KR20010031021A

KR20010031021A - 촉매 평가용 촉매 라이브러리의 방사선 활성화와 스크리닝및 그 반응장치

Info

Publication number: KR20010031021A
Application number: KR1020007003828A
Authority: KR
Inventors: 아트킨스마틴필립; 센칸셀림메흐멧
Original assignee: 레이저 캐탈리스트 시스템즈 인크; 데이 수잔 자넷; 비피 케미칼즈 리미티드
Priority date: 1997-10-10
Filing date: 1998-10-08
Publication date: 2001-04-16
Also published as: AU9449498A; JP2001520380A; NZ503731A; PL339834A1; EP1019713A1; BR9812909A; NO20001787D0; CA2306256A1; CN1281551A; NO20001787L; ID24631A; AU736438B2; WO1999019724A1

Abstract

주소지정가능한 테스트 사이트를가지는 촉매 라이브러리의 활동성과 선택성을 위한 신속한 스크리닝은 주소지정가능한 테스트 사이트에서 생성물 플룸을 형성하는 반응물 스트림과 테스트 사이트에서의 포텐셜 촉매를 접촉시킴으로써 성취된다. 생성물 플룸은 개별적으로 주소지정가능한 테스트 사이트에 근접하여 본래 미소전극 수집에 의해 검출되는 특정 광이온과 광전자의 형성을 증진시키도록 하는 에너지 레벨의 방사선 빔을 통과시킴으로써 성취된다. 생성물 플룸은 열 대 열 단위로 스크리닝될 수 있거나, 전체 촉매 라이브러리로부터 촉진되는 모든 생성물 플룸이 동시에 스크리닝될 수 있다. 방사선 스크리닝을 위한 적절한 반응장치와 미소반응장치가 개시된다.

Description

촉매 평가용 촉매 라이브러리의 방사선 활성화와 스크리닝 및 그 반응 장치{RADIATION ACTIVATION AND SCREENING OF CATALYST LIBRARIES FOR CATALYST EVALUATION AND REACTORS THEREFOR}

관련 기술인 고체 및 액체 촉매의 설명은 화학물과 연료의 막대한 양의 배열의 제조에 사용되고 있으며, 이러한 방식으로 경제와 높은 생활수준에 큰 기여를 하고 있다. 또한, 촉매는 내연 엔진용의 촉매 변환기에서와 같이, 중요한 환경적인 이익을 제공한다. 그러나, 이러한 중요성과 광범위한 활용성에도 불구하고, 새롭고 향상된 촉매의 개발은 어렵고 약간은 예상치 못한 시행착오 공정으로 계속되어 왔다. 종래에는, 각각의 촉매는, 더이상의 향상이 나타나지 않을 때까지, 지루하며 시간 소비적인 여러가지 많은 방법들을 이용하여, 촉매 활동이 특성화되고 테스트되며, 변경되며, 다시 특성화되고 테스트되면서 준비되어 왔다. 이러한 접근은, 비록 시간 소비적이지만, 하이네만 에이치(Heinemann, H.)의, 사이언트 앤드 테크놀러지(Science and Technology)의 촉매파트, "A Brief History of Industrial Catalysts", "Anderson, J.R. 과 Boudart, M." 의 1981 년 베를린에서 출판된 "Springer-Verlag"의 제 1 장에 다르면 상당한 수의 고체 상태의 촉매, 및 "Montreus et al" 의 1988 년 뉴욕에서 출판된 "Industrial Application of Industrial Catalysts"에 따르면 액체 상태의 촉매의 발견에 성공적이었다.

많은 수의 화학 변형체들이 신속하게 생성되어 적절한 기술을 사용하여 희망하는 특성이 스크리닝되는 화학 라이브러리가 발생되는 결합 화학(combinatorial chemistry)은 1996 년 2 월 12 일자 "Cnem. Eng. News" 에서 설명되는 바와 같이 새로운 촉매의 발견에 있어 특히 매력적인 접근법이다. 결합 합성은 처음에 펩타이드와 뉴클레오타이드와 같이, 생물학적 올리고머의 거대한 라이브러리를 합성하는데 사용되었지만, 약제 테스트에 사용될 수 있는 작은 분자 라이브러리의 생성은 성장하고 있다.(Nielsen, J.,Chem. ＆ Indu., 902, 21 Nov. 1994) 최근에, 결합적인 다양한 합성은 "Xiang, X-D et al" 의, "A Combinatorial Approach to Materials Discovery", Science 268, 1738, 1995 에 설명된 바와 같은 초전도와; "Briceno, G. et al" 의 "A Class of Cobalt Oxide Magnetoresistance Materials Discovered With Combinatorial Synthesis" Science, 270, 273, 1995 에 따른 자기저항과; "Wang, J. et al" 의 "Identification of Blue Photoluminescent Composite Material from a Composite Material from a Combinatorial Library" Science 279, 1712, 1998 과 "Danielson, E. et al" 의 "A Combinatorial Approach to the Discovery and Optimization of Luminescent Materials" Nature, 398, 944, 1997, "Sun, X-D et al" 의 "Identification and Optimization of Advanced Phodphors using Combinatorial Libraries", App. Phy. Lett., 70, 3353, 1997 과 "Sun, X-D et al" 의 "Solution-Phase Synthesis of Luminescent Materials Libraries", Adv. Mater., 9, 1046, 1997 에 사용되는 고체 상태의 콤파운드로 확장되어 왔다. 이들의 경우, 물리적으로 마스킹된 각각의 표본은 컴퓨터로 제어되는 멀티채널 스위칭 시스템을 가진 접촉 프로브를 사용하여 각각 측정되었다. "Senkan, S.M. et al" 의 "Chemical Structure of Fuel-Rich 1,2-C₂H₄Cl₂/CH₄/O₂/Ar Flames: Effects of Microprobe Cooling on Sampling of Flames of Chlorinated Hydrocarbon" 과 본래 "IR, Moates, F.C. et al" 의 "Infrared Thermographic Screening of Combinatorial Libraries of Heterogeneous Catalysts" Ind. Eng. Chem., 35, 4801, 1996 에서의 질량 분석법과 결합된 마이크로프로브 샘플링은 촉매 스크리닝용으로 제안되어 왔으나, 큰 촉매 라이브러리를 스크리닝하기 위한 충분한 민감도, 선택성, 공간 해상도 또는 높은 재료 처리용량을 갖지 못하는 심각한 결점과, 수백 또는 수천의 콤파운드를 테스트할 수 있는 능력의 부족을 경험하였다. 마이크로프로브 질량 분석법은 신속한 스크리닝에 실용적이지 않은 공정을 나타내는 각각의 사이트로부터 생성종의 낮은 밀도를 포함하는 매우 소량의 기체를 샘플링하여 이송시킬 필요가 있다. 원래의 적외선 기술은 촉매 증명에 중요한 생성물 민감도에 대한 정보를 제공할 수 없다.

이원, 삼원, 사원 및 고차수의 고체 상태 재료, 유기금속종과 월등한 촉매 특성을 가질 수 있는 다른 복잡한 금속 콤파운드의 커다란 아직 탐험되지 않은 다수로 남아있게 된다. 종래의 접근은 이 거대한 다수의 촉매 콤파운드를 신속하게 합성하고 스크리닝하기에 부적합하였다. 불균질 및 균질 상태에서 촉매 라이브러리를 생성하며 희망하는 촉매 특성을 위해 이들을 스크리닝할 보다 효율적이고 체계적인 방법의 개발이 명백히 필요하였다. 복합 고체 상태의 합성 기술은 새롭고 및/또는 향상된 촉매의 발견에 적용되어 오지 않았다. 이를 위한 중요한 장애물은 큰 촉매 라이브러리들을 신속하게 스크리닝하는데 사용될 수 있는, 광범위하게 적용가능하며, 민감성이 있으며, 선택적이며 그리고 높은 재료 처리량 측정 기술의 부족이었다. 촉매 스크리닝은 종래의 접촉 프로브에 의해 용이하게 테스트될 수 있는 초전도성 또는 자기저항, 또는 빛의 방출에 의해 테스트될 수 있는 발광과는 달리, 큰 라이브러리상의 작은 촉매 사이트에 근접하여 특정 생성물 분자의 존재의 명백한 검출을 필요로 한다.

본 발명은 이질 및 동질의 촉매 라이브러리의 활성화 및 선택을 위한 신속한 스크리닝에 관한 것이다. 본 발명은 선택적인 공명이 강화된 다수 광자 이온화(resonance enhanced multiphoton ionisation; REMPI)에 의해 촉매 라이브러리내의 모든 촉매 사이트로부터 기체, 액체 또는 고체 생성물의 동시적인 스크리닝을 제공한다.

도 1 은 생성종의 REMPI 미소전극 검출의 원리를 도시하는 개략도;

도 2 는 물리적 마스킹을 가진 촉매 라이브러리의 반응 접촉에 의해 형성되는 생성물의 REMPI 미소전극의 개략도;

도 3 은 특정 반응 T 형상 튜브를 통한 촉매 라이브러리의 반응 접촉에 의해 형성되는 생성물의 REMPI 미소전극 검출의 개략도;

도 4 는 경사진 테스트점을 가진 도 3 과 유사한 개략도;

도 5 는 다공점을 통한 유동을 가진 촉매 라이브러리의 반응 접촉에 의해 형성된 생성물의 REMPI 미소전극 검출의 개략도;

도 6 은 모노리스 구조물상의 촉매 코팅의 촉매 라이브러리의 반응 접촉에 의해 형성되는 생성물의 REMPI 미소전극 검출의 개략도;

도 7 은 REMPI 미소전극 검출을 위해 생성물의 확장 냉각을 가진 모노리스 촉매 라이브러리의 개략도;

도 8 은 REMPI 미소전극 검출 열을 가진 편평한 판의 고체 촉매 라이브러리를 갖춘 반응장치의 개략도;

도 9 는 다공질 사이트와 REMPI 미소전극 검출 열을 통한 반응유동을 가지는 편평한 판의 촉매 라이브러리를 갖춘 반응장치의 개략도;

도 10 은 모든 사이트의 동시적인 REMPI 미소전극 검출을 가진 도 9 에 도시된 바와 같은 반응장치의 개략 평면도;

도 11 은 REMPI 미소전극 검출 열을 통한 반응유동을 가진 모노리스 고체 촉매 라이브러리를 가진 반응장치의 개략도;

도 12 는 모든 사이트의 동시 REMPI 미소전극 검출을 가진 모노리스 고체 촉매 라이브러리를 갖춘 반응장치의 개략도;

도 13 은 생성물의 REMPI 미소전극 검출을 갖춘 동질의 촉매 사이트를 위한 반응 접촉을 가진 촉매 라이브러리의 개략도;

도 14 는 생성물의 REMPI 미소전극 검출 열을 통한 반응 유동을 가진 동질의 촉매 라이브러리를 가진 반응장치의 개략도;

도 15 는 생성물의 REMPI 미소전극 검출과 촉매접촉을 위해 그리고 기체 분배를 위해 고체 촉매 라이브러리를사용하는 촉매 라이브러리의 개략도;

도 16 은 REMPI 미소전극 검출을 위한 생성물의 확장 냉각을 총한 반응 유동을 가진 이질의 촉매 라이브러리의 개략도;

도 17 은 생성물의 REMPI 미소전극 검출을 위해 고체 및/또는 액체 생성물의 기화를 위한 제거 레이저를 사용한 촉매 라이브러리의 개략도;

도 18 은 TOF-MS 에 의한 벤젠과 시클로헥산의 분자 빔 REMPI 스펙트럼을 나타내는 도면;

도 19 는 벤젠과 시클로헥산의 미소전극 REMPI 스펙트럼을 나타내는 도면;

도 20 은 벤젠 생성물에 대한 촉매 라이브러리 사이트 활동으로부터의 미소전극 REMPI 신호를 나타내는 도면;

도 21 은 본 발명의 단일 미소 반응장치 시스템의 일 실시예의 개략도;

도 22 는 용해 침전에 적절한 본 발명의 단일 미소 반응장치의 다른 실시예의 개략도;

도 23 은 단일체내의 미소 반응장치의 배열의 개략도;

도 24 는 커버 웨이퍼를 갖춘 단일체내의 미소 반응장치의 배열의 다른 실시예의 개략도;

도 25 는 도 24 에 도시된 바와 같은 미소 반응장치의 수직 스택 배열상태인 촉매 라이브러리의 개략도;

도 26 은 프레임에 끼워맞추어지는 도 24 에 도시된 바와 같은 미소 반응장치 배열의 개략도;

도 27 은 인접하여 나란한 구성으로 배열되는 도 26 에 도시된 바와 같은 프레임내의 미소 반응장치의 배열의 개략도;

도 28a 와 도 28b 는 본 발명의 일 실시예에 따른 결합 촉매 라이브러리 준비와 스크리닝을 요약하여 설명하는 다이어그램;

본 발명은 결합 합성에 의해 생성되는 균질 및 불균질한 촉매 라이브러리의 활동성 및 선택성을 신속하게 스크리닝하기 위한 마이크로 반응장치와 높은 재료 처리방법을 제공한다. 고체 상태와 액체 상태의 촉매 라이브러리는 여러 가지의 기술을 사용하여 생성될 수 있으며, 많은 수의 화학 요소와 콤파운드의 조합을 포함할 수 있다. 원래 반응장치에서의 검출 방법은 공명이 강화된 다수 광자 이온화(REMPI)의 높은 민감도, 특이성 및 실시간 특성을 이용하며, 이 이온화의 펄스로 되며 조정가능한 이온화 광원은 반응물 및/또는 배경종을 이온화하지 않고 희망하는 반응 생성물을 선택적으로 광이온화하는데 사용된다. 특정 촉매 라이브러리와 접촉상태에 있는 반응물로부터 반응 생성물 플룸내에서 조정가능한 광선에 의해 발생되는 광이온 또는 광전자는 라이브러리 사이트에 근접하여 위치된 미소전극의 배열에 의해 검출된다. 본 발명이 조정가능한 이온화 빔을 사용하여 설명되지만, 특정된 광이온 및/또는 광전자의 형태를 증진시키기 위해 다른 에너지 레벨의 방사선 빔이 사용될 수 있다. 반응 생성물이 고체 또는 액체일 때, 이 생성물은 적절한 UV 레이저를 사용하여 이 생성물의 선택적인 광이온화에 의해 뒤따르는 펄스 레이저 빔을 사용하여 제거될 수 있다. 본 발명의 공정은 여러 반응 생성물 종을 검출함으로써 촉매 선택성에 대한 정보를 제공할 수 있다. 이것은 상이한 생성물들의 특정 이온들을 차례로 발생시키기 위해 상이한 광 주파수들을 사용하여 행해지며, REMPI 신호는 교정 표준을 사용함으로써 절대 집중으로 변환될 수 있다. 반응물 피드로 도입되는 내부 교정 표준은 또한 반응 생성물의 양을 재는데 사용될 수 있다. 본 발명의 공정은 광범위하게 적용가능하며, 전체 촉매 라이브러리를 동시에 스크리닝하는데 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 공정은 테스트에서 또는 완전한 크기의 화학 플랜트 공정에서 작동 수명, 촉매력을 감소시키는데 대한 저항성 및 촉매의 손실을 고찰하는데 사용될 수 있다.

촉매 특성을 위해 포텐셜 촉매 라이브러리의 신속한 스크리닝을 위한 본 발명의 공정은 복수의 주소지정가능한 사이트에서 포텐셜 촉매를 가지는 포텐셜 촉매 라이브러리를 형성하는 단계, 복수의 주소지정가능한 사이트에서 포텐셜 촉매와 접촉한 상태로 반응 기체를 통과시키는 단계, 및 주소지정가능한 사이트에서 반응 생성물의 기체 플룸을 스크리닝하는 단계를 포함하며, 이 스크리닝은 예를 들면 특정된 광이온 및/또는 광전자의 형성을 증진시키기 위한 주파수의 레이저 빔과 같은 특정된 이온과 전자를 형성하기에 충분한 에너지 레벨의 방사선 빔을 통과시키는 단계와 원래 주소지정가능한 사이트에 인접하여 미소전극 수집에 의해 형성된 광이온 및/또는 광전자를 검출하는 단계를 포함한다.

다른 실시예에 따라서, 본 발명은 반응 생성물의 방사 활성화 스크리닝을 위한 마이크로 반응장치이며, 이 마이크로 반응장치는 비활성 기질체, 상기 기질체의 일측상의 제 1 개구부로부터 상기 기질체의 대향측상의 제 2 개구부로 연장되는 반응장치 통로, 반응물이 촉매와 접촉가능하게 하는, 상기 반응장치 통로의 중앙부분내의 반응구역, 반응물 이송통로로서 사용되는 상기 반응구역으로부터 연장되는 상기 반응장치 통로의 반응구역, 및 생성물 출구통로로서 사용되는 상기 반응구역으로부터 연장되는 상기 반응장치 통로의 반응구역을 포함하며; 방사선 빔 통로는 상기 생성물 구역에 통상적으로 수직하며 가로지르는 상기 기질체를 통해 연장되며, 상기 방사선 빔 통로는, 상기 생성물 구역으로부터 상기 방사선 통로의 유체 고립과 방사선 빔의 통로와, 상기 생성물 구역을 상기 방사선 빔 통로로 가로지른 곳과 인접하는 상기 생성물 구역내의 미소전극을 제공하는 방사선 빔 접근창을 가진다.

본 발명의 상기 이점 및 다른 특징들은 도면을 참조하여 본 발명의 특정 실시예를 고찰함으로써 보다 잘 이해될 것이다.

복합적인 고체 상태 라이브러리의 생성은 1995 년 "Xiang, et al" 의 초전도; 1995 년 "Briceno, et al" 의 자기저항; 및 1997 년 "Wang et al" 과 "Sun et al" 의 발광의 측정을 위한 물리적인 마스킹을 가진 스퍼터링에 의해 성취되어 왔다. 다른 박막 침착 기술은 당해 기술에 공지되어 있으며, 예를 들면, 1997 년 "Danielson et al" 의 전자 빔 증발기술; "Miyao, T. et al" 의 "CVD Synthesis of Alumina-Supported Molybdenum Carbide Catalyst", Chem. Lett., 121, 561, 1996 의 열적 기술; "Kizling, M.B. et al" 의 "A Review of the Use of Plazma Techniques in Catalyst Preparation and Catalytic Reactions", Appl. Catalysis-A General, 147, 1, 1996 의 플라즈마 기술; "Kim, Y.J et al" 의 "Growth and Characterization of Pure Epitaxial α-Fe₂O₃(0001) and Fe₃O₄(001) Film by Plazma-Assisted Molecular Beam Epitaxy", Surf. Sci., 371,359, 1997 의 화학적 증기 침착, 분자 빔 적층성장; 및 "Gorbunov, A.A. et al" 의 "Ultrathin Film Deposition by Pulsed Laser Ablation Using Crossed Beams", App. Surf. Sci., 96-98, 649, 1996 과 "Russo, R.E." 의 "Make Catalytic Coatings by Pulsed-Laser Deposition", Chemitech, 12, 14, 1994 의 펄스 레이저 침착은 큰 고체 상태의 촉매 라이브러리를 생성하는데 사용될 수 있다. 이들 기술은 표면 화학의 양호한 제어를 제공하며, 고체 재료의 넓은 스펙트럼을 발생시키기에 이상적으로 적절하다. 공동침전과 침지와 같은 다른 잘 구성된 준비기술은 "Satterfield, C.N." 의 "Heterogeneous Catalysts in Practice", 2nd Ed., Chap. 4, 87, McGraw Hill, New York, 1991 에 따라촉매 라이브러리를 생성시키는데 또한 사용될 수 있다. 예를 들면, 매우 다양한 공침물이 평행하게 합성될 수 있으며, 이에 따른 슬러리/페이스트는 예를 들면, "Lemmo, A.V." 의 "Charaterisation of an Inkjet Chemical Microdispenser for Combinatorial Library Synthesis", Anal. Chem., 69, 543, 1997 에 따라서 공간적으로 주소지정가능한 사이트를 생성하기 위한 멀티채널 피펫 또는 솔레노이드 잉크젯 밸브를 사용하여 적절한 기질상에 적용될 수 있다. 또한 촉매 라이브러리는 예를 들면 촉매를 포함하는 적절한 액체 용액에 의해 기질상의 주소지정가능한 사이트에 이미 적용된 다공성 실리카 또는 알루미나와 같은 적절한 캐리어 재료를 침지시킴으로써 준비될 수 있다. 다음으로, 기질상에 적용된 침지와 슬러리/페이스트는 적절한 촉매 재료를 생산하도록 건조되며 처리될 수 있다. 또한, 다공성 촉매 라이브러리는 상기 설명된 다양한 막 침착 기술을 사용하여 촉매의 얇은 막들로 예를 들면 실리카 또는 알루미나 같은 다공성 캐리어를 코팅함으로써 준비될 수 있다. 이러한 접근의 중요한 관점은 구멍이 촉매 재료에 의해 막히는 것을 방지하기 위해 과도한 침착을 방지하는 것이다. 다공성 라이브러리와의 반응 접촉은 촉매 사이트상에 또는 촉매 사이트를 통해 통과함으로써 성취될 수 있다.

그러나, 촉매작용의 테스트시, 화학조성은 활성도의 유일한 결정인자는 아니다. 에지, 코너와 같은 표면의 물리적 특성과 결점, 및 구멍 크기는 1991 년 "Satterfield, C.N." 와 "Smith, J.M." 의 "Chemical Engineering Kinetics", Chap. 8, 327-358, McGraw Hill, New York, 1981 에 따라서 활성도를 결정하는데 영향을 줄 수 있다. 이들 특성은 촉매 준비 절차에 의해 대부분 결정된다. 따라서, 얇은 막 복합 라이브러리는 예를 들면, 산화, 환원, 하소, 침출, 혼입제의 연속적인 부가 및 당해 기술에 잘 공지된 다른 처리와 같이, 적절한 촉매 재료를 발생시키기 위한 다양한 처리 방법을 받게 될 수 있다. 또한, 이들 상이한 준비 공정은 최상의 촉매를 얻도록 테스트되어야 하는 촉매 제제화의 조합의 수를 실질적으로 증가시킨다.

또한, 불균질 촉매 라이브러리는 1991 년 "Satterfieldm C.N." 에 따라서 모노리스 또는 허니콤 구조를 사용함으로써 준비될 수 있다. 이들 재료는 평행하며, 일정하며, 직선이고 연결되지 않은 채널을 구비하여, 큰 촉매 라이브러리를 생성하기 위한 편리한 메트릭스를 구비한다. 제곱 인치당 약 10 에서 약 500 셀 가지 변화하는 셀 밀도를 가진 다양한 셀 형상과 크기가 촉매 라이브러리 사이트와 함께 생성될 수 있다. 그러나, 매우 다양한 희망하는 셀 밀도는 상기 범위내 및 상기 범위이상으로 만들어질 수 있다. 모노리스 구조물은 금속으로 만들어질 수 있거나 또는 건조와 소성이 뒤따르는 다이스를 통해 마그네시아-알루미나 실리케이트와 같은 무기 반죽으로부터 압출성형된다. 또한, 촉매 라이브러리는 무기 기질을 가진 금속 모노리스를 코팅함으로써 준비되며, 금속 상감은 종들의 셀간 확산을 방지하도록 차폐재로서 사용된다. 다음으로, 촉매는 상기 설명된 임의의 다양한 방법들을 이용하여 라이브러리 기질에 결합된다. 또한, 모노리스 구조물은 미소전극의 광학 접근 및 배치를 위해 기계가공될 수 있다. 예를 들면 유기금속 및 무기금속 화합물과 엔자임과 같은 다른 복잡한 분자를 포함하는 균질항 촉매 라이브러리는 "Burgess, K. et al" 의 "New Catalyst and Conditions for a C-H Insertion Reaction Identified by High Throughput Catalyst Screening", Angew. Chem., Int. Ed. Engl., 5,220, 1996 에 따른 멀티채널 피펫과 솔레노이드 잉크젯 밸브를 사용하여 유사하게 생성될 수 있다. 이들 라이브러리는 거품이 이는 반응 기체와 함께 다발로 묶여진 마이크로튜브의 배열을 가질 수 있다. 또한, 균질한 액체 촉매는 입자의 형태이거나 모노리스 구조물의 벽들상에 코팅될 수 있는 다공성 캐리어의 구멍내에 유지되거나 고정될 수 있다. 본 발명의 스크리닝 방법은 용이하게 축소화될 수 있기 때문에, 라이브러리 밀도를 결정하는 촉매 사이트의 물리적인 치수는 우선, 촉매의 성질, 액상 또는 고상, 라이브러리의 준비 방법, 라이브러리내의 기체의 확산 혼합, 라이브러리 기질을 통한 열전도, 스크리닝 공정의 대상 및 다른 관련 인자에 다른다. 예를 들면, 스크리닝의 대상이 편평한 촉매 사이트를 사용하여 기상 반응에 대해 촉매 재료를 평가할 때, 높은 라이브러리 밀도에서 사이트간 확산이 이들 사이트들 사이에서 신호 교차를 초래할 수 있기 때문에, 라이브러리 밀도는 기상 확산에 의해 제한된다. 그러나, 촉매 작동온도 창의 평가는 각각의 사이트가 상이한 온도를 유지하도록 열적으로 단열되는 라이브러리의 구조를 필요로 한다. 이 경우, 라이브러리 밀도는 기질의 웨이퍼의 열전도에 의해 제한된다. 액상의 균질한 촉매에 대해, 표면 장력과 점성은 기체 확산을 결정하고 따라서, 라이브러리 사이트의 최소 치수 및 이로인한 라이브러리의 밀도를 정하는데 중요한 역할을 한다.

본 발명에 있어서, 촉매 사이트는, 각각의 사이트로부터의 생성물 형성 및 그 명백한 검출이 성취될 수 있도록 서로 충분히 분리되어야 한다. 모노리스, 또는 허니콤 구조물은 이 라이브러리 사이트들의 물리적으로 명백한 분리를 제공함으로써 이점을 제공한다. 이들 및 다른 촉매 라이브러리 설계 인자는 스크리닝 방법에서 더 상세히 설명될 것이다. 0.5 cm ×0.5 cm 의 고체 촉매 사이트의 명백하고 신속한 스크리닝은 본 발명을 이용하여 설명된다. 이들 사이트 치수는, 한장의 편지지 크기인 8.5 인치 ×11 인치 의 크기를 가지는 기질상에서 900 사이트이상을 생성할 수 있는 제곱 인치당 약 10 사이트의 치수를 가지는 촉매 라이브러리를 제공한다. 보다 높은 라이브러리 밀도는 보다 작은 사이트 치수를 사용하거나 모노리스 구조물을 사용함으로써 명백히 실용적이다. 이 사이트들의 패턴은, 사이트의 생성 및 스크리닝 양자에 대해 명백한 이점을 제공하는 촉매 사이트의 열을 가지는 라이브러리의 생성 및 스크리닝을 촉진시키도록 설계되어야 한다. 상기 설명된 특성의 사이트를 가지는 화학 라이브러리를 생산하는 어떠한 방법도 본 발명에 따른 촉매 평가를 위한 신속한 스크리닝에 사용을 위한 촉매 라이브러리의 생산에 적합하다.

본 발명에 따른 희망하는 촉매 활동을 위한 큰 라이브러리의 스크리닝은, 레이저 주파수가 기체 분자의 실제 전자 매개 상태로 조정될 때 이 분자의 이온화를 위한 단면이 매우 향상된다는 점에 기초를 둔다. 이 공정은 소위 공명이 강화된 다수광자 이온화 또는 REMPI 이다. 레이저 파장이 실제 전자 상태로 조정되지 않을 때, 광이온화의 가능성은 매우 작다. 따라서, 이온화 단면은 분자의 매개 전자 상태의 흡수-여자 스펙트럽을 반영한다. REMPI 를 이용하여, 특정 촉매 반응 생성물은 적절한 레이저 주파수를 사용하여 고효율로 선택적으로 이온화하면서, 반응물 및/또는 배경 기체의 동시적인 이온화를 피할 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예가 레이저 빔을 이용하여 설명되고 있는 반면, 반응 생성물로부터 측정 이온과 전자의 형성을 증진시키기 위한 적절한 에너지 레벨의 어떠한 방사선 빔도 사용될 수 있으며, 이에 의해 방사선 빔에 하류로 인접한 미소전극 수집에 의해, 형성된 이온 및/또는 전자의 검출을 허용한다.

촉매 반응 생성물이 REMPI 광이온의 용이한 발생을 제공하지 않는 경우에, 본 발명의 공정은 직접 관련된 생성물의 검출에 사용될 수 있다. 예를 들면, 반응 생성물 분자는, 예를 들면 펄스 레이저 빔과 같은 적절한 에너지원 또는 플라즈마 아크에 의해 보다 작은 딸 생성물로 분열될 수 있다. 이 분해물은 안정한 분자, 라디칼 또는 이온 종일 수 있다. 촉매 반응 생성물 분자가, 검출되기를 희망하는 촉매 반응 생성물 분자로 유일하게 귀착시킬 수 있는 딸 생성물로의 분열을 수행한 후에, 이 딸 생성물은 REMPI 공정을 사용하여 선택적으로 이온화되며, 여기에 설명된 바와 같이 미소전극에 의해 검출된다. 이들 분해 생성물의 검출에 의해 반응 생성물의 정량화는 분열의 효율을 설명하기 위해 부가적인 교정을 필요로 한다.

또한, 특정 광 주파수에 의한 반응 생성물의 조사(irradiation)시, 반응 생성물 또는 이들 분열 생성물은 예를 들면, 발광, 형광 또는 인광을 포함하는 유일한 방사선 신호를 방출할 수 있다. 다음으로, 이들 방출은 예를 들면, 단색광기와 다이오드 배열과 전하결합장치(CCD)검출기를 사용하여 촉매 라이브러리를 신속하게 스크리닝하는데 사용될 수 있다.

예를 들면, 에틸렌(C₂H₄)와 산소(O₂)의 반응의 결과로서 에틸렌 옥사이드(C₂H₄O)와 아세트알데히드(CH₃CHO)의 선택적인 증명은 다음 식에 의해 설명될 수 있는 분열 생성물에 대해 수행될 수 있다.

C₂H₄O+hυ→CH₂O+CH₂

C₂H₄O+hυ→C₂H₄+O

C₂H₄O+hυ→C₂H₃+OH

아세트알데히드의 경우, 분열은 하기에 의해 설명될 수 있다.

CH₃CHO+hυ→CH₃+CHO

또한, REMPI 이온들에 의해 직접 촉매 생성물 분자를 검출하는 것이 가능하지만, 반응물-생성물 혼합물내의 이들의 존재에 대한 정보는 이들 분열 생성물의 REMPI 특성을 측정함으로써 얻어질 수 있다. 따라서, 분열 생성물 CH₂O, CH₂, C₂H₃, O 및 OH의 형성은 에틸렌옥사이드에 유일하게 기여할 수 있으며, CH₃, CHO 의 형성은 아세트알데히드에 유일하게 기여한다. 이러한 방식으로, 반응물로서 풍부하게 존재하는 에틸렌을 제외하고, 분열 생성물들 중 어느 하나의 선택적인 검출은 이들 화학물의 혼합물내의 부모 에틸렌옥사이드 및/또는 아세트알데히드의 레벨을 표시할 수 있다.

다른 예로서, 프로판(C₃H₈), 암모니아(NH₃) 및 산소의 반응에 의해 생성될 때 아크릴로니트릴(C₂H₃CN)은, 생성물 혼합물내의 아크릴로니트릴의 레벨에 대한 유일한 정보를 주는 분열 C₂H₃CN+hυ→C₂H₂+CN 으로부터 초래되는 생성물들 중 어느 하나를 검출함으로써 검출될 수 있다.

REMPI 를 포함하기 위한 여러가지 수단이 있으며, 그중 가장 일반적인 것은 공명 2-광자 이온화(R2PT)이어서, "Lubman, D.M. et al" 의 "Laser and Mass Spectrometry", Oxford Univ., Press, New York, 1990, Chap. 16" 에서 "Resonant Two-Photon Ionisation Spectroscopy of Biological Molecules in Supersonic Jets Volitalised by Pulsed Laser Desorption", 353 쪽 에 설명된 바와 같이, 하나의 광자(hυ₁)는 분자가 여자된 전자상태로 되도록 에너지를 주며, 제 2 광자(hυ₂)는 분자를 이온화시킨다. 그러나, 환경에 따라, 각각의 단계에서 2 개이상의 광자의 흡수는 REMPI 에 대해 또한 사용될 수 있다. (hυ₁+hυ₂)〉IP 이면 이온화가 일어나며, 이때 IP 는 이온화 포텐셜이다. 사용된 2 개의 광자는 동일하거나 상이한 에너지를 가질 수 있으며, 동일하거나 상이한 레이저로부터 얻어질 수 있다. 또한, 높은 에너지의 UV 광자는 단일 광자 공정에서 종들을 광이온화하는데 사용될 수 있다. 2 개의 광자 REMPI 공정은 다음의 식에 의해 생성물(P)의 선택적인 광이온화가 설명될 수 있다.

P+hυ₁=P^*, P^*+hυ₂=P⁺+e

여기서, P 는 생성물, P^*은 생성물의 실제 전자 여자상태, P⁺는 생성물의 광이온, e 는 광전자이다. 조정가능한 레이저를 사용하여 성취될 수 있는 광에너지를 변화시킴으로써, 목표 분자(P)의 이온화 스펙트럼은 이 혼합물내의 다른 분자들을 동시에 이온화시키지 않고 오로지 목표 분자만을 이온화화는데 사용될 수 있는 적절한 레이저 주파수를 결정하도록 맵핑될 수 있다. REMPI 공정이 2 이상의 광자의 참여를 포함하기 때문에, 사용되는 레이저 광 파장은 이점을 고려해야 한다. 개략적인 접근으로서, 성공적인 REMPI내의 각각의 광자는 단일 레이저 빔을 사용하여 R2PI 공정에서 IP 의 약 1/2 의 에너지를 소유하여야 한다. 유사하게, 단일 레이저 빔이 사용되면, 각각의 광자 에너지는 2+1 공정에서 IP 의 약 1/3 과 2+2 공정에서 약 1/4 등 이어야 한다. 2 개 이상의 레이저 빔이 사용될 때, 각각의 광자 에너지는 결과적인 REMPI 신호를 최적화하도록 독립적으로 선택될 수 있다. 150 nm 와 같은 자외선(UV)으로부터 700 nm 와 같은 가시광선 까지의 범위를 포함하는 레이저 파장은 다양한 다수광자 공정을 사용하여 REMPI 를 일으키는데 사용될 수 있다.

REMPI 는 본래 임의의 분자의 이온 흡수 특성이 고정밀도로 결정될 수 있는 고해상도 기술이다. 또한, 분자들은 전자적으로 여자된 상태의 진동 레벨로부터 이온화되며. 이에 의해 단지 목표 분자만의 특정 광이온화를 제공한다. 이것은, "Zimmerman, R. et al"의 "Three-dimensional Trace Analysis: Combination of Gas Chromatogarphy, Supersonic Beam UV Spectroscopy anf Time-of-Flight Mass Spectrometry", Euro. Mass Spectrom., 1, 341, 1995 에 따라서 상이한 전자 구조물에 기인하여 예를 들면 디클로로톨루엔과 같은 이성체를 구별하는데 사용될 수 있다. REMPI 공정은 상이한 레이저 주파수를 사용하여 상이한 생성물을 검출하는데 연속하여 사용될 수 있어서, 촉매 선택성의 결정을 또한 제공한다. REMPI 는, "Senkan, S.M. et al" 의 "Real-Time Quantitative Analysis of Combustion Generated Polycyclic Aromatic Hydrocarbons by Resonance Enhanced Multiphoton Ionization Time of Flight Mass Spectometry", Anal. Chem., 69, 287, 1997 에서 설명되는 바와 같이 십억당 하부부분에서 그리고, "Senkan, S.M. et al" 의 "Real-Time Ultrasensitive Monitoring of Air Toxics by Laser Photoionisation Time of Flight Mass Spectrometry", J. Air and Waste Mgmnt. Assoc., 48, 77, 1998 에 이미 설명된 바와 같이 일조당 상부부분에서 종의 실시간 검출을 갖춘 높은 민감도 기술이다.

도 1 은 촉매 사이트가 반응물과 접촉함으로써 발생되는 기체 생성물의 선택적인 검출의 REMPI 방법을 일반적으로 설명하고 있다. 본 발명에 따라서, 기체 반응 생성물은, 기질(20)상에 장착된 촉매(21)가 반응물에 의해 접촉될 때, 기체 플룸(22)을 형성한다. 기체 생성물은 도 1 에 나타낸 바와 같이, 조정가능한 레이저원(24)으로부터 형성된 펄스 UV 레이저 빔(23)에 의해 광이온화되며 및/또는 광이옴(P⁺)과 광전자(e^-)를 발생시키는 기체 생성물 플룸(22)의 중앙 부분을 통해 미러(25)에 의해 향해진 제 2 조정가능한 레이저원(25)을 사용하여 광이온화된다. 미소전극(27)은 캐소드(2)와 아노드(29)에 DC 전원에 의해 인가된 전압 바이어스에 따라서, 광전자 또는 광이온을 수집하도록 레이저 빔(23)상의 수 밀리미터에 위치결정된다. 다음으로, 미소전극(27)에 의해 수집된 전기 신호는 디지탈 오실로스코프와 같은 검출기(31)에 의해 증폭되며 검출된다. 측정된 전기 신호가 촉매를 가지지 않는 기준 사이트보다 높으면, 이 사이트는 촉매적으로 활성화될 수 있다. 그렇지 않으면, 이 사이트는 촉매적으로 비활동적이라고 고려되어야 한다. 다중 생성물의 검출을 위한 적절한 레이저 주파수(들)의 선택은, 레이저 빔에 의해 발생되는 전기 신호가 반응물 및/또는 배경 기체로부터가 아니라, 특정된 생성물 기체의 광이온화에서만 기인하는 것을 보장하도록 중요하다는 점이 명백하다. 특정 재료의 적절한 레이저 주파수는, 예를 들면 1997 년 "Senkan, S.M. et al" 과 1998 년 "Senkan, S.M. et al" 에 의해 설명되는 바와 같이 조정가능한 레이저 및 비행시간형 질량분석계를 사용하여, 레이저 광이온화 질량 분석 연구에 의해 확인될 수 있다. 이러한 접근법을 사용하여, 관심있는 종들을 포함하는 기체 혼합물은 예를 들면 펄스 밸스를 이용하여 진공 챔버내로 도입된다. 다음으로, 팽창 기체 제트는 조정가능한 레이저 발생기로부터 특정 에너지로 UV 광자에 의해 차단된다. 이에 따른 REMPI 신호는 비행시간형 질량분석계 시스템에 의해 기록된다. UV 레이저 주파수 범위를 스캔함으로써, 부산물과 배경 기체가 결정될 수 있다. 분자 이성체의 경우, 각각의 이성체의 광이온화 스펙트럼은 개별적으로 결정되어야 한다. 모든 관련 종에 대한 광이온화 스펙트럼을 결정한 후, 평가되길 희망하는 특정 생성물 이성체의 REMPI 이온의 발생만을 이끌어내는 특정 UV 주파수가 확인될 수 있다.

REMPI 스펙트럼은 다수의 회진전 레벨로부터 중복 전이에 기인하여 상승된 온도에서 넓혀진다는 점이 인식되어야 한다. 그러나, 넓게 조정가능한 UV 레이저의 이용성에 기인하여, 반응물, 다른 생성물 및 캐리어 기체로부터 간섭없이 희망하는 생성물를 선택적으로 이온화하는 레이저 주파수를 확인하는 것이 통상적으로 가능하다. 이 확인 공정은, 예를 들면 단지 부산물로서 수소(H₂)를 가진 Ar 캐리어 기체내에서, 헥산, 지방 화합물로부터 벤젠, 방향성 화합물의 생산에 있어서, 생성물 기체가 반응물과 배경 기체와 구조적으로 상이할 때, 촉진된다. REMPI 신호의 스펙트럼 밀집과 관련된 잠재적인 문제점은 "Parker, D.H." 의 "Ultrasensitive Laser Spectroscopy", Kuger, D.S. Ed., Academic Press, New York, 1983 에서 그리고 "Trembreull, R. et al" 의 "Applicability of Resonant Two-Photon Inoisation in Supersonic Beam Mass Spectrometry to Halogenated Aromatic Hydrocarbons", Anal. Chem., 57, 1186, 1985 에서 설명된 바와 같이 초음속 제트 팽창을 사용함으로써 효율적으로 해결될 수 있다. 생성물 기체를 작은 오리피스를 통해 진공내로 팽창시킴으로써 성취될 수 있는 제트 팽창은 전이, 회전 및 진동 냉각을 일으켜서, REMPI 스펙트럼의 상당한 단순화를 초래한다. 이 방법은 유사한 배경에서 특정 종의 선택적인 검출을 허용한다.

촉매 사이트상에서 발생되는 생성물 광이온과 광전자는 아노드 또는 캐소드 중 어느 하나 또는 이들 양자일 수 있는 미소전극을 사용하여 수집될 수 있다. 촉매 라이브러리가 침착되는 기질은 캐소드 또는 아노드로서 사용될 수 있으며, 또는 다른 미소전극이 이러한 목적을 위해 기질내에 배치될 수 있다. 고온의 REMPI 전극 접근법은, "Smyth, K.C. 와 Mallard, W.G." 의 "Two Photon Ionisation Processes of PO in a C₂H₂/air Flame", J. Chem. Phys., 77, 1779, 1982; "Cool, T.A." 의 "Quantitative Measurement of NO Density by Resonance Three-Proton Ionisation", App. Optics 23, 10, 1559, 1984; "Goldsmith, J.E.M." 의 "Resonant Multiphoton Optogalvanic Detection of Atomic Oxygen in Flames", J. Chem. Phys., 78(3), 1610, 1983; 및 "Bjorklund, G.C. et al" 의 "Selcetive Excitation of Rydberg Levels in Atomic Hydrogen by Three Photon Absorption", Optics Comm., 31(1), 47, 1979 에서 설명된 바와 같이, PO, NO, H 및 O 와 같은 소수의 원자만을 포함하는 기체 종들의 농도를 결정하는데 이미 사용되어 왔다. REMPI 신호의 스펙트럼 밀집과 확대의 문제점을 규명하는 이전의 연구들은, 더 큰 분자 종들이 포함될 때 REMPI-전극 접근법의 사용에 대하여 내재적으로 설명하고 있다. 그러나, 우리는 촉매 스크리닝에 대한 이러한 기술에 의해 더 큰 분자들이 측정될 수 있음을 발견하였다. REMPI 스펙트럼의 상당한 확대는 반응물과 생성물이 점차로 분리되는 촉매 스크리닝에 있어서 허용될 수 있다. 반응물과 생성물이 명백한 전자 구조물을 가지는 촉매 스크리닝에 있어서 거의 드문 경우인, REMPI 스펙트럼이 중복될 때, 이러한 문제점은 작은 오리피스를 통해 진공 챔버내로 팽창시킴으로써 이 생성물을 제트 냉각시켜 해결될 수 있다.

또한, REMPI 미소전극 기술은 액체 및 고체 생성물을 검출하는데 사용될 수 있다. 이 경우, 반응 생성물은 제거 레이저 예를 들면 펄스화된 CO₂또는 다른 타입의 레이저를 이용하여 우선 기체화되어야 한다. 다음으로, 기체화된 생산물은 상기 설명된 바와 같이, REMPI 에 의해 광이온화되어 미소전극에 의해 검출될 수 있다. 또한, REMPI 방법은 촉매 공정에 포함된 반응 매개물을 모니터하는데 사용될 수 있으며, 이 매개물은 반응장치의 출구에서 수집되는 생성물 기체의 분석에 의해 검출될 수 없다. 이것은 촉매 반응과 관련하여 반응 통로내의 관찰을 발전시키는데 특히 유용할 수 있어서, 이에 의해 촉매 개발 공정을 더욱 가속화시킨다.

분균질 및 균질 촉매 라이브러리의 고속도 스크리닝을 위한 REMPI 와 미소전극의 사용을 제안하는 어떠한 내용도 본 발명자에게 공지되지 않았다. 촉매 활동에 대한 큰 라이브러리의 신속한 스크리닝을 위한 다수의 접근법들이 수행될 수 있으며, 다음의 바람직한 접근법이 일예로서 설명되지만 본 발명을 제한하는 것으로 고려되어서는 안된다.

불균질 촉매 라이브러리에 대해, 고체 상태 촉매는 스크리닝 공정을 촉진하도록 편평한 쉬트상에 촉매 클러스터의 열들내에 배열될 수 있다. 또한, 모노리스, 허니콤, 잘 형성된 채널을 가진 구조물은 적절한 촉매 라이브러리를 발생시키는데 사용될 수 있다. 또한, 촉매 사이트는 촉매 및 준비 방법에 따라 다공성 또는 비다공성으로 생성될 수 있다. 도 2 는 생성물 플룸의 스크리닝 열이 뒤따르는 라이브러리상에 반응 기체를 유동시킴으로써 성취되는 촉매와 반응 접촉을 가지는 비다공성의 편평한 쉬트 촉매 라이브러리를 도시하고 있다. 동일한 참조부호는 본 명세서와 도면을 통해 동일한 의미를 가진다. 상류 촉매 사이트(21u)와 하류 촉매 사이트(21d)를 가진 촉매 사이트(21)는 반응 속도 프로파일(33)에 의해 나타내지는 반응 기체 스트림으로부터 상류 촉매 사이트(21u)를 보호하는 마스크(32)를 갖춘 기질상에 도시된다. 기체를 포함하는 생성물은 반응장치내의 생성물 순환을 최소화하도록 사이트로부터의 방사후에 라이브러리로부터 제거되어야 한다. 도 2 에 도시된 배열에 있어서, 테스트 촉매 사이트(21)로부터 상류에 있는 촉매 사이트는 상이한 사이트들로부터의 신호 교차가 방지되도록 차폐되어야 한다. 상류 사이트가 차폐되지 않으면 그리고 이들 사이트 중 몇몇이 촉매작용을 하면, 이들 사이트에서 형성된 생성물은 하류로 운반되며 스크리닝 공정 열과 간섭한다. 차폐는, 도 2 에 도시되는 바와 같이, 상류 촉매 사이트를 덮도록 물리적인 마스크를 이용함으로써, 또는 도 3 에 34 로서 도시되는 바와 같이, 특정 기체 반응물 이송 튜브를 사용하여 촉매 사이트상에 직접 반응 기체를 도입함으로써 성취될 수 있다. 도 4 는 촉매 표면으로부터 생성물의 운반을 증진시키도록 경사진 촉매 테스트 사이트(21t)를 도시하고 있다. 이 장치는 테스트 사이트로부터 신호 검출을 향상시킨다. 반응 분자들이 촉매 특성을 가진 테스트 사이트를 통과할 때, 생성물은 그 표면에서 형성된다. 다음으로, 이들 생성물은 도 2 내지 도 4 에 도시된 바와 같이, 유동 기체 스트림내로 확산되며, 생성물 농도 경계층 또는 생성물 플룸(22)을 구성한다. 생성물에 대해 일정한 촉매 표면농도를 가정하면, 생성물 농도 층 두께는 δ_c(X)=3.3(DxL/U₀)^1/3이며, 여기서 x 는 도 2 내지 도 4 에 도시된 바와 같이, 촉매 사이트의 리딩 에지로부터의 거리이며, U₀는 도 3 과 도 4 에 도시된 바와 같이, 특정 기체 속도이며, 그리고 L 은 수직 방향으로의 특정 치수, 예를 들면 2R 로서 도 3 과 도 4 에 도시된 반응물 이송 튜브의 직경 또는 반응 장치의 높이이다.

수반되는 설계 문제점 중 몇몇을 설명하기 위해, 5 mm (길이)×5 mm (폭) 의 촉매 사이트의 고체 상태 라이브러리를 고려한다. 모든 기체에 대해 1 atm 인 상태에서 기체 이송라인 직경을 0.5 cm, 평균 반응 기체 속도를 1.0 cm/sec 이라 가정하면, 촉매 사이트의 리딩에지로부터 5 mm 인 지점에서서의 농도 경계선 두께는 다음과 같이 계산된다.

δ(0.5)=3.3[(0.1)(0.5)(0.25)/1.0]^1/3= 0.767 cm 또는 7.67 mm

이 경계층은, 만약 존재한다면, 레이저 빔이 통과하고 생성물을 광이온화하기에 너무 두껍다. 기체 이송 튜브(2R), 기체 속도(U₀) 및 촉매 사이트 치수(x)는 농도 경계층을 더 조절하기 위해 변경될 수 있다. 또한, 도 4 에 도시되는 바와 같이, 테스트 사이트(21t)는 촉매 표면으로부터 생성물의 운반을 증진시키기 위해 스크리닝 공정동안 경사질 수 있다.

다공성 촉매 라이브러리가 발생될 때, 반응 기체는 또한, 도 5 에 도시되는 바와 같이, 테스트 촉매 사이트상에서 생성물 플룸을 발생시키는 라이브러리내에서 사이트를 통과할 수 있다. 이 실시예에 있어서, 반응물은 모든 촉매 사이트를 통과하며, 이에 의해 가능한 라이브러리상의 모든 사이트의 동시적인 스크리닝을 하게된다. 도 5 에 도시되는 바와 같이, 반응물은, 상기 설명된 바와 같은 동일한 방식으로 측정되는 생성물 플룸(35)을 형성하는 다공성 테스트 사이트(21p)를 통해 그리고 반응 플룸(36)을 통해 이 사이트를 통해 통과된다.

또한, 촉매 라이브러리는 도 6 에 설명된 바와 같이, 미소전극(27)상 및 레이저 빔(23)을 또한 통과하는 생성물 기체를 형성하는 촉매 코팅(38)상의 채널(37)을 반응 기체가 통과하는 모노리스 구조물(40)을 사용하여 생성될 수 있다. 이 실시예에 있어서, 전체 라이브러리의 동시적인 스크리닝은 용이하게 성취될 수 있다. 미소전극(27)은 도 6 에 도시되는 바와 같이, 촉매 사이트 사이의 신호 교차를 상당히 감소시키도록 채널(37)내에 삽입될 수 있다. 각각의 채널내의 생성물 기체로의 광학적 접근은 도 6 에 도시되는 바와 같이, 레이저 빔을 위한 작은 창(39)을 통해 제공되어야 한다. 양호한 공간 해상도와 사이트 분리가 제공되는 결과로서, 모노리스 구조물은 높은 처리량을 위한 양호한 구조와 높은 밀도의 촉매 라이브러리의 동시적인 스크리닝을 제공한다.

생성물 분자의 고온의 미소전극 REMPI 스펙트럼이 특별한 특징을 가지지 않거나 중복을 나타내는 특성을 가질 때, 생성물은 REMPI 스펙트럼을 향상시키도록 냉각되어야 한다. 이것은 도 7 에 도시되는 바와 같이, 라이브러리 사이트(33)로부터 작은 오리피스(43)를 통해 진공 챔버(42)내로 방사하는 생성물 기체 플룸(41)의 일부분을 팽창시킴으로써 성취될 수 있다. 오리피스(43)를 통해 향해지는 생성물 기체의 일부분들은 진공 챔버(42)내의 초음속 제트를 형성하는 단열 팽창을 하게되어, 이에 의해 REMPI 스펙트럼의 상당한 단순화를 초래하는 기체 온도를 감소시킨다. 또한, 도 7 에 도시된 바와 같이, 예냉 열 교환기는 오리피스(43)를 통한 통과전에 생성물 기체의 온도를 감소시키도록 오리피스(43)의 상류에 위치될 수 있다. 또한, 진공 챔버내의 기체 유동은 펌프 조건을 향상시키도록 맥동될 수 있다. 열용량비(γ: γ=c_p/c_v)를 가진 이상 기체에 대해, 이 기체의 온도는 단열 조건하에서 다음 식에 의해 압력과 연관된다.

T₂=T₁(P₁/P₂)^(1-γ)/γ

여기서, T₁, P₁과 T₂, P₂는 각각 초기 및 최종 온도와 압력이다. 예를 들면, γ=1.4 이고 초기 온도가 800 K, 압력이 760 torr 이면, 10^-3Torr 의 진공내로 팽창되는 단열냉각된 기체의 온도는 다음과 같다.

T₂=800(10^-3/760)^(1.4-1)/1.4=16.7K

이 온도는 1998 년 "Senkan, S.M. et al" 의 우수한 REMPI 스펙트럼의 발생에 적합하다. 촉매 라이브러리의 동시적인 생성물 스크리닝은 레이저 빔(들)(23)을 이용하여 생성물을 광이온화함으로써 성취될 수 있으며, 팽창 제트에 인접하여 진공 챔버(42)내부에 배치된 미소전극(27)을 이용하는 광전자 또는 광이온의 검출이 수행된다.

도 8 은 반응장치(45)내에서, 생성물 기체으 사이트간 확산을 최소화하도록 서로 충분히 분리된 9 열(축선으로)×8 열(폭)로 배열된 72 개의 테스트 사이트(21)를 포함하는 편평한 판의 고체상태 촉매 라이브러리를 개략적으로 도시하고 있다. 촉매 테스트 사이트와 반응물의 접촉은 상류 촉매 사이트를 효과적으로 차폐하는, 도 3 을 참조하여 설명되는 바와 같이, 반응물 이송 튜브(34)를 사용함으로써 성취된다. 스크리닝되는 열에서 각각의 테스트 사이트는 도 8 에 도시된 바와 같이, 열 단위로 스크리닝 하는 8 개의 생성물 기체 검출을 위한 특정 미소전극(27)을 가진다. 열내에 테스트 사이트를 배열하는 것은 단일 레이저 빔을 사용하여 열 대 열 형식으로 스크리닝을 촉진시키며, 8 개의 사이트의 동시적인 스크리닝을 제공한다. 어떠한 열 크기도 본 발명을 이용하여 수용될 수 있다. 그러나, 개별 테스트 사이트를 위한 특정 주소를 가지는 어떠한 라이브러리 패턴도 컴퓨터로 제어되는 2 차원 병진 장치를 가지고 라이브러리를 이동시킴으로써 스크리닝될 수 있다. 가장 큰 라이브러리 밀도를 제공하는 가장 작은 사이트 크기는 테스트 사이트들 사이의 생성물 기체의 기상 분산율에 의해 결정된다. 결과적으로, 상이한 생성물들은 상이한 라이브러리 밀도의 발생 및 테스트를 허용한다. 도 8 에 예시되는 바와 같이, 열 단위 스크리닝 공정에 있어서, 레이저 빔(23)은 반응물 이송 튜브(34)로부터 반응 기체 유동에 수직하게, 반응장치(45)의 창(39)을 통해 그리고 테스트 사이트(21)상의 생성물 기체를 통해 통과하며, 점선으로 나타내진 바와 같이, 열내의 모든 사이트의 생성물 기체 플룸을 통과하며, 레이저 빔 덤프(46)로 반응장치(45)를 나온다. 반응물 이송 튜브(34)는 반응장치 기체 공급 매니폴드(48)에 의해 공급된다. 그러나, 도 8 에 있어서, 2 개의 레이저가 나타내지며, 어떠한 수의 레이저도 주어진 응용에서 사용될 수 있다. 상기에 주어진 수치적인 설계예에 기초하여, 기질 표면상의 약 5 mm 인 지점에 레이저 빔을 위치결정시키는 것은, 생성물이 형성되면, 레이저 빔이 생성물 플룸을 차단하고 광이온을 발생시키기에 적절해야 한다. 그러나, 레이저 빔은 신호 발생을 최대화하기 위해 생성물 플룸내의 어느 곳에도 배치될 수 있다. 테스트 사이트가 촉매작용을 하지 않으면, 어떠한 생성물 형성도 따라서 광이온화도 발생하지 않는 것은 명백하다. 발생되는 광이온과 광전자는 레이저 빔상에 인접한 위치에 위치결정된다. 상기 수치적인 설계예에 기초하여, 미소전극은 신호 강도를 최대화하기 위해, 테스트 사이트 표면상의 5 mm 를 넘는 어떠한 곳에도 레이저 빔에 인접하여 위치결정될 수 있다. 그러나, 미소전극은 생성물 플룸의 국소 유체 운동과 연관하여 신호 수집을 최대화하기 위해 테스트 사이트상의 상이한 위치에 배치될 수 있다. 상기에 설명된 바와 같이, 라이브러리 기질은 그라운드 또는 캐소드로서 또한 사용되거나, 또는 필요하면, 미소전극은 비전도 기질을 통해 배치되거나, 또는 미소전극은 도 8 에 도시된 바와 같이 아노드와 캐소드 양자를 포함할 수 있다. 미소전극에 DC 전원(30)으로부터 멀티채널 스위치를 통해 동력이 공급되며, 각각의 미소전극의 측정된 신호는 검출기(31)로 전송된다. 특정 열을 테스트한 후에, 이 라이브러리는, 촉매 스크리닝을 위해 사이트의 다음 열을 위치시키기 위해, 라이브러리 중계기(47)를 사용하여, 상류 또는 하류로 이동될 수 있다. 열 단위 스크리닝 공정을 예시하기 위한 본 발명의 다른 실시예는 도 9 에 도시된다. 도 9 에 도시된 실시예는 다공성 테스트 사이트(21p)를 가지는 다공성 촉매에는, 반응물 기체 공급 입구(50)를 통해 반응물 기체가 차례로 공급되는 이 사이트들 아래의 7 개의 플룸으로부터 반응물 기체가 이송된다는 점을 제외하고는 도 8 과 유사하다. 반응물 기체는 다공성 테스트 사이트(21p)를 통과하여 화살표에 의해 지시된 바와 같이 동시에 각각의 테스트 사이트상에 플룸을 형성한다. 반응장치는 반응장치 용기내에서 자연대류공정을 변화시킴으로써 생성물 검출을 향상시키기 위해, 희망하면, x 축 주위로 1800 회전될 수 있다. 도 9 에 도시되는 바와 같이, 스크리닝는 도 8 에 대해 설명된 바와 유사한 방식으로 열 대 열 단위를 기초로 하여 행해진다. 변경적으로, 모든 사이트의 스크리닝은, 도 10 의 평면도에 도시된 바와 같이 조정 미러(26)를 사용하여 동시에 모든 사이트를 통과하도록 각각의 사이트에 특정 미소전극을 장치함으로써 그리고 이온화 레이저 빔(23)을 구비함으로써 동시에 행해질 수 있다. 또한, 광섬유는 레이저 빔을 동시에 모든 사이트로 향하게 하는데 사용될 수 있다. 다음으로, 미소전극으로부터의 신호는 각각의 사이트로부터 들어오는 신호를 신속하고 연속하여 검출하도록, 촉매 라이브러리(51)상의 각각의 사이트에 대한 특정 검출기에 의해 또는 컴퓨터화된 멀티채널 스위칭 시스템(65)의 사용에 의해 검출되고 기록된다. 어떠한 촉매 라이브러리의 크기와 형상도 수용되고 작동될 수 있는 점은 명백하다. 각각의 사이트만큼 긴 이 동시적인 스크리닝 모드에 있어서, 개별적으로 주소지정가능하다.

본 발명의 다른 실시예는, 고체 상태의 촉매 라이브러리를 형성하는, 도 7에 대해 설명되는 바와 같은 16 ×16 또는 256 사이트의 모노리스 구조물(40)을 개략적으로 도시하는 도 11 에 나타내지고 있다. 어떠한 모노리스 셀 밀도도 이용될 수 있다. 반응물 기체는 반응물 기체 공급 입구(50)를 통해 라이브러리 아래의 매니폴드에 제공되어, 채널을 통해 상방으로 통과하며, 촉매상으로 또는 촉매를 통해 통과하며, 도 9 에 도시되는 바와 같은 채널로부터 출구상으로, 도 6 에 도시되는 바와 같은 채널내에 측정될 수 있는 생성물 플룸을 발생시키거나 또는 도 7 에 도시된 바와 같은 진공 챔버내로 초음속 제트에 의한 냉각이 뒤따른다. 촉매 스크리닝은 도 11 에 도시된 바와 같은 열 대 열 단위의 방법을 이용하여 성취될 수 있으며 또는 도 10 에 대해 설명된 바와 같이 모든 사이트를 동시에 스크리닝함으로써 성취될 수 있다.

반응장치내의 모노리스가 지지된 촉매 라이브러리 스크리닝 구조물의 다른 실시예는 도 12 에 도시되고 있으며, 도 6 에 대해 설명되는 바와 같은 장치를 통상적으로 사용하고 있다. 도 12 에 도시되는 바와 같이, 72 사이트를 가지는 개별 촉매 라이브러리 모느리스(55)와 개별 촉매 스크리닝 모노리스(56)는 반응장치(45)내의 촉매 스크리닝 구조물을 형성한다. 특정 미소전극(27)은 각각의 모노리스 채널의 내부에 구비된다. 각각의 미소전극(27)의 상류에는, 각각의 채널에 대한 광 접근이 레이저 접근 창(39)에 의해 제공된다. 반응물 기체는 촉매 사이트상을 통과하도록, 화살표에 의해 지시되는 바와 같이, 생성물 기체 유동 분배기에 의해 도입되며, 개별 라이브러리 채널의 각각으로 들어간다. 생성물은 스크리닝 모노리스(56) 내부의 하류에서 검출된다. 조정가능한 레이저 원(24) 및/또는 조정가능한 레이저 원(25)으로부터 발산하는 레이저는 빔 분열기(52)를 경유하여 레이저 창(39)을 통해 스크리닝 모노리스(56)의 각각의 열로 향해져서, 도시되는 바와 같이 내부 레이저 창을 통해 열내의 각각의 채널을 통해 통과한다. 이 장치는 라이브러리내의 모든 사이트의 동시적인 스크리닝을 제공한다. 상이한 레이저 빔은 상이한 생성물을 스크리닝하기 위해 스크리닝 모노리스(56)내에서 상이한 열로 향해질 수 있다. 또한, 이러한 기술은 레이저 빔을 라이브러리 사이트로 향하게 하는데 사용될 수 있다. 생성물 냉각이 바람직하다면, 이는 도 7 에 도시된 바와 같이, 작은 오리피스를 통해 진공 챔버내로 생성물 기체 플룸을 단열팽창시킴으로써 성취될 수 있다.

촉매 스크리닝 장치와 기술의 상기 설명에 있어서, 온도가 모든 촉매 사이트에서 동일하며, 이는 새로운 촉매를 스크리닝하기 위해 또는 촉매를 변형시키기 위해 적절하다. 본 발명에 따라서, 상이한 사이트들이 상이한 온도에서 유지되거나 이들 온도가 특정된 온도-시간 프로그램을 따를 수 있도록 프로그램될 수 있는 개별 온도 제어 사이트를 가지는 촉매 라이브러리를 구성하는 것이 가능하다. 이렇게 온도를 다르게 하는 것은 촉매 활동 및 선택성에 대한 반응 온도의 영향에 대한 정보를 발생시킨다. 미소기계가공을 이용하여, 개별 온도 제어 및 프로그램가능한 사이트가, 잉크젯 프린터 헤드에 대해 행해지는 것과 같이 경제적으로 구성될 수 있다. 기질과 온도 프로그래밍 요구에 의해 제공되는 단열량은 온도가 제어되는 사이트를 가진 촉매 라이브러리의 사이트간 공간과 밀도에 영향을 준다.

또한, 배치모드작업을 이용하여 전체 촉매 라이브러리를 스크리닝하는 것이 가능하다. 배치모드에서, 전체 촉매 라이브러리는 전체 촉매 라이브러리는 우선 물리적인 마스크에 의해 반응물 기체로부터 분리된다. 다음으로, 테스트 챔버는 청소되며 신선한 반응물 기체로 채워진다. 챔버 내용물은, 테스트 챔버내에 배치된 열전대에 의해 모니터될 수 있는 열 평형에 도달되도록 허용된다. 다음으로, 물리적인 마스크가 제거되어 반응물 기체에 대해 특정 부분 또는 전체 촉매 라이브러리 중 어느 하나를 노출시킨다. 강제 대류가 없기 때문에, 확산 또는 자연 대류는 테스트 챔버내의 기체 운반의 주요 모드가 된다. 다음으로, 촉매 작용을 하는 사이트는 생성물 농도 플룸을 발생시키는 벌크 기상내로 확산하는 반응 생성물을 발생시킨다. 생성물의 일정한 농도에 대해, 농도 관통 깊이(δ_c(t))는 다음의 식에 의해 근사시킬 수 있다.

δ_c(t)=(12Dt)^1/2

여기서, D 는 확산도이며, t 는 시간이다. 농도 관통 깊이는 신호 교차를 초래하는 인접한 사이트로부터 농도 플룸의 겹침을 방지하기 위해 사이트간 공간보다 작게 유지되어야 한다. 편평한 판의 촉매 라이브러리에 대해, 기체 확산도에 대해 1 cm 의 사이트간 공간과 δ_c=1 과 0.1 cm²/sec 를 가정하면, 전체 라이브러리에 대한 REMPI 측정은 농도 경계층의 겹침을 피하기 위해 약 1 초내에 완수되어야 한다. 상업적으로 이용가능한 빠른 전자 장비는 이러한 조건들을 맞출 수 있다. 더 큰 사이트 치수 및/또는 사이트 사이의 물리적인 차폐물을 배치시키는 것은 사이트간 확산-혼합 비율을 감소시켜서, 이에 의해 측정을 위한 더 긴 시간을 제공한다. 모노리스 구조물의 경우, 사이트들 사이에 존재하는 물리적인 벽은 사이트간 확산을 실질적으로 감소시켜서, 이에 의해 레이저 빔에 의해 생성되는 광이온 및/또는 광전자의 검출을 위해 채널에 인접하거나 또는 채널 내부에 배치된 미소전극에 의해 더 긴 주기의 시간동안 데이터의 획득을 허용한다. 배치 시스템의 이점은 이 시스템이 고체 상태의 촉매 라이브러리내의 모든 사이트를 동시에 스크리닝하는데 사용될 수 있다는 점이다.

이미 설명된 바와 같이 합성되며, 본 발명에 따라 스크리닝될 수 있는 균질한 촉매 라이브러리의 일 실시예는 도 13 에 도시되고 있으며, 촉매 용액(57)은 컨테이너(58)내에 유지되며, 반응물 기체는 액체를 통해 커품으로 된다. 액체 촉매를 통한 기체 분산은 당업자에게 명백한 바와 같이 다른 적절한 형태로 성취될 수 있으며, 예를 들면 가압 반응물 기체는, 도 13 의 좌측상에 도시된 바와 같이, 반응물 플룸(36)을 통해 이송될 수 있으며, 샘플 사이트의 바닥부에서 제어되는 다공성 분포판을 통해 가압된다. 변경적으로, 반응물 플룸(36)으로부터 반응물 기체는 도 13 의 우측상에 도시된 바와 같이, 각각의 샘플 사이트에서 모세관 스파저(60)를 통해 거품으로 될 수 있다. 형성된 기체 생성물(22)은 도 13 의 화살표에 의해 나타내지는 바와 같이, 액체 촉매 용액을 떠나며, 생성물 기체와 생성물 기체 검출은 이미 설명된 방식 중 하나로 수행된다. 라이브러리 밀도를 제어하는 컨테이너(58)의 최소 직경은 기체 분산과 액체 캐리오버의 범위에 영향을 주는 촉매 용액(57)의 표면 장력과 점성의 고려로부터 구성되어야 한다.

도 14 는 반응장치(45)내에서, 도 13 에 대해 설명되는 바와 같이, 균질한액체 촉매 라이브러리를 이용하여 촉매 라이브러리 스크리닝을 개략적으로 도시하고 있다. REMPI 촉매 스크리닝은 도 14 에 설명되는 바와 같은 열 대 열 기준으로 되거나, 또는 도 10 에 대해 설명되는 바와 같은 방법을 이용하여 전체 촉매 라이브러리가 동시에 스크리닝될 수 있다. 또한, 도 14 에 예시되는 반응장치 시스템은 도 15 에 대해 상세히 설명되는 바와 같이, 컨테이너내에 배치될 수 있는 고체 촉매 분말을 스크리닝하는데 사용될 수 있다.

고체 입자는 3 상, 기체-액체-고체, 작동 조건을 성취하도록 액체 촉매 라이브러리에 결합될 수 있다. 컨테이너(58)내의 액체에 고체 입자(60)의 도입은 기체 분산을 향상시키며, 더 나은 기체-액체 접촉을 제공하도록 더 작은 기체 거품(61)을 형성하며, 반응물 변환을 향상시켜서, 이에 의해 라이브러리 스크리닝의 속도를 증가시키며, 이는 도 15 의 좌측 부분에 도시된다. 또한, 촉매 배드는 스크리닝 조건하에서 부분적으로 또는 완전히 유체화될 수 있다. 화살표에 의해 나타내지는 생성물 기체(22)는 컨테이너(58)로부터 방사되며, 이미 설명된 REMPI 방법들 중 어느 하나에 의해 분석될 수 있다. 사용되는 고체 입자는 촉매일 수 있으며, 이에 의해 다상 촉매 작용을 스크리닝하는 기회를 갖게 된다. 또한, 균질한 액체 촉매는 예를 들면, 도 15 에 도시된 바와 같은 시스템에서, 단백질 또는 용융염촉매를 움직이지 못하도록 다공성 입자내에 배치될 수 있다. 고체 촉매 입자(62)는 도 15 의 우측 부분에 도시된 바와 같이, 기체-고체 작동조건을 성취하기 위해, 액체없이, 컨테이너(58)내에 도입될 수 있다. 많은 상이한 방식으로 준비된 촉매 분말은 미소 포장된 베드 반응장치 라이브러리를 생성시키도록 도 15 내에 도시된 컨테이너내에 배치될 수 있다. 반응 기체는 플룸(36)을 통해 포장된 베드 반응장치에 도입될 수 있어서, 형성된 생성물은 이미 설명된 REMPI 미소전극 시스템을 이용하여 검출된다.

도 16 은 모노리스 라이브러리내의 촉매 입자를 이용하여 다른 촉매 스크리닝 방법을 개략적으로 도시하고 있다. 많은 상이한 방식으로 준비된 촉매 입자 또는 분말(62)는 모노리스 구조물(40)의 셀내에 배치될 수 있다. 다음으로, 반응물 기체는 촉매 입자(62)의 포장된 베드를 통해 통과되며, 진공 챔버(42)내로 작은 채널/오리피스(43)를 통해 방출된다. 다음으로, 생성물 제트는 상기 설명된 바와 같이, 팽창 냉각을 겪게되며, 광이온과 광전자의 발생을 위해 레이저 빔(23)을 받게 된다.

생성물 종의 광이온화에 의해 생성되는 REMPI 신호의 크기는 그 농도에 비례한다. 또한, 발생된 신호는 작동 변수, 예를 들면 사용된 UV 레이저의 동력, 광이온/광전자를 수집하도록 인가된 DC 바이어스 전압, 아노드와 캐소드의 분리 거리 및 레이저 빔에 대한 미소전극의 위치에 의해 영향을 받는다. 촉매 라이브러리 스크리닝을 위해 사용되도록 특정 시스템을 최적화하면, 작동 변수는, 측정된 REMPI 신호가 촉매 사이트에 의해 발생된 생성물 농도에 직접 기여할 수 있도록 고정될 수 있다. 결과적으로, 촉매 라이브러리의 양적, 활동적 대 비활동적인 스크리닝에 부가하여, 본 발명의 REMPI 미소전극 기술은 촉매의 활동성 및 선택성을 정량적으로 평가하는데 사용될 수 있다. 촉매적으로 더욱 활동적인 사이트는 생성물 플룸내의 생성물의 더 높은 농도를 발생시키며 이에 의해 더 큰 REMPI 신호를 발생시키며, 마찬가지로, 활동이 덜한 촉매 사이트는 생성물의 더 낮은 농도를 발생시키며, 이에 의해 더 낮은 REMPI 신호를 발생시킨다. 촉매 라이브러리의 정량적인 스크리닝에 있어서, 생성물 기체의 공지된 농도를 포함하는 기체 혼합물은 반응이 발생하지 않는 조건하에서 라이브러리상으로 연속적으로 우선 통과되며, 미소전극 반응이 기록된다. 미소전극의 공지된 생성물 농도에 대한 미소전극 반응을 이용하여, 각각의 사이트의 교정이 성취될 수 있다. 이들 교정 기능은 활동적인 촉매 스크리닝 공정동안 형성된 생성물의 정량적인 농도를 결정하는데 사용될 수 있다. 촉매 부하가 상이한 라이브러리 사이트에서 다르다면, 이것은 또한 사이트의 촉매 활동성을 평가시에 설명되어야 한다. 변경적으로, 내부 표준은 촉매 사이트의 활동성과 선택성의 정량화를 촉진시키기 위해 스크리닝 공정동안 반응물 이송 스트림에 부가될 수 있다.

개시된 촉매 스크리닝 기술은 대상물의 더 큰 스펙트럼을 얻도록 이용될 수 있다. 2 개 이상의 레이저 빔 에너지는 생성물 플룸내의 2 개 이상의 반응 생성물을 모니터하도록 연속하여 사용될 수 있으며, 이는 촉매 선택성을 정하고 다기능 촉매를 발견하기 위해 중요하다. 예를 들면, 특정 생성물의 형성을 최대활할 뿐만 아니라 부산물 또는 공해물의 형성을 최소화하는 촉매의 개발은 환경적으로 의식있는 제조에 있어서 증가하는 중요한 목표이다. 본 발명의 실행에 있어서, 각각의 펄스가 선택된 분자를 특히 광이온화하는 일련의 레이저 펄스는 상이한 생성물을 연속적으로 모니터하는데 사용될 수 있다. 레이저 광이온화와 생성물 검출이 마이크로 초의 시간 스케일을 가지는 빠른 공정이기 때문에, 다기능 촉매 활동을 위해 큰 포텐셜 촉매 라이브러리의 신속한 스크리닝은 심지어 많은 종의 연속적인 검출과 함께 성취될 수 있다.

몇몇 응용에 있어서, 촉매 반응에 의해 형성되는 생성물은 액체 또는 고체 상태, 예를 들면 엔자임에 의해 촉매화된 고분자의 생체분자의 반응상태로 있게 되어, 따라서 REMPI 의 직접적인 응용은 촉매 활동성과 선택성을 스크리닝하는데 적절하지 않다. 그러나, REMPI 방법은 반응 생성물이 우선 기화되면 적용될 수 있다. 이것은 액체 또는 고체 표면으로부터 생성물 분자를 신속하게 기화시키도록 펄스화된 제거 레이저, 예를 들면 펄스화된 CO₂또는 엑시머 레이저를 이용함으로써 성취될 수 있다. 제거 레이저를 사용하는 일 실시예가 도 17 에 도시되어 있으며, 여기서 제거 레이저원(63)은 액체 촉매 용액(57)의 표면으로부터, 상기 설명된 미소전극 방법들 중 어느 하나에 의해 검출된, 생성된 광이온과 광전자와 이온화 레이저 빔(23)에 의해 차단될 수 있는 기체 생성물 플룸(22)내로 생성물 분자를 신속하게 기화하도록 제거 레이저 빔(64)을 발생시킨다. 본 발명의 REMPI 미소전극 방법을 사용하여 반응 매개물과 반응 생성물을 모니터할 수 있다는 점이 상기 개시로부터 명백하다. 반응 매개물 및 생성물을 모니터할 수 있는 능력은 본 발명의 방법의 적용가능성의 범위를 크게 향상시킨다. 또한, 본 발명에 따른 측정이 어떠한 지연없이 실시간으로 실행되기 때문에, 빠른 전이 공정이 모니터될 수 있다. 다음으로, 이 능력은 촉매 기능의 보다 나은 이해를 이끌어내며, 따라서 새롭고 향상된 촉매의 개발을 돕는다.

다음의 특정 예는 본 발명을 특히 설명하기 위해 사용되지만, 어떠한 방식으로든 본 발명을 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다.

본 발명의 촉매 스크리닝 방법은 C₆H₁₂→C₆H₆+3H₂반응에 따라 시클로헥산을 벤젠으로 촉매 탈수소화에 사용되었다. 이것은 "Rebhan, D.M et al" 의 "A Kinetic and Mechanistic Study of Cyclohexane Disproportionation: An Example of Irreversible Hydrogen Transfer", J. Catalysis, 111, 397, 1988 에 따라서 250°내지 350℃ 의 온도 범위에서 전이 및 값비싼 금속에 의해 촉매화되는 반응이 잘 구성된다.

활성화된 탄소에 대해 0.5 % 와 1.0 % 의 Pt 와 Pd 의 지지된 Pt 와 Pd 촉매는 "Precious Matals Corp." 로부터 얻어졌다. 이들 촉매 및 여러 가지 비활성 캐리어 재료인 실리카와 알루미나는 도 5 와 유사한 5 mm ×5 mm 셀내의 라이브러리 기질내에 하나의 열내에 통합되었다. 촉매와 비활성 캐리어 재료의 주소는 다음과 같다.

사이트 No. 1 2 3 4 5 6 7 8

재료 비활성 0.5%Pt 비활성 1.0%Pd 비활성 비활성 1.5%Pt 0.5%Pd

다음으로, 촉매 라이브러리는 반응장치내에 배치되었으며, 아르곤 기체유동의 존재하에서 300℃ 로 가열되었다. 반응장치내의 열전대에 의해 결정된 정상상태 작동온도가 성립된후에, 시클로헥산 반응물 스트림이도입되었다. 반응물 스트림 조성은 스파저를 사용함으로써 약 25℃에서 시클로헥산을 통해 아르곤 기체의 거품을 냄으로써 준비된 아르곤 기체내의 13 % 시클로헥산이었다.

라이브러리 스크리닝 공정은 시클로헥산, 수소 및 아르곤 혼합내의 벤젠의 명확한 검출을 요구하였다. 벤젠 REMPI 이온을 선택적으로 생성시키기 위한 적절한 liv 레이저 파장은 비행질량분석기의 레이저 광이온화 시간(TOF-MS)을 사용하는 개별 테스트에서 확인되었다. 각각이 아르곤내에서 약 50ppm의 농도에서시클로헥산과 벤젠의 기체 펄스는 펄스화된 밸브를 사용하여 TOF-MS의 진공 챔버내로 팽창되었으며, 이에 따른 제트/분자 빔은 광이온화 및 질량 스펙트럼을 발생시키도록 258-262 nm 범위에서 펄스화된 UV레이저 빔에 의해 교차된다. UV레이저는 약 100μJ/펄스 에너지를 가지며, 코마린 500 다이를 이용하여 다이 레이저로부터 얻어졌다. 이들 측정은, 258-262 nm 의 UV 레이저에 의해 생성되는 REMPI 이온이 시클로헥산에 대해 84 또는 아르곤에 대해 40 또는수소에 대해 2 의 질량으로 검출된 광이온없이, 광이온화에 기인하여서만 되었다는 결론을 이끌었다. 질량 78 의 벤전 부모와 다른 어떠한 정상점도 검출되지 않았다. 도 18 은 TOF-MS 기술에 의해 결정됨에 따라 벤젠과 시클로헥산의 REMPI스펙트럼을 도시하고 있다. 벤젠이, 시클로헥산으로부터 어떠한 기여도 없이, 259.7 nm에서 시작하는 주요 REMPI 정상점을나타내는 것이 도 18 로부터 명백하다.

벤젠과 시클로헥산의 REMPI 스펙트럼은 미소전극 공정을 이용하여 1 atm과 대기온도에서 또한 결정되었다. 아르곤 캐리어 기체내의 시클로헥산과 벤젠은 프로브 팁의 1-2 mm 내에서 258-262 nm 범위의 펄스화된 liv 레이저 빔의 통과에 의해 광이온화된다. 전원으로부터 +500 V의 DC 바이어스는 광전자를 수집하도록 아노드에 적용된다. 이에 따른 REMPI 스펙트럼은 도 19 에 도시되며, 기대된 스펙트럼 확장이 대기 온도와 1atm 의 압력조건에서 관찰됨과 함께 도 18에 도시된 TOF-MS에 의해 얻어진 스펙트럼과 유사하다. 이것은, 259.7 레이저의 사용이 반응장치 시스템에서 시클로헥산, 아르곤 및 수소의 존재시 벤젠 REMPI이온의 유일하고 효유적인 생성을 초래하는 것을 보여준다.

도 9 에 도시된 반응장치 시스템은 상기에서 확인된 바와 같이 열내에 8 개의 라이브러리 사이트를 통해 아르곤 캐리어 기체내에 시클로헥산을 통과시키는데 사용되었다. 259.7 nm 레이저 빔은 라이브러리 사이트로부터 생성물 플룸을 통해 통과되며 8 개의 사이트 각각에 인접하여 검출된 벤젠 REMPI 신호는 도 20 에 도시된다. 이들 측정은 마이크로 초 오더로, 빠른 상승 및 붕괴 시간을 나타내는 신호와 하나의 레이저 발사에 으해 얻어진 데이터에 상응한다. 도 20으로부터 명백한 바와 같이, 사이트 2,4,7 및 8 에 위치된 미소전극은, 이들 사이트에서 Pt 와 Pd 촉매의 존재와 일치하게, 상당한 벤젠 신호를 발사한다. 반면에 몇몇 REMPI신호는 E호나 사이트 1,3,5 및 6에서 검출되지만, 이들은 이들사이트에서 촉매의 부재와 일치하게 상당히 낮다. 명백하게 몇몇 벤젠은 반응장치내에 존재하는 낮은 기체 유동율과 재순환 패턴에 기인하여 반응장치의 벌크 기체내에 존재하며, 양자는 반응장치로부터 반응 생성물의 신속한 제거를 감소시킨다. 더 작은 반응장치 챔버, 모노리스 구조물 또는 다른 라이브러리 설계의 사용은 이러한 문제점을 감소시킨다. 그럼에도 불구하고, 도 19 는 본 발명의 방법이 라이브러리내의 활동 및 비활동 사이트사이에서 신속하고 명백하게 구분됨을 도시하고 있다. 또한, 반응장치 배출기체는 벤젠과 다른 종이 측정된 미소전극 신호에 기여하는지를 확인하도록 스크리닝하는 동안 259.7 nm 레이저 빔을 사용하여 TOF-MS 에 의해 분석되었다. 질량이 78 인 이들과 다른 어떠한 광이온도 검출되지 않았다.

도 20 에 도시된 바와 같이, 측정된 REMPI 신호의 크기에 기초하여, 촉매 사이트의 상대 활동성은 7〉2〉4〉8 로 나타난다. 이들 결과는 이들 사이트에서 Pt 와 Pd 의 상업적인 촉매의 상대적인 부하와 일치하며, 또한 Pt 가 Pd 보다 더 활동성있는 시클로헥산탈수호화 촉매임을 제안한다. 이러한 발견은, 1988 년 "Rehbon et al" 과 "Ahmed K et al" 의 "Dehydration of Cyclohexane and Cyclohexene over Supported Nickel and Platinum Catalyst", Chem. J., 50, 165, 1992 에 따른 종래의 촉매 반응장치 시스템과 일치한다.

상기 설명과 예에 특정된 조건은 본 발명의 촉매 스크리닝 기술의 적용을 설명하는 것을 의미함이 인식된다. 당업자는 이 설명과 예로부터, 본 발명의 방법이 어떠한 반응에 대한 어떠한 촉매도 스크리닝하는데 사용될 수 있다는 점을 추론할 수 있다. 반응조건은 스크리닝 방법의 변화없이 광범위하게 변화될 수 있다. 예를 들면, 반응온도는 25℃ 의 실내온도로부터 1000℃ 의 고온으로 용이하게 변화될 수 있다. 마찬가지로, 압력은 10^-4Torr 의 진공으로부터 500 기압의 고압으로 용이하게 변화될 수 있다. 스크리닝 공정은 100% 의 순수 혼합물로부터 100ppm 의 백만당 수백의 희석 스트림까지의 반응물 이송 농도의 넓은 범위를 용이하게 수용할 수 있다.

또한, 복합적인 촉매는 박막 침착, 석판술, 에칭, 플라즈마 공정 등과 같은 일체화된 회로 제조공정을 사용하여 소형화된 반응장치를 가공함으로써 생성될 수 있다. 이러한 접근은, "Srinivasan, R. et al" 의 "Micromachined Reactor for Catalytic Patial Oxidation Reaction", AIChE Journal, 43, 3059-3069, 1997 에 의해 설명된 바와 같이 암모니아의 촉매 산화를 위한 칩상에 반응장치를 만드는데 사용되었다. 수동적인 모노리스 또는 허니콤 구조물과는 달리, 미소기계가공된 반응장치는 작동조건의 제어를 위해 유동 및 온도 센서, 가열요소 및 엑츄에이터를 결합할 수 있다. 본 발명에 있어서, 많은 수의 미소반응장치가 다른 적절하게 일체로된 회로 제조 시퀀스를 사용하여 평행하게 준비된다. 각각의 미소반응장치 시스템은 반응물 이송, 촉매반응, 생성물 출구 및 방사선 접근을 위한 통로를 포함한다. 이들 통로는 실리카 또는 알루미나와 같은 비활성 웨이퍼 기질, 또는 이러한 비활성 막에 의해 코팅된 재료, 예를 들면 비활성 재료에 의해 코팅된 금속의 습윤 또는 건조 에칭에 의해 가공될 수 있다. 각각의 반응구역의 출구 통로는 생성물 REMPI 이온의 검출을 위해 미소전극을 수용하기에 충분히 커야 한다. 또한, 감지, 유동 및 온도 컨트롤러는 웨이퍼상의 개별 반응장치 사이트내에 삽입될 수 있다. 또한, 전기 회로소자는 전자화학적으로 촉매반응을 제어하도록 삽입될 수 있다. 상이한 촉매 재료는 마스크를 사용하여, 스퍼터링, 레이저 제거, 열 또는 플라즈마 강화 화학적 증기의 침착 등의 다양한 기술에 의해 라이브러리의 상이한 통로내에 침착될 수 있다. 변경적으로, 촉매는 미소 제트 또는 미소 드롭 분배기의 도움으로 용해기술을 사용하여 반응장치 통로내로 침착될 수 있다. 이들 분배기는 촉매 입자를 포함하는 슬러리를 침착시키는데 사용될 수 있다. 용해기술을 사용할 때, 반응장치 통로는 필요한 양의 액체 및/또는 슬러리 촉매 피리커서를 포함하도록 반응구역내에서 변형될 수 있다. 이것은 예를 들면, 액체 또는 슬러리 촉매 프리커서 혼합물의 수집을 위한 반응장치 통로의 중앙 영역내의 저수조를 가공함으로써 성취될 수 있다. 이들 저수조는 임의의 형상일 수 있으며, 스크리닝 공정동안 반응장치의 작동과 촉매의 준비를 더 잘 제어하기 위해 내부 차폐재, 엑츄에이터 및 센서를 가질 수 있다. 또한 저수조들은 압력 드롭, 반응물 예열 및 생성물 켄칭 조건을 제어하기 위해 미소반응장치를 따르는 상이한 위치에 배치될 수 있다. 촉매 프리커서의 액체 및/또는 슬러리 혼합물은 미소 제트 또는 미소 드롭 분배기와 로보틱스를 사용하여 저수조내에 도입될 수 있다. 액체의 부가 후에, 교반이 액체 또는 슬러리 혼합물의 혼합을 보장하기 위해, 예를 들면 기계적인 진동, 미소 활성자 또는 초음파분해에 의해 유발될 수 있다. 촉매 프리커서를 분배한 후에, 이에 따른 혼합물은 촉매의 형성을 위해 열적으로 및 화학적으로 처리된다. 이들 처리 공정은 건조, 하소, 산화, 환원 및 활성화를 포함할 수 있다.

도 21 과 도 22 는 본 발명에 따른 단일 미소반응장치 시스템의 기초를 개략적으로 도시하고 있다. 도 21 은 박막 또는 고체 입자의 촉매 침착공정에 적절한 미소반응장치를 도시하고 있으며, 도 22 는 용해를 기반으로 한 촉매 침착공정에 적절한 미소반응장치를 도시하고 있다. 도면에서, 비활성 미소반응장치 체(70)는 도 21 에서 구역(72)으로 도 22 에서 확대된 저수조 촉매구역(73)으로서 도시된 촉매구역을 이끄는 반응물 이송 통로(71)를 가진다. 도 22 에 도시된 바와 같이, 차폐 구조물(74)은 저수조(73)내에 위치된다. 이러한 차폐 구조물은 몇몇 반응에 이익을 주도록 혼합을 유발하기 위해 그리고 촉매를 위한 부가적으로 노출된 표면 영역을 구비하는 것과 같은 많은 효과를 가질 수 있다. 생성물은 출구 통로(75)를 통해 반응체적을 벗어난다. 반응물 이송 및 생성물 유동은 촤살표로 도시된다. 출구 통로(75)의 격리를 위한 광학 접근창을 가지는활성화 방사선 통로(76)는 출구 통로(75)를 통해 통과하는 생성물 스트림을 통해 활성화 방사선 빔(77)의 직접적인 통로레 제공된다. 도 21 은 외부 미소전극(78)을 조시하고 있으며, 도 22 는 이미 설명된 바와 같이, 검출을 위해 광전자 또는 광이온을 수집하기 위해, 활성화 방사선 빔(77)에 인접하여 출구 통로(75)내에 위치된 내부 미소전극을 도시하고 있다. 내부 미소전극(84)은 미소전극체(70)에 부착되며, 예를 들면 생성물 출구 통로의 바닥부, 측면 또는 상부벽에 삽입되어, 미소반응장치체의 일체형 부분이 된다. 이들 내부 미소전극은 생성물 출구 통로벽과 동일한 레벨에 있거나 돌출할 수 있다. 내부 미소전극에는 미소전극에 동력을 공급하고 검출측정장치에 대해 검출된 신호의 통로를 위해 적절한 와이어가 구비된다. 이들 와이어와 접속단자는 구성된 미소전자 제조기술을 사용하여 조립하는 동안 미소반응장치내에 삽입된다.

상기에 참조되는 부호는 동일한 의미를 가지며, 도 23 은 단일 비활성 미소반응장치체(70)내에 미소반응장치의 배열을 도시하고 있다. 어떠한 수의 미소반응장치가 기질 웨이퍼의 물리적인 특성과 미소반응장치의 크기에 따라서, 배역내에 나타날 수 있다. 각각의 미소반응장치(72)는 어떠한 크기도 가질수 있지만, 약 0.1 내지 2 mm 폭 오더의 반응장치 채널이 제작과 일련의 스크리닝 공정에 가장 적절하다. 반응물 플룸(79)은 각각의 미소반응장치에 반응물을 분배하도록 각각의 반응물 이송 통로(72)와 유체 연통된다. 반응물 플룸(79)은, 미소반응장치의 압력 드롭 특성이 유사하면, 각각의 미소반응장치를 통한 유사한 유체 유동율의 구성을 보장하기에 충분히 크다. 변경적으로, 유동 센서와 엑츄에이터는 각각의 미소반응장치를 통해 유체 유동을 독립적으로 제어하기 위해 각각의 미소반응장치내에 조립될 수 있다. 상이한 촉매가 예를 들면, 설명된 기술들을 사용하여 각각의 미소 반응장치내에 배치될 수 있다. 이들 촉매의 물리적인 형태는 부재번호(86)과 같이 막이거나 부재번호(85)와 같이 분말일 수 있다. 단일 베이스 웨이퍼로부터 미소반응장치를 조립하는 것은 활성화 방사선 통로(76)와 미소전극(84)의 양호한 배열을 보장하며 이에 의해 스크리닝 공정을 촉진시킨다. 내부 전극(84)은 미소전극에 동력을 공급하기 위해 그리고 검출측정장치에 대해 검출 신호의 통과를 위해 내부 와이어링을 가능하게 한다. 변경적으로, 분리되고 상이한 전극들, 아노드용으로 하나 와 캐소드용으로 하나는 동력공급과 긴호검출을 위해 반응장치의 상이한 벽들에 삽입될 수 있다. 적절한 커넥터는 선택적인 스취칭을 통해 전체 배열이 전원과 검출측정장치에 용이하게 연결되기 위해 배열의 외부상에 위치될 수 있다. 반응물 이소 및 생성물 유동은 화살표로 도시된다.

미소반응장치 베이스 층의 조립후에, 비활성 커버 웨이퍼(80)는 도 24 에 도시되는 바와 같이 미소반응장치 배역을 커버하도록 비활성 미소반응장치 베이스(70)에 결합되어, 미소반응장치 배열내로의 반응물의 유동 및 이 배열 외부로의 생성물의 유동을 허용하면서 각각의 미소반응장치 시스템를 격리시킨다. 도 24 는 상기 개시된 바와 같이, 미소반응장치체(70)에 부착된내부 미소전극(84)에 대해 설명된 바와 유사한 방식으로 커버 웨이퍼(80)내에 부착되거나 삽입된 내부 미소전극(87)을 도시하고 있다. 내부 와이어(88)는 각각의 미소전극으로부터 검출장치로의 검출 신호의 통과를 위해 그리고 각각의 미소전극에 동력을 공급하기 위해 각각의 미소전극(87)으로부터 외부 커넥터(89)로 안내된다. 변경적으로, 개별 전극은 신호 검출을 위해 및/또는 동력 공급을 위해 베이스(70)에 삽입될 수 있다. 도 25 에 도시된 바와 같이, 각각의 편평한 미소반응장치 배열은, 도 24 에 도시된 바와 같이 복수의 편평한 미소반응장치 배열의 3 차원 구조물을 얻도록 수직으로 쌓여져서, 이에 의해 도 12 에 도시된 것과 유사한 방식으로 많은 샘플의 신속한 분석을 제공한다. 미소반응장치 배열은 서로 고정된 관계로 인접한 배열들을 유지하도록 적절한 파스너를 가질 수 있다. 미소전극은 DC 전원에 의해 전원이 공급되며 각각의 미소전극으로부터 신호는 멀티채널 선택기를 통해 측정장치로 이송된다.

도 26 은 미소반응장치 배열(91)을 도시하고 있으며, 도 24 에 도시된 바와 같이, 촉매 스크리닝을 위한 연결과 용이한 취급을 위해 미소반응장치 배열 프레임(92)에 배치될 수 있다. 미소반응장치는 가역적인 화살표에 의해 지시되는 바와 같이 프레임내의 개구부내에 끼워맞춰진다. 반응물 이송은 화살표에 의해 지시되는 바와 같이 프레임을 통해 미소반응장치 배열의 반응물 이송 매니폴드로 그리고, 화살표에 의해 지시되는 바와 같이 프레임을 통해 생성물 출구로 제공된다. 방사선 통로(93)는 상기 설명된 바와 같이, 미소반응장치체(70)내의 방사선 통로(76)를 통해 통과하도록 정렬된 방사선 빔(77)의 입구와 출구를 위한 프레임(92)을 통해 제공된다. 또한, 프레임은 미소반응장치 배열의 내부 와이어(88)의 일단에서 연결을 위해 그리고 대향 단에서 전원과 검출측정장치에 연결을 위한 내부 와이어(94)를 가진다. 또한, 프레임은 복수의 미소반응장치 배열-프레임 어셈블리에 반응물을 단일 이송 공급장치가 제공할 수 있도록 배열된 반응물 이송 매니폴드를 가질 수 있다. 또한, 프레임은 프레임내에 구성된 가열요소를 통해 미소반응장치 배열을 위한 온조 제어를 제공할 수 있다. 미소반응장치 배열-프레임은 인접한 미소반응장치 배열 프레임 어셈블리의 연결을 위한 적절한 수단일 수 있다.

복수의 미소반응장치-프레임 어셈블리는 도 25 에 도시된 바와 유사하게 수적한 방식으로 결합될 수 있다. 도 27 에 도시된 다른 실시예에 있어서, 미소반응장치 배열-프레임 어셈블리(95)는 옆으로 나란한 관계로 수평으로 결합될 수 있다. 방사선 통로(93)를 정렬하는 것은 큰 촉매 라이브러리의 평가에 있어서 하나의 방사선 빔(77)을 사용할 수 있게 한다.

스크리닝은, 생성물 출구 통로(75)내의 생성물 REMPI 이온을 형성하기 위해, 활성화 방사선 통로(76)를 통해 적절히 조정가능한 방사선 빔을 통과시킴으로써 활성화되는 반응 생성물을 형성하는 포텐셜 촉매와 접촉한 상태로 미소반응장치 배열을 통해 공지된 양의 반응물 기체를 통과시킴으로써, 그리고, 유체 격리를 제공하는 접근창을 가짐으로써 성취된다. 이들 생성물 REMPI 이온은 출구 통로내에 미소전극에 의해 검출도며 상기 설명된 방식으로 측정된다. 스크리닝동안, 미소반응장치 배열은 전체 배열의 온도 제어를 위해 로내에 배치될 수 있으며, 각각의 미소반응장치의 온도는 미소반응장치 조립공정동안 미소반응장치내에 설치된 센서와 가열 요소를 이용하여 독립적으로 제어될 수 있다. 변경적으로, 온도 제어는 프레임에 의해 제공될 수 있다.

도 28a 와 도 28b 는 본 발명에 따른 상이한 미소반응장치와 미소드롭/미소제트 기술을 이용하여 복합적인 촉매 라이브러리 준비와 스크리닝 방법의 다른 예를 요약하고 있다. 단계 1 은 희망하는 통로를 형성하기 위해 그리고 용해 침착동안 액체를 유지하기 위해 플러그를 사용하여 촉매 라이브러리 비활성 기질의 준비를 도시하고 있다. 단계 2 는 촉매 반응구역의 저수조내의 촉매 프리커서 용해 침전을 도시하고 있다. 단계 3 은 당해 기술에 잘 공치된 방법에 의해 촉매의 건조와 하소를 도시하고 있다. 단계 4 는 통로를 형성하는데 사용되는 플러그의 제거에 의해 생성물 출구 통로의 개방을 도시하고 있다. 단계 5 는 미소반응장치 배열을 통한 적절한 기체의 통과에 의한 촉매의 형성 및/또는 활성화를 도시하고 있다. 단계 6 은 각각의 미소반응장치내의 촉매와 접촉한 상태로 반응물 기체(들)를 통과함으로써, 각각의 반응 생성물 스트림을 통해 특정된 이온의 형성을 증진시키기 위한 에너지 레벨의 방사선 빔을 통과함으로써, 그리고 활성화 방사선 빔에 인접하여 미소전극 수집에 의해, 형성된 이온 또는 전자를 검출함으로써 미소반응장치의 배열내의 촉매의 스크리닝를 도시하고 있다.

본 발명의 상기 설명에 있어서, 특정의 바람직한 실시예에 관하여 설명하고 있지만, 설명을 위해 많은 상세부가 설명되고 있으며, 본 발명이 부가적인 실시예들을 용인할 수 있으며, 본 발명의 기본적인 원리를 벗어나지 않으면서 여기 설명된 상세부가 상당히 변화될 수 있음은 당업자에게는 명백하다.

Claims

촉매 특성을 위해 포텐셜 촉매 라이브러리의 신속한 스크리닝을 위한 방법으로서,

복수의 주소지정가능한 테스트 사이트에서 포텐셜 촉매를 가지는 포텐셜 촉매 라이브러리를 형성하는 단계; 상기 복수의 주소지정가능한 사이트에서 상기 포텐셜 촉매와 접촉한 상태로 반응물 기체를 통과하는 단계; 및 상기 주소지정가능한 사이트에서 반응 생성물의 기체 플룸을 스크리닝하는 단계를 포함하며, 상기 스크리닝은, 특정 이온과 전자를 포함하는 여자된 생성물을 형성하기에 충분한 에너지 레벨의 적어도 하나의 방사선 빔을 통과시키는 단계와 상기 주소지정가능한 사이트에 인접하여 본래의 미소전극 수집에 의해 상기 형성된 이온 또는 전자를 실시간으로 검출하는 단계를 포함하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 반응 생성물이 분열 딸 생성물(들)을 형성하는 적어도 하나의 에너지 빔과 접촉하는 단계를 더 포함하며, 상기 스크리닝과 상기 검출은 상기 분열 딸 생성물(들)에 대해 수행되는 것을 특징으로 하는 공정.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 스크리닝은 펄스화된 조정가능한 레이저 빔으로 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 딸 분열 생성물(들)을 형성하는 상기 에너지 빔은 펄스화된 레이저 빔인 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 빔은 약 150 nm 내지 약 700 nm 의 범위의 파장을 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
반응 생성물의 방사 활성화 스크리닝을 위한 미소반응장치로서,

비활성 기질체, 상기 기질체의 일측상의 제 1 개구부로부터 상기 기질체의 대향측상의 제 2 개구부로 연장되는 반응 통로, 반응물이 상기 반응구역과 접촉이 가능하도록 한 상기 반응장치 통로의 중앙 부분내의 반응구역, 반응물 이송 통로로서 사용되는 상기 반응구역으로부터 연장되는 상기 반응물 통로의 반응물구역, 및 상기 반응물구역으로부터 생성물 출구 통로로서 사용되는 상기 제 2 개구부로 연장되는 상기 반응물 통로의 생성물구역을 포함하며; 방사선 빔 통로는 상기 생성물 구역에 실질적으로 수직하게 가로지르는 상기 기질체를 통해 뻗으며, 상기 방사선 빔 통로는 상기 생성물구역으로부터 상기 방사선 통로의 유체 분리와 방사선 빔의 통로를 제공하는 방사선 빔 접근창을 가지며, 그리고 상기 방사선 빔 통로와 상기 생성물구역의 교차부에 근접한 상태의 상기 생성물구역내의 미소전극을 포함하는 미소반응장치.
제 6 항에 있어서, 상기 반응구역은 상기 반응물구역과 비교하여 실질적으로 균일한 단면을 가지는 것을 특징으로 하는 미소반응장치.
제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 반응구역은 상기 반응물구역과 비교하여 실질적으로 확대된 단면을 가지는 것을 특징으로 하는 미소반응장치.
제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응장치 통로와 상기 방사선 빔 통로를 둘러싸는 상기 기질체에 결합된 비활성 커버 웨이퍼를 더 가지는 것을 특징으로 하는 미소반응장치.
제 6 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응구역내에 차폐 구조물을 더 가지는 것을 특징으로 하는 미소반응장치.
제 6 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응구역은 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 미소반응장치.
제 6 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응구역은 박막 형태 또는 분말 형태인 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 미소반응장치.
제 6 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 단일 기질체내의 미소반응장치의 평행배열에 있어서, 각각의 미소반응장치의 상기 방사선 빔 통로는 인접한 방사선 빔 통로와 정렬되는 것을 특징으로 하는 미소반응장치의 평행배열.
제 13 항에 있어서, 상기 반응물 통로의 상기 반응물구역은 상기 기질체내의 상기 제 1 개구부와 인접하며, 상기 각각의 반응구역과 유체 연통상태로 상기 반응물 통로의 보다 작은 반응물 이송부분과 유체 연통상태인 확대된 반응물 매니폴드구역을 포함하는 것을 특징으로 하는 미소반응장치의 평행배열.
제 13 항 또는 제 14 항에 있어서, 상기 각각의 반응구역은 상기 반응물구역과 비교하여 실질적으로 균일한 단면을 가지는 것을 특징으로 하는 미소반응장치의 평행배열.
제 13 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응구역은 상기 반응물구역과 비교하여 실질적으로 확대된 단면을 가지는 것을 특징으로 하는 미소반응장치의 평행배열.
제 13 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배열내의 각각의 미소반응장치내의 온도와 유동의 개별적인 제어를 위한 온도 및 유동 제어수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미소반응장치의 평행배열.
제 13 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 미소반응장치에 동력을 공급하기 위한 동력 공급기, 상기 생성물구역을 통해 통과하는 방사선에 의해 형성되는 이온 또는 전자의 검출을 위한 검출기, 및 상기 미소반응장치의 배열의 특정 생성물구역내의 상기 이온 또는 전자를 검출하기 위한 선택기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미소반응장치의 평행배열.
제 13 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 각각의 미소반응장치내의 상기 미소전극은 상기 반응장치 통로의 상기 생성물구역의 벽에 부착되거나 삽입되는 것을 특징으로 하는 미소반응장치의 평행배열.
제 19 항에 있어서, 둘레에 끼워맞춤되는 제거가능한 프레임을 더 포함하며, 상기 각각의 미소전극으로부터 검출된 신호와 동력을 공급하기 위한 내부 와이어를 가지며, 상기 배열의 내부 와이어는 상기 검출된 신호를 측정하기 위한 측정장치와 동력 공급기에 연결을 위한 상기 프레임내에 내부 와이어와 전기적인 연통상태에 있는 것을 특징으로 하는 미소반응장치의 평행배열.