化學反應(yīng)或化學平衡可能受到多個因素的共同影響及控制。反應(yīng)物的成分配比是決定最終產(chǎn)品質(zhì)量及其產(chǎn)出效果的重要因素。反應(yīng)物需要定量批量混合。如果在單個或多個并聯(lián)工作的微反應(yīng)器中進行化學反應(yīng)，則需要與用于微量輸送適量反應(yīng)物的設(shè)備配套使用。

本文主要介紹一種新型微反應(yīng)器，通過拉曼光譜不間斷監(jiān)控化學反應(yīng)。這種監(jiān)控方式能對電腦控制的微型齒輪泵參數(shù)作出準確反饋，來獲得反應(yīng)物的理想排出流量，從而以較佳流量得出最優(yōu)成分比例。

微型反應(yīng)器是設(shè)計的核心組成部分。由于其具有易拆卸的優(yōu)勢，所以可以隨時更換該組件來適應(yīng)不同的化學反應(yīng)要求。

一種微反應(yīng)器類型基板材質(zhì)為不銹鋼，該基板含有研磨微型通道，并由陽極鍵合的Pyrex耐熱玻璃覆蓋著。另一種微反應(yīng)器類型基板材質(zhì)為具有各向異性的刻蝕硅，覆蓋有陽極鍵合的Pyrex耐熱玻璃。

通過微型玻璃通道，我們使用光學顯微鏡能直觀觀察到反應(yīng)通道中兩種離析物的初始相界面。與紅外光譜相反，該方式不影響拉曼光譜對反應(yīng)動力學信號的檢測。

在測試反應(yīng)基礎(chǔ)上，我們提出了使用拉曼光譜法在不同位置沿反應(yīng)通道測量的非侵入性和空間高分辨的原位反應(yīng)分析。

介紹

本文制作了一種帶有玻璃通道的微型化學反應(yīng)器，采用光學技術(shù)(例如拉曼光譜法)連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部化學反應(yīng)。收集到的相關(guān)信息可以進行實時反饋，從而優(yōu)化各種化學反應(yīng)。微型反應(yīng)器將是該研究領(lǐng)域中的一大新貢獻。

結(jié)果與討論

微型反應(yīng)器整體呈現(xiàn)如圖1所示，發(fā)生化學反應(yīng)的微反應(yīng)器核心是由精細研磨的Invar不銹鋼或濕法刻蝕硅組成。由于核心組件容易更換，故能進行各種化學反應(yīng)。所有核心組件都覆蓋有陽極鍵合的耐熱玻璃，便于光學觀察和光譜檢查化學反應(yīng)的發(fā)生過程。

反應(yīng)器核心組件總尺寸為 20 x 20 mm2 , 流體通道尺寸如下:

– 不銹鋼核心：寬為200 ~ 400 μm;深為200 μm;

– 硅核心：寬為50 ~ 100 μm;深為 50 ~ 70 μm;

流體管道的總長決定于基材類型、上述尺寸以及其他集成的元件;長度范圍在5 cm 到 50cm 之間;

a) 用于微量精準輸送液體的微型齒輪泵：德國彗諾HNPM mzr-2905

b) 離析物的供應(yīng)瓶

c) 反應(yīng)器基板處理裝置

d) 樣品容器皿

e) 不銹鋼基板的反應(yīng)器 —— 通過陽極鍵合的Pyrex耐熱玻璃

(圖 1: 微型反應(yīng)器的組裝與不銹鋼反應(yīng)器基板的延伸)

整個微型反應(yīng)器系統(tǒng)需要兩臺外部計算機來控制的微型齒輪泵(微型齒輪泵品牌：彗諾HNPMikrosysteme GmbH)，確保兩種離析物的混合比例以及反應(yīng)器核心內(nèi)化學成分的平均停留時間都能達到較佳狀態(tài)。

(圖 2: Lab-VIEW 7.0 編程“前面板”，用于控制HNPM微量齒輪泵)

控制彗諾HNPM微量齒輪泵的用戶界面在LAB-VIEW  7.0 [1]中進行編程操作。 操作前面板如圖2所示。

在派熱克斯Pyrex玻璃蓋上，可以沿著反應(yīng)器核心長度的化學反應(yīng)進行光譜研究，例如貫穿整個流體通道的寬度，甚至對整個反應(yīng)器核心進行化學成像，從而發(fā)生化學反應(yīng)。在流量恒定的情況下，沿流體通道長度的每個數(shù)據(jù)點都代表化學反應(yīng)的特定反應(yīng)時間。通過在任意時間檢查每個數(shù)據(jù)點，能以較高的時間分辨率和最小的信噪比跟蹤化學反應(yīng)的順序及其時序。

目前理想的光譜分析方法是拉曼光譜，因為拉曼信號不會被吸收或受到玻璃蓋影響。選擇Paal-Knorr-合成作為測試化學反應(yīng)，使用丙酮基丙酮和乙醇胺離析物，它們的產(chǎn)物是取代吡咯。離析物和產(chǎn)物的混合物的拉曼光譜如圖3所示。

(圖3：離析物和產(chǎn)物的混合物的拉曼光譜)

(圖4：隨著反應(yīng)時間的增加，產(chǎn)物的峰值隨之增加。編號1-5表示圖1中的相應(yīng)通道光譜(放大部分))

圖4展示了沿著反應(yīng)通道在線獲取的拉曼光譜，其中1-5表示圖1中相應(yīng)的通道光譜。顯然，該圖可以驗證離析物信號的減少和產(chǎn)物信號的增加。

結(jié)論

本文介紹了一種帶有玻璃通道的微通道化學反應(yīng)器，該玻璃通道覆蓋了整個流體通道系統(tǒng)。這種設(shè)計能通過光學光譜技術(shù)(如拉曼光譜)來持續(xù)監(jiān)測化學反應(yīng)。另外，通過沿微流控管獲取數(shù)據(jù)點，可以獲取跟蹤化學反應(yīng)的順序。光譜信息用于電腦控制微型齒輪泵轉(zhuǎn)向參數(shù)的反饋。