基于飛秒激光加工的三維微流控化工反應(yīng)芯片設(shè)計(jì)

基于微流控化工芯片的連續(xù)流合成技術(shù)具有生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)過(guò)程安全、可規(guī)模化生產(chǎn)等突出優(yōu)勢(shì)，可用于快速生產(chǎn)精細(xì)化學(xué)品和先進(jìn)材料，以及新藥研發(fā)與合成。與傳統(tǒng)二維微通道反應(yīng)器相比，利用飛秒激光加工技術(shù)制造的三維微通道反應(yīng)器能夠在受限物理空間中提供更為優(yōu)越的流體操縱能力，從而極大地提升化學(xué)反應(yīng)中的傳質(zhì)傳熱過(guò)程，并進(jìn)而獲得高純度的反應(yīng)產(chǎn)物。特別是玻璃基底的連續(xù)流合成芯片具有高透光性，為實(shí)現(xiàn)高空間分辨的光譜探測(cè)提供了便利，而先進(jìn)的實(shí)時(shí)光譜探測(cè)能力將打開(kāi)全自動(dòng)智能材料合成與藥物創(chuàng)制的大門。

近日，華東師范大學(xué)吳淼博士、李欣副教授與程亞教授等采用飛秒激光加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一種三維微流控化工反應(yīng)芯片，并集成了一系列微光譜探頭。該芯片集成了三維濃度梯度發(fā)生器、化學(xué)合成反應(yīng)器以及光纖陣列光譜實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊，在玻璃芯片上實(shí)現(xiàn)了化學(xué)合成過(guò)程的實(shí)時(shí)高時(shí)空分辨光譜監(jiān)測(cè)功能，并成功地應(yīng)用于高通量反應(yīng)條件下的快速篩選。

相關(guān)研究成果以“Real-time spectroscopic monitoring of continuous-flow synthesis of zinc oxide nano-structures in femtosecond laser fabricated 3D microfluidic microchannels with integrated on-chip fiber probe array”為題，發(fā)表在英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)期刊Lab on a chip上，并入選為期刊封面文章。

在該研究中，研究人員致力于研發(fā)高通量、高性能的微流控化工芯片制造，以獨(dú)特的飛秒激光內(nèi)雕技術(shù)制備出了面積達(dá)15.8 cm × 13.8 cm、三維內(nèi)構(gòu)件加工精度達(dá)到微米量級(jí)的玻璃連續(xù)流合成芯片，然后將一組光纖對(duì)陣列精準(zhǔn)地集成在微通道上下側(cè)，可同時(shí)對(duì)5條微通道中的合成反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)高分辨的光譜檢測(cè)，空間分辨率高達(dá)~ 50 μm。該芯片反應(yīng)通量可達(dá)200 mL/min，控溫范圍為-70°C ~ 250°C。

此外，該研究中的光譜檢測(cè)模塊采用了上海復(fù)享光學(xué)公司的（NOVA 2S）光譜儀，光譜采集積分時(shí)間為10 ms，光譜分辨率為0.38 nm。隨后，針對(duì)氧化鋅（ZnO）納米結(jié)構(gòu)的可控合成應(yīng)用，研究人員通過(guò)光譜信號(hào)反饋，對(duì)反應(yīng)物濃度、進(jìn)料速度等合成參數(shù)進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了合成氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的尺寸和形貌調(diào)控。

綜上所述，該連續(xù)流微流控化工合成芯片具有高通量、高性能、多功能、低成本等優(yōu)勢(shì)，未來(lái)可進(jìn)一步與人工智能（AI）光譜識(shí)別技術(shù)進(jìn)行融合，為全自動(dòng)智能化連續(xù)流合成制造開(kāi)辟了道路。

審核編輯：劉清