將微流控芯片實驗室技術(shù)應(yīng)用于化學(xué)合成可以釋放新的效率潛力

如果您的實驗室感覺試劑、設(shè)備和人員過于擁擠，那么也許是時候縮小規(guī)模了。如今，在微流體的幫助下，您可以隨心所欲地變小。其中流體可以在連續(xù)流動的情況下使用外部泵源等泵入到微通道中. 這些系統(tǒng)區(qū)別于標(biāo)準實驗室的兩個關(guān)鍵特征是試劑的恒定和可控流量，以及它們的小尺寸，廣泛量化為在至少一個維度上保持小于一毫米的通道。

隨著幾年的研究、開發(fā)和生產(chǎn)尋求優(yōu)化通道和基板材料、流體運動和輸送，最終目標(biāo)是將整個生物或化學(xué)工作流程密封隔離到單個小型設(shè)備上，從而產(chǎn)生理想的實驗室芯片 (LOC) 或微量總體分析系統(tǒng) (TAS)。如今，它們在生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域取得巨大成功，包括基因組制備和分析、高通量篩選平臺以及基于組織培養(yǎng)的疾病建模中的仿生類器官系統(tǒng)研究。它們在合成化學(xué)中的成功應(yīng)用正在興起和加速。

實現(xiàn)小型化的好處

將工作流轉(zhuǎn)移到 LOC 的內(nèi)在優(yōu)勢在成本、效率和準確性方面可能是驚人的。小型化帶來了顯著減少試劑使用的明顯優(yōu)勢，并且在實驗終點的下游，最大限度地減少浪費、溢出和清理問題，使實驗室工作更整潔、更可持續(xù)。

由外部泵或容器引導(dǎo)的連續(xù)流動——或者最近，使用電和其他電位來混合或分離溶液的基于液滴的數(shù)字設(shè)備——允許可重復(fù)地輸送精確的體積，并對反應(yīng)時間和條件進行高度控制. 這些因素有助于促進實時測量、操作和檢測，而不僅僅是在終點，并且不斷增強的能力從頭到尾保持在芯片上，而不必在中間或最終步驟退出 LOC 以重新- 縮放或重新校準。不太明顯的是，微通道將層流而不是湍流傳遞給占據(jù)它的流體。層流在自然界中很少見，并以重要方式改變流體動力學(xué)：1）它降低了表示慣性力和粘性力之間比率的雷諾數(shù)，減少了試劑的不可預(yù)測性和回流，從而提高了混合的保真度；2) 它通過分子擴散促進混合，這在傳統(tǒng)的實驗室器皿中是隨機的并且非常耗時。

擴展到化學(xué)合成和微反應(yīng)器的興起

微流控設(shè)備具有額外的嵌入特性，特別適合化學(xué)合成和實現(xiàn)作為微反應(yīng)器的新功能，這是緊隨其在生物醫(yī)學(xué)研究中的廣泛應(yīng)用之后不斷擴大的研究和生產(chǎn)領(lǐng)域。在許多方面，這些新發(fā)展是互補的，特別是在生成分子和醫(yī)學(xué)探針以及藥物合成方面。最重要的是，它們的高表面張力和低重力轉(zhuǎn)化為高效的傳熱和傳質(zhì)特性，通常比標(biāo)準間歇反應(yīng)器中測量的值大兩個數(shù)量級，這意味著：1) 熱量快速消散；2）反應(yīng)平衡可以很快達到。因此，高度放熱（潛在爆炸性）有機合成反應(yīng)通常可以在微反應(yīng)器中以相當(dāng)高的效率和產(chǎn)率進行，因為它們太危險而無法擴大到間歇反應(yīng)器。例如，重氮化學(xué)可以產(chǎn)生一系列藥學(xué)相關(guān)的羥基芳烴和氯芳烴。然而，重氮鹽對光、熱和沖擊敏感。由此產(chǎn)生的不穩(wěn)定可能導(dǎo)致爆炸，并且通常需要包括持續(xù)低溫冷卻在內(nèi)的安全措施。微反應(yīng)器中的合成可以減輕危險和要求，同時通常會提高產(chǎn)量并消除不需要的反應(yīng)副產(chǎn)物。

增加的反應(yīng)效率具有大量額外的好處。對于放射性標(biāo)記的示蹤探針，例如用于正電子發(fā)射斷層掃描的那些，生產(chǎn)和使用可能會超過它們的快速衰減。此外，效率原則可以通過在通道或更強大的液滴格式中復(fù)用它們來測試和優(yōu)化反應(yīng)條件。通過這種方式，研究人員可以制定策略來實時改變濃度、化合物停留時間和切換溶劑，以提取重要的中間產(chǎn)品，同時提高最終產(chǎn)品的效率。例如，在通過組合二酮和肼生產(chǎn)唑類時，在微反應(yīng)器和間歇反應(yīng)器之間移動以達到生產(chǎn)規(guī)模可能會出現(xiàn)問題，因為在實驗室/實驗、中試和商業(yè)操作之間重新設(shè)計合成路線的常見且不可預(yù)測的需求。然而，向外擴展而非向上擴展的策略已經(jīng)取得初步成功。換句話說，與其根據(jù)規(guī)模重新評估合成反應(yīng)，研究人員可以維持微反應(yīng)器規(guī)模的操作，同時添加更多等效的微流體設(shè)備以達到所需的總輸出。通過這種方式，可以忠實地保持微反應(yīng)器的小尺寸和物理特性的優(yōu)勢，同時完全避免重新優(yōu)化。

警告、限制和解決方案

然而，LOC 微反應(yīng)器存在局限性。在實踐中，芯片材料決定了可以發(fā)生什么樣的合成反應(yīng)。玻璃，或與硅結(jié)合的玻璃，由于其相對惰性的特性，長期以來一直是首選的標(biāo)準材料。然而，現(xiàn)代 LOC 通常由聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 組成，它賦予了一種靈活性，可以創(chuàng)建錯流通道并使用專門的 Quake 閥控制流量或壓力。

合成反應(yīng)中的一個主要問題是像 PDMS 這樣的材料容易被有機溶劑溶脹或溶解。此外，使用體積重力或浮力的反應(yīng)，包括蒸餾或相分離，通常更適合間歇式反應(yīng)器。最后，多相反應(yīng)，尤其是與固體或沉淀反應(yīng)物的反應(yīng)，會堵塞微流體通道。

為了實現(xiàn)藥物發(fā)現(xiàn)的自動化合成反應(yīng)，研究人員已經(jīng)開始排除這些限制和其他限制。值得注意的是，原理驗證研究表明，數(shù)字微流控設(shè)備 (EWOD) 上的電潤濕通過將微反應(yīng)器從可能阻塞流動通道的外部壓力要求和固定的極性有機溶劑中解脫出來，方法是用離子液體封裝它們并驅(qū)動它們四處移動LOC 通過阻力產(chǎn)生的電位。采用多種策略和材料（包括紙張）開發(fā)和改進各種數(shù)字 LOC 設(shè)備，可能是未來釋放微反應(yīng)器潛力的最引人注目的一步。

英文原文鏈接：

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

標(biāo)簽：微流體，微流控，微反應(yīng)器，微流控化學(xué)合成設(shè)備