图 | 程亚（来源：程亚）
近日，他和团队造出一种熔融石英微反应芯片。对付干系论文，评审专家表示利用这种具有三维内构件的微通道芯片，将给微流控和化学合成领域带来重大贡献。
在药物高效合成中，紫外光光化学将发挥关键浸染
详细来说：程亚课题组通过激光来制造熔融石英微反应芯片，借此设计出一款独特的三维稠浊单元，并证明其具备出色的光化学反应效果。
同时，他和团队针对三维微通道进行了仿照仿真和实验诊断，结果创造所打造的三维内构件，能在实现高效稠浊的同时，提升深紫外光子的接管效率。
基于石英反应釜或基于石英玻璃管等传统的深紫外光化学合成设备，在热管理、安全放大、光子利用效率等方面存在实质毛病和瓶颈，而本次成果则在很大程度上办理了上述问题。
结合深紫外发光二极管光源的低本钱、高效率等上风，估量将有助于进一步推动深紫外光化学连续流合成的工业运用。
程亚表示：“目前我们只是小试牛刀，选取了连续流光化学合成维生素 D3 的运用处景来展示这款新芯片的运用潜力。”
事实上，高性能三维微反应芯片以及干系制造工艺，还能用于高通量药物筛选、高通量纳米材料合成、类器官互联芯片构建、生物医药领域的体外即时检测、微化工领域的高效光化学合成、集成电路和光电子领域的前辈封装等。
对付当前可见光波段的光化学合成来说，普遍须要利用昂贵的催化剂进行赞助。而深紫外光微反应器很有希望避免利用该类催化剂，而是能够直策应用高能的紫外光光子打断化学键，来匆匆成所须要的化学反应。
故意思的是，最近来自意大利和美国的学者在 Nature Chemistry 期刊“展望”专栏，联合揭橥了一篇文章，他们也阐述了类似的不雅观点。
这篇文章指出：紫外光光化学在开拓新的高效合成方法中发挥着关键浸染。
同时还强调：深入理解紫外光驱动化学合成的过程与机制，对付实现从紫外光到可见光光化学合成的转换有着至关主要的浸染。
（来源：Light：Advanced Manufacturing）
曾首次打造基于石英玻璃基材的高性能三维微反应芯片
本次研究的源头，最早要追溯到二十多年前。当时，程亚刚从中国科学院上海光学精密机器研究所得到博士学位。
他说：“我的博士导师是著名的激光科学家徐至展院士，因此我在博士阶段就进入了飞秒激光与物质相互浸染这样一个当时还非常新的领域。而那时，全天下范围内从事飞秒激光技能与物理研究的人都非常少。”
2001 年，日本理化学研究所团队的杉岗幸次（Koji Sugioka）博士，借鉴美国科学家在透明玻璃中产生三维微构造的想法，希望在玻璃中实现三维微反应通道构造，以用于微型化的化学与生物剖析。
但是，当时杉岗幸次紧张从事传统的激光微纳制造，所采取的激光器紧张是紫外波段的纳秒激光器。
因此，杉岗幸次约请程亚加入了他所领导的日本理化所研究团队，利用程亚的飞秒激光物理方面的研究成果开展互助研发。
2003 年，他们初步实现了三维玻璃微通道的可掌握备，程亚则以第一作者揭橥了一篇论文[1]。
但是，对付飞秒激光内雕制造来说，其紧张技能瓶颈在于无法实现大尺寸的微反应芯片，因此无法推广到大规模的工业运用。
个中紧张有两个成分：
一是由于存在光学衍射极限的限定，无法在厚度比较大的材料中实现高精度的聚焦；
二是由于存在激光直写技能的毛病，常日制备效率太低，导致本钱无法降落。
2006 年，程亚返国任职，并开始动手办理上述两个问题。2009 年，他想出一种名为“时空聚焦激光整形”的方法。
“我自认为这是一个特殊奥妙的办法，并结合我和团队自主提出的高速内雕直写新方案，于 2012 年展示了天下上第一块石英玻璃基材的高性能三维微反应芯片。”其表示。自那往后，该课题组便开始深耕这一领域，并启动了本次研究。
（来源：Light：Advanced Manufacturing）
“天文数字一样平常的规模”
据先容，本次研究旨在为连续流光化学反应、特殊是为紫外光波段的连续流光化学反应，供应高性能的微反应芯片与微反应器装备。
对付维生素 D3 和地屈孕酮等药物和药物中间体来说，它们具有主要的市场代价，且都是高附加值药物。
在这类药物的高效、清洁、低碳和安全生产上，紫外光连续流光化学反应具有不可替代的上风，同时也在风雅化工、能源存储、生物医学等领域具有广阔的运用前景。
但是，紫外光光子的能量较高，会严重损伤材料的能力。太阳光里面的紫外线会导致人类发生皮肤癌，也是同样的道理。
因此，很多在可见光之下呈现出透明状态的玻璃材料，当处于紫外光之下它会由于接管紫外光而呈现出不透明状态。
对付目前的商业化微通道光化学反应器来说，其所采取的材料常日是硼硅酸盐玻璃，这种材料对付 300nm 以下的深紫外光有着极低的透过率。
正是由于这个缘故原由，当前市场上的光化学微反应器的光源事情波段，都被限定在可见光波段之内。
这就导致哪怕在环球市场范围内，也很难找到高性能、低本钱的紫外光化学微反应芯片。
在 200-3500nm 波段均具有高透明度的紫外熔融石英，是目前为止最空想的深紫外光化学反应器基材。
但是，由于传统加工技能能力的制约，目前还没有涌现任何一款能被市场广泛接管的石英基材微通道反应芯片。
而在本次研究之中，他们以维生素 D3 为研究工具，并充分调研了维生素 D3 的市场规模、当前的紧张合成方法、以及工业生产中存在的突出问题。
进一步地，他们调研了深紫外光化学用光源的现状和发展趋势。
经由这些调研，课题组基本确定了这一事实：当把熔融石英三维微通道反应器与深紫外发光二极管光源结合之后，在维生素 D3 深紫外光化学合成上具备一定上风。
随后，课题组选取加压和加温等办法，并采纳一步紫外光化学合成的方法，成功造出了维生素 D3。还构建了基于三维微通道反应器的可控温、可加压的深紫外光化学微反应器系统。
在多举措并行之下，他们确保了深紫外光化学反应的稳定、连续化生产，所制备的合成产物也具有较高的产率、较好的有效性、以及较高的质料转化率。
（来源：Light：Advanced Manufacturing）
“期间，担当本次论文的第一作者的博士生张傲东，展现出了干事专注、热爱科研的特质。”程亚说。
本次芯片实在是一个跨尺度的材料制造成果，从微米的加工精度、到 10 个厘米量级的芯片尺寸，每一个维度基本超过 5 个数量级之多。
因此，从全体三维空间层面看，这款芯片所包含的焦斑单元数量大致在 10 的 15 次方，这切实其实是一个天文数字一样平常的规模。
“而终极芯片中的毛病数量险些为零，这是制造技能与工艺的一个巨大造诣，也是张傲东具备出色能力的表示。”程亚说。
担当本次论文共同通讯作者的徐剑教授，则是程亚当年在中国科学院光机所的第一个学生。
“徐剑的特点是干事负责、考虑问题精密。他在实验方案、装置搭建、加工工艺改进上花了很多心血。”程亚说。
他连续说道：“胡鸣教授是另一位共同通讯作者，他是化学材料方面的专家，本次研究涉及到很多化学反应的研究内容，包括反应机理、反应条件、以及反应产物剖析等，胡鸣教授都在个中发挥了关键浸染。”
终极，干系论文以《利用超快激光制备的三维紫外光化学微反应器高效合成维生素 D3》（Efficient synthesis of vitamin D3in a 3D ultraviolet photochemical microreactor fabricated using an ultrafast laser）为题发在 Light：Advanced Manufacturing[2]。
张傲东是第一作者，程亚、徐剑、以及胡鸣担当共同通讯作者。
图 | 干系论文（来源：Light：Advanced Manufacturing）
针对实际家当的需求，本次研究的后续事情已经开始进行，部分已经取得主要进展。
同时，他们希望能够连续提升单台反应设备的产能，这就须要进一步地提高反应效率、增加设备的集成化程度、以及缩小反应器的体积。
此外，课题组也正在开展温度掌握与在线检测模块的一体化集成，并将与互助者探索新的深紫外光化学反应体系。
程亚补充称：“将 AI 技能用于连续流光化学反应也非常值得期待，这有助于开辟光化学全自动合成的全新范式，同时我们的透明芯片也能发挥巨大上风。”
在薄的透明芯片中，可以通过光学方法轻松获取大量反应信息，而且是实时和全程可见的。
同时，AI 技能的发展须要数据的支撑，这可以通过拍摄反应过程、或剖析实时光谱来得到。
针对此，他们也已经开始了干系探索。比如，他们在微反应芯片上集成了在线光谱检测模块，通过高时空分辨光谱就能够在线供应反馈旗子暗记。
从而能够优化反应条件，进而能为实现全自动 AI 赞助化学合成奠定根本。“目前我们正在与 AI 领域的科学家互助推进，也欢迎大家关注我们的新进展。”程亚表示。
参考资料：
1.RIKEN Review 50, 101–106 (2003)
2.Zhang, A., Xu, J., Xia, L., Hu, M., Song, Y., Wu, M., & Cheng, Y. (2023). Efficient synthesis of Vitamin D3 in a 3D ultraviolet photochemical microreactor fabricated using an ultrafast laser.arXiv preprint arXiv:2309.04490.
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