將微流控芯片實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室感覺試劑、設(shè)備和人員過于擁擠，那么也許是時(shí)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(dòng)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(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的兩個(gè)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(gè)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(yùn)動(dòng)和輸送，最終目標(biāo)是將整個(gè)生物或化學(xué)工作流程密封隔離到單個(gè)小型設(shè)備上，從而產(chǎn)生理想的實(shí)驗(yàn)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(shí)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(zhǔn)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(shí)驗(yàn)終點(diǎn)的下游，最大限度地減少浪費(fèi)、溢出和清理問題，使實(shí)驗(yàn)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(dòng)——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(shí)間和條件進(jìn)行高度控制. 這些因素有助于促進(jìn)實(shí)時(shí)測量、操作和檢測，而不僅僅是在終點(diǎn)，并且不斷增強(qiáng)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(zhǔn)。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(dòng)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(kuò)散促進(jìn)混合，這在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室器皿中是隨機(jī)的并且非常耗時(shí)。

擴(kuò)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(shí)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(kuò)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(bǔ)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(zhǔn)間歇反應(yīng)器中測量的值大兩個(gè)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(dá)到。因此，高度放熱（潛在爆炸性）有機(jī)合成反應(yīng)通?？梢栽谖⒎磻?yīng)器中以相當(dāng)高的效率和產(chǎn)率進(jìn)行，因?yàn)樗鼈兲ｋU(xiǎn)而無法擴(kuò)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(xiǎn)和要求，同時(shí)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(qiáng)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(shí)時(shí)改變濃度、化合物停留時(shí)間和切換溶劑，以提取重要的中間產(chǎn)品，同時(shí)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(shí)，在微反應(yīng)器和間歇反應(yīng)器之間移動(dòng)以達(dá)到生產(chǎn)規(guī)?？赡軙霈F(xiàn)問題，因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)室/實(shí)驗(yàn)、中試和商業(yè)操作之間重新設(shè)計(jì)合成路線的常見且不可預(yù)測的需求。然而，向外擴(kuò)展而非向上擴(kuò)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(shí)添加更多等效的微流體設(shè)備以達(dá)到所需的總輸出。通過這種方式，可以忠實(shí)地保持微反應(yīng)器的小尺寸和物理特性的優(yōu)勢，同時(shí)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(shí)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(zhǔn)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(cuò)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(gè)主要問題是像 PDMS 這樣的材料容易被有機(jī)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(shí)現(xiàn)藥物發(fā)現(xiàn)的自動(dòng)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(yàn)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(dòng)通道的外部壓力要求和固定的極性有機(jī)溶劑中解脫出來，方法是用離子液體封裝它們并驅(qū)動(dòng)它們四處移動(dòng)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(jìn)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