基于飞秒激光加工的三维微流控化工反应芯片设计

基于微流控化工芯片的连续流合成技术具有生产效率高、生产过程安全、可规模化生产等突出优势，可用于快速生产精细化学品和先进材料，以及新药研发与合成。与传统二维微通道反应器相比，利用飞秒激光加工技术制造的三维微通道反应器能够在受限物理空间中提供更为优越的流体操纵能力，从而极大地提升化学反应中的传质传热过程，并进而获得高纯度的反应产物。特别是玻璃基底的连续流合成芯片具有高透光性，为实现高空间分辨的光谱探测提供了便利，而先进的实时光谱探测能力将打开全自动智能材料合成与药物创制的大门。

近日，华东师范大学吴淼博士、李欣副教授与程亚教授等采用飞秒激光加工技术实现了一种三维微流控化工反应芯片，并集成了一系列微光谱探头。该芯片集成了三维浓度梯度发生器、化学合成反应器以及光纤阵列光谱实时监测模块，在玻璃芯片上实现了化学合成过程的实时高时空分辨光谱监测功能，并成功地应用于高通量反应条件下的快速筛选。

相关研究成果以“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”为题，发表在英国皇家化学会期刊Lab on a chip上，并入选为期刊封面文章。

在该研究中，研究人员致力于研发高通量、高性能的微流控化工芯片制造，以独特的飞秒激光内雕技术制备出了面积达15.8 cm × 13.8 cm、三维内构件加工精度达到微米量级的玻璃连续流合成芯片，然后将一组光纤对阵列精准地集成在微通道上下侧，可同时对5条微通道中的合成反应过程进行实时高分辨的光谱检测，空间分辨率高达~ 50 μm。该芯片反应通量可达200 mL/min，控温范围为-70°C ~ 250°C。

此外，该研究中的光谱检测模块采用了上海复享光学公司的（NOVA 2S）光谱仪，光谱采集积分时间为10 ms，光谱分辨率为0.38 nm。随后，针对氧化锌（ZnO）纳米结构的可控合成应用，研究人员通过光谱信号反馈，对反应物浓度、进料速度等合成参数进行了实时监测，实现了合成氧化锌纳米结构的尺寸和形貌调控。

综上所述，该连续流微流控化工合成芯片具有高通量、高性能、多功能、低成本等优势，未来可进一步与人工智能（AI）光谱识别技术进行融合，为全自动智能化连续流合成制造开辟了道路。

审核编辑：刘清