielle
• Utilisé pour réaction par lot de grande quantité
• Grande variété daccessoires

• Désavantages
• Intensité du champ (typiquement entre 25 30
  w/L) trop faible pour traitement déchantillons
  de faible taille
• Non Uniformité du champ -  points chauds  -
  Reproductibilité faible
• Variations entre unités

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Système Multi-mode
Isolateur
Guide dondes
Micro-ondes
Micro-ondes Réfléchies
Magnetron (générateur micro-ondes)
Cavité Micro-onde
Echantillon
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Système Mono-Mode

• Avantages
• Distribution Uniforme de lénergie
• Bon Couplage avec échantillons de faible taille
• Haute densité de puissance donc chauffage plus
  rapide

• Désavantages
• Demande normalement couplage avec charges
  différentes
• Très sensible à la taille de léchantillon et aux
  caractéristiques de couplage
• Cavité de faible dimension, échantillons de
  faible taille(lt100 mL)

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Système Mono-Mode Original
Brevets Nos. EP 2643829, US 4681740, US 5059400
c. 1988
20
Système Mono-Mode Conventionnel(avec Mécanismes
de couplage)
Réacteur (fermé)
Magnétron
Moteur pour dispositif de couplage
Dispositif de couplage
Guide donde
21
Cavité Auto adaptative CEM
22
Système Micro-onde Focalisée? CEM(Cavité
mono-mode auto adaptative?)
? Brevets 6648659, 6666223, autres en cours
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Cavité micro-onde Mono-mode Auto-adaptative

• Pas de couplage requis, le système sadapte
  automatiquement aux changements de léchantillon
• Propriétés physiques
• Volume
• Position

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Cavité Auto Adaptive Mono-Mode (Adaptation
automatique aux changements des propriétés
chimiques de léchantillon)
Echantillon peu polaire /ou Ionique
Echantillon plus polaire et/ou Ionique
? Brevets 6648659, 6666223, autres en cours