用于化学合成的微流控芯片实验室技术

将微流控芯片实验室技术应用于化学合成可以释放新的效率潜力

如果您的实验室感觉试剂、设备和人员过于拥挤，那么也许是时候缩小规模了。如今，在微流体的帮助下，您可以随心所欲地变小。其中流体可以在连续流动的情况下使用外部泵源等泵入到微通道中. 这些系统区别于标准实验室的两个关键特征是试剂的恒定和可控流量，以及它们的小尺寸，广泛量化为在至少一个维度上保持小于一毫米的通道。

随着几年的研究、开发和生产寻求优化通道和基板材料、流体运动和输送，最终目标是将整个生物或化学工作流程密封隔离到单个小型设备上，从而产生理想的实验室芯片 (LOC) 或微量总体分析系统 (TAS)。如今，它们在生物医学研究领域取得巨大成功，包括基因组制备和分析、高通量筛选平台以及基于组织培养的疾病建模中的仿生类器官系统研究。它们在合成化学中的成功应用正在兴起和加速。

实现小型化的好处

将工作流转移到 LOC 的内在优势在成本、效率和准确性方面可能是惊人的。小型化带来了显着减少试剂使用的明显优势，并且在实验终点的下游，最大限度地减少浪费、溢出和清理问题，使实验室工作更整洁、更可持续。

由外部泵或容器引导的连续流动——或者最近，使用电和其他电位来混合或分离溶液的基于液滴的数字设备——允许可重复地输送精确的体积，并对反应时间和条件进行高度控制. 这些因素有助于促进实时测量、操作和检测，而不仅仅是在终点，并且不断增强的能力从头到尾保持在芯片上，而不必在中间或最终步骤退出 LOC 以重新- 缩放或重新校准。不太明显的是，微通道将层流而不是湍流传递给占据它的流体。层流在自然界中很少见，并以重要方式改变流体动力学：1）它降低了表示惯性力和粘性力之间比率的雷诺数，减少了试剂的不可预测性和回流，从而提高了混合的保真度；2) 它通过分子扩散促进混合，这在传统的实验室器皿中是随机的并且非常耗时。

扩展到化学合成和微反应器的兴起

微流控设备具有额外的嵌入特性，特别适合化学合成和实现作为微反应器的新功能，这是紧随其在生物医学研究中的广泛应用之后不断扩大的研究和生产领域。在许多方面，这些新发展是互补的，特别是在生成分子和医学探针以及药物合成方面。最重要的是，它们的高表面张力和低重力转化为高效的传热和传质特性，通常比标准间歇反应器中测量的值大两个数量级，这意味着：1) 热量快速消散；2）反应平衡可以很快达到。因此，高度放热（潜在爆炸性）有机合成反应通常可以在微反应器中以相当高的效率和产率进行，因为它们太危险而无法扩大到间歇反应器。例如，重氮化学可以产生一系列药学相关的羟基芳烃和氯芳烃。然而，重氮盐对光、热和冲击敏感。由此产生的不稳定可能导致爆炸，并且通常需要包括持续低温冷却在内的安全措施。微反应器中的合成可以减轻危险和要求，同时通常会提高产量并消除不需要的反应副产物。

增加的反应效率具有大量额外的好处。对于放射性标记的示踪探针，例如用于正电子发射断层扫描的那些，生产和使用可能会超过它们的快速衰减。此外，效率原则可以通过在通道或更强大的液滴格式中复用它们来测试和优化反应条件。通过这种方式，研究人员可以制定策略来实时改变浓度、化合物停留时间和切换溶剂，以提取重要的中间产品，同时提高最终产品的效率。例如，在通过组合二酮和肼生产唑类时，在微反应器和间歇反应器之间移动以达到生产规模可能会出现问题，因为在实验室/实验、中试和商业操作之间重新设计合成路线的常见且不可预测的需求。然而，向外扩展而非向上扩展的策略已经取得初步成功。换句话说，与其根据规模重新评估合成反应，研究人员可以维持微反应器规模的操作，同时添加更多等效的微流体设备以达到所需的总输出。通过这种方式，可以忠实地保持微反应器的小尺寸和物理特性的优势，同时完全避免重新优化。

警告、限制和解决方案

然而，LOC 微反应器存在局限性。在实践中，芯片材料决定了可以发生什么样的合成反应。玻璃，或与硅结合的玻璃，由于其相对惰性的特性，长期以来一直是首选的标准材料。然而，现代 LOC 通常由聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 组成，它赋予了一种灵活性，可以创建错流通道并使用专门的 Quake 阀控制流量或压力。

合成反应中的一个主要问题是像 PDMS 这样的材料容易被有机溶剂溶胀或溶解。此外，使用体积重力或浮力的反应，包括蒸馏或相分离，通常更适合间歇式反应器。最后，多相反应，尤其是与固体或沉淀反应物的反应，会堵塞微流体通道。

为了实现药物发现的自动化合成反应，研究人员已经开始排除这些限制和其他限制。值得注意的是，原理验证研究表明，数字微流控设备 (EWOD) 上的电润湿通过将微反应器从可能阻塞流动通道的外部压力要求和固定的极性有机溶剂中解脱出来，方法是用离子液体封装它们并驱动它们四处移动LOC 通过阻力产生的电位。采用多种策略和材料（包括纸张）开发和改进各种数字 LOC 设备，可能是未来释放微反应器潜力的最引人注目的一步。

英文原文链接：

https://www.labmanager.com/product-focus/microfluidic-lab-on-a-chip-technology-for-chemical-synthesis-25475

标签：微流体，微流控，微反应器，微流控化学合成设备