基于锥形光纤的微流控芯片光化学反应系统关键技术研究

Microfluidic chips have a number of advantages over conventional chemical system, and it had been one of the hot topics in the study of photochemistry. The quantum yield of the photochemical reaction is affected by light intensity and photoreactor system, so project puts forward the study on key technology of the system of microfluidic reactors and taper fiber-optic technology for green photochemical reaction. We analyze the factors affecting the performance of the taper fiber optic and put forward a method of preparation of excellent performance taper fiber optic, which guarantee the potochemistry reaction to takes place; We analyze the light loss degree after the integrated of taper fiber optic and microfluidic chip, and put forward a good method for the integrated of taper fiber and microfluidic chip; We study and optimize the microfluidic chip unit, microchannel structure, microchannel dimensions, and build a green synthesis system- - a modular microfluidic chip photochemical reaction system for the synthesis of cyclobutane and pentacycloanammoxic acid compound. This project can improve the photochemical reactions of atom economy, reduce the use of toxic and hazardous substances, and provide a new technology platform for the study of the development of new substances, new materials and drug, and it has important significance in the environmental protection and reduce research costs.

微流控芯片与常规反应器相比具有独特的优点，其在光化学反应中的应用研究已成为当前热点之一。光化学反应的量子产率受光强和光反应器的影响，项目提出对基于锥形光纤的微流控芯片光化学反应系统的关键技术进行研究。具体内容包括：研究基于锥形光纤的光增强作用，通过分析锥形光纤性能的影响因素，提出制备性能优良锥形光纤的方法，为光反应顺利进行提供保证；研究分析锥形光纤与微流控芯片集成后光损耗程度，提出锥形光纤与微流控芯片低损耗集成方法；研究微流控芯片的单元结构、通道构形、通道尺寸等对反应影响，并进行优化，在此基础上构建绿色合成系统- - 模块化微流控芯片光化学反应系统，以环丁烷和梯形化合物为例进行应用研究。通过项目研究不仅可以提高光化学反应的"原子经济性"、降低有毒有害物质的使用，而且还为研制新物质、新材料和药物或先导化合物筛选提供一个崭新的技术平台，在环境保护和降低研究成本等方面具有重要意义。

摘要：微流控芯片与锥形光纤集成具有独特的优点，其在光化学反应中的应用研究已成为当前热点之一。本项目以制作模块化微流控光反应芯片为目标物来进行光化学反应，依次的采用不同的实验方法，逐步深入开展模块化微流控光反应芯片影响因素的研究。实验结果表明，通过控制火焰--光纤的距离（外层火焰）、预热时间（2-4s）和拉伸速度（1000-1300p／s）等条件，可得到几何对称性和表面光滑性高的锥形光纤，而且采用这种方法制备的锥形光纤具有可重复性、可控性等优点；在输入功率恒定的条件下，随着光纤直径的减小，光纤的输出功率也逐渐的变小；对于锥腰内径为1微米的锥形光纤，当锥形长度达到4mm时，其损耗程度几乎为0。采用侧打孔技术将锥形光纤包埋在芯片内，锥形光纤光出口与芯片通道距离控制在20微米范围内进行低损耗集成。通过实验得到通道构型为一字形和进样口处缩口形结构芯片的混合速度快。分别在一字形和进样口处缩口形结构芯片进行六价铬的光吸收实验和suzuki反应。光纤集成芯片动态检测六价铬的光吸收实验与相同条件下的常规实验相比，得到近似的结果。而在最优条件下的suzuki反应，产物产率可达到95-99%。将混合速度快的芯片进行集成，建立了模块化微流控反应芯片，进行了酰胺衍生物前体的化学反应，得到产率80%。在模块化微流控反应芯片集成光纤，进行二苯甲酮和异丙醇光化学反应是可行的，产率可达到45%。但在多步的梯形化合物合成中结果不理想。通过项目研究不仅可以提高光化学反应的“原子经济性”、降低有毒有害物质的使用，而且还为研制新物质、新材料和药物或先导化合物筛选提供一个崭新的技术平台，在环境保护和降低研究成本等方面具有重要意义。