基于飛秒激光加工的三維微流控化工反應芯片設計

基于微流控化工芯片的連續流合成技術具有生產效率高、生產過程安全、可規?；a等突出優勢，可用于快速生產精細化學品和先進材料，以及新藥研發與合成。與傳統二維微通道反應器相比，利用飛秒激光加工技術制造的三維微通道反應器能夠在受限物理空間中提供更為優越的流體操縱能力，從而極大地提升化學反應中的傳質傳熱過程，并進而獲得高純度的反應產物。特別是玻璃基底的連續流合成芯片具有高透光性，為實現高空間分辨的光譜探測提供了便利，而先進的實時光譜探測能力將打開全自動智能材料合成與藥物創制的大門。

近日，華東師范大學吳淼博士、李欣副教授與程亞教授等采用飛秒激光加工技術實現了一種三維微流控化工反應芯片，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生器、化學合成反應器以及光纖陣列光譜實時監測模塊，在玻璃芯片上實現了化學合成過程的實時高時空分辨光譜監測功能，并成功地應用于高通量反應條件下的快速篩選。

相關研究成果以“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，發表在英國皇家化學會期刊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高通量、高性能的微流控化工芯片制造，以獨特的飛秒激光內雕技術制備出了面積達15.8 cm × 13.8 cm、三維內構件加工精度達到微米量級的玻璃連續流合成芯片，然后將一組光纖對陣列精準地集成在微通道上下側，可同時對5條微通道中的合成反應過程進行實時高分辨的光譜檢測，空間分辨率高達~ 50 μm。該芯片反應通量可達200 mL/min，控溫范圍為-70°C ~ 250°C。

此外，該研究中的光譜檢測模塊采用了上海復享光學公司的（NOVA 2S）光譜儀，光譜采集積分時間為10 ms，光譜分辨率為0.38 nm。隨后，針對氧化鋅（ZnO）納米結構的可控合成應用，研究人員通過光譜信號反饋，對反應物濃度、進料速度等合成參數進行了實時監測，實現了合成氧化鋅納米結構的尺寸和形貌調控。

綜上所述，該連續流微流控化工合成芯片具有高通量、高性能、多功能、低成本等優勢，未來可進一步與人工智能（AI）光譜識別技術進行融合，為全自動智能化連續流合成制造開辟了道路。

審核編輯：劉清