實驗室流動化學整體解決方案
 

　　1概述：
 

　　近年來，隨著微反應連續化學技術的普及，不少單位已經采購了各類微反應器并開始嘗試進行相關實驗，在實驗過程中已經總結了不少的經驗，同時也遇到了不少的問題，對此，歐世盛公司針對流動化學的實驗室硬件及軟件做了大量的了解和開發工作，現將具體工作簡單總結如下。
 

　　流動化學實驗室其主要功能應著重考慮它的效率、安全及便捷性，針對這個思路我們通過與國內外相關單位的大量交流、實驗，將流動化學實驗室的設備組成分解如下：
 

　　圖1 流動化學系統流程圖

 

　　如圖所示，物料通過高壓輸液泵輸送到微反應器中，在高壓密閉的微通道管路中，通過溫度控制，使合成反應能夠快速完成并極大提高收率，背壓閥能夠人為控制反應器內壓力，物料在出口處通過在線檢測器檢測合成結果，經過檢測后的產品可通過樣品采集器按預設的收集條件收集到不同的容器中。整個反應系統可通過管理軟件實現自動控制，具有方法建立、模塊搭建、模塊參數設置，全反應過程參數實時監控，數據追溯，用戶管理及智能專家數據庫等功能，專用管理軟件可將整個反應體系效率發揮到。
 

　　2流動化學的各個模塊存在的問題及解決辦法
 

　　2.1供料系統
 

　　在流動化學中，供料系統的準確性、 穩定性、可靠性決定了能否完成流動化學反應，現有連續化設備中供料系統一般多采用不同材質、不同流速的高壓恒流輸液泵。傳統的高壓恒流輸液泵在特定條件下具有流量穩定、耐壓高、運行可靠、結構簡單，成本較低等特點。歐世盛推出了DP系列雙柱塞高壓恒流輸液泵，流量范圍0.001~500ml/min，壓力范圍0~40 MPa，可以滿足大部分體系供料需求。
 

　　性能參數：
 

　　 

型號	DP-S10	DP-M10	DP-P10	DP-F10
流量范圍	0.001-10.000mL/min
耐壓	40MPa	40MPa	30MPa	2MPa
泵材料	316L	Monel k-500	PEEK	PTFE
流量準確度	±0.5%
流量重復性	RSD≤0.3%
進口管路	OD 1/8" ID 1/16" PFA 管
出口管路	OD 1/16" ID 0.03" PFA/316L/F276管
控制方式	3.1" OLED液晶屏、PC軟件管理系統
通信接口	RS232（標配）、RS485、LAN、藍牙、Wifi（選配）
尺寸（深×寬×高）mm	310×215×140（含泵頭）
輸入電壓	AC 198V-242V 80W

型號	DP-S50	DP-M50	DP-F50
流量范圍	0.001-50.0mL/min
耐壓	25MPa	25MPa	2MPa
泵材料	316L	Monel k-500	PTFE
流量準確度	±1%
流量重復性	RSD≤0.5%
進口管路	OD 1/8" ID 1/16" PFA 管
出口管路	OD 1/16" ID 0.03" PFA/316L/F276
控制方式	3.1" OLED液晶屏、PC軟件管理系統
通信接口	RS232（標配）、RS485、LAN、藍牙、Wifi（選配）
尺寸（深×寬×高）mm	330×230×150（含泵頭）
輸入電壓	AC 198V-242V 150W

型號	DP-S200	DP-M200	DP-F200
流量范圍	0.1-200mL/min
耐壓	15MPa	15MPa	2MPa
泵材料	316L	Monel k-500	PTFE
流量準確度	±2%
流量重復性	RSD≤1%
進口管路	OD 1/8" ID 1/16" PFA 管
出口管路	OD 1/16"或1/8”， ID 0.03" 或1/16 PFA/316L/F276
控制方式	3.1" OLED液晶屏、PC軟件管理系統
通信接口	RS232（標配）、RS485、LAN、藍牙、Wifi（選配）
尺寸（深×寬×高）mm	420×295×195（含泵頭）
輸入電壓	AC 198V-242V 500W

型號	DP-S500	DP-M500	DP-S1000	DP-M1000
流量范圍	1-500.0mL/min		1-1000mL/min
耐壓	10MPa	10MPa	2MPa	2MPa
泵材料	316L	Monel k-500	316L	Monel k-500
流量準確度	±2%
流量重復性	RSD≤1%
進口管路	OD 1/4" ID 3/16" PFA 管
出口管路	OD 1/8" ID 1/16" 316L管
控制方式	3.1" OLED液晶屏、PC軟件管理系統
通信接口	RS232（標配）、RS485、LAN、藍牙、Wifi（選配）
尺寸（深×寬×高）mm	430×310×210（含泵頭）
輸入電壓	AC 198V-242V 500W

　　但該泵對粘度高、微粒溶液體系等并不適用，還由于很多原料體系并不十分純凈，恒流泵的機械單向閥結構會導致其長期供液時流量精度不準的情況，高壓恒流輸液泵由于單向閥結構的限制，會出現如下情況(1)不能處理長時間輸送格式試劑、有機鋰試劑、高濃度鹽溶液(鹽析出影響單向閥開啟閉合，大大降低了流量精度)(2)高壓體系下輸送物料精度下降(3)不能輸送粘性液體。高壓輸液泵的這些特性限制了其在連續化學中進一步的廣泛應用。 歐世盛為解決這一痛點在國內推出了無閥雙頭高壓連續注射泵，雙注射泵無脈動交替運行，無機械單向閥。該泵在連續反應輸送物料過程中具有顯著的優勢(1)可輸送高濃度鹽溶液(2)輸送高粘度液體(3)無機械單向閥輸送精度與體系壓力無關(4)可輸送納米顆粒及懸浮液(5)兼容高壓恒流泵物料輸送能力。目前歐世盛提供兩型HP-高壓注射泵和LP-低壓注射泵，流量范圍0.001-100mL可選，可提供0-3Mpa的泵送壓力。
 

　　HP-高壓注射泵性能參數:

　　

型號	HP-S10	HP-S50	HP-S100
驅動方式	雙注射泵
流量范圍	0.01-10.0mL/min	0.01-50.0mL/min	0.01-100.0mL/min
泵體材料	316L	316L	316L
耐壓	3MPa	3MPa	3MPa
長期工作壓力	0.01-3MPa	0.01-3MPa	0.01-3MPa
每步注射量	0.8μm
小速度	0.15mm/min
大速度	320mm/min
流量準確度	±0.5%
流量重復性	RSD≤0.3%
進口管路	OD 1/8" ID 1/16" PFA 管
出口管路	OD 1/8" ID 1/16" 或OD 1/16" ID 0.03" 316L/F276管
控制方式	3.1" OLED液晶屏、PC軟件管理系統
通信接口	RS232（標配）、RS485、LAN、藍牙、Wifi（選配）
尺寸（深×寬×高）mm	410×260×360（含泵頭）
輸入電壓	AC 198V-242V 200W

 

　　LP-低壓注射泵性能參數:
 

型號	LP-2	LP-10	LP-20	LP-50
流量范圍	0.001-2mL/min	0.005-50mL/min	0.01-20mL/min	0.1-50mL/min
單注射器內體積	1mL	5mL	10mL	20mL
每步注射量	0.006μL	0.03μL	0.06μL	0.12μL
驅動方式	雙注射泵
泵材料	玻璃/PTFE/FEP
耐壓	0.6MPa
長期工作壓力	<0.3MPa
小速度	0.06mm/min
大速度	120mm/min
流量準確度	±0.5%（滿量程）
流量重復性	RSD≤0.3%（滿量程）
進口管路	OD 1/8" ID 1/16" PFA 管
出口管路	OD 1/8" ID 1/16" PFA管
控制方式	3.1" OLED液晶屏、PC軟件管理系統
通信接口	RS232（標配）、RS485、LAN、藍牙、Wifi（選配）
尺寸（深×寬×高）mm	320×190×380（含泵頭）
輸入電壓	AC 198V-242V 120W

 

　　2.2微反應器
 

　　目前在國內有多家制作加工微反應器的企業，樣式有板式、管式，材料有碳化硅、不銹鋼、哈氏合金等多種規格，但在流動化學中，微反應器的關鍵在于設計，不同反應類型需要配置不同的微反應器。歐世盛公司已跟多家微反應器供應商建立聯系，公司的應用部門可協助用戶選擇一款更適合的微反應器。并可以協助聯系國內流動化學研究團隊，協助工藝開發。
 

　　2.3壓力控制模塊---全自動背壓調節器
 

　　在連續化反應過程中，體系壓力需要通過調節背壓閥來進行控制。在應用過程中需要調節壓力的反應包括高溫高壓反應、氣體參與的反應(氫化反應、氧化反應、插羰反應、氯化反應、氨化反應)、有氣體生成的反應(吲哚合成反應、重氮反應)、低沸點溶劑高溫反應。
 

　　目前實驗室采用手動調壓閥進行體系壓力控制，存在體系壓力控制不準、手動調節頻繁、壓力數據無法追蹤的問題。基于目前實驗室應用現狀，歐世盛公司在國內設計開發出一款智能全自動背壓閥。其具有顯著的特點(1)內置自學習功能，通過自學功能，可在3秒內可快速實現壓力調節，提率(2)課遠程電腦控制(3)設定壓力梯度。該自動部件的出現提高了工藝開發效率，配合在線檢測器及樣品采集器，為工藝開發提供了有力工具。
 

　　全自動背壓調節器性能參數：

型號	BP – A/100/250/500/1500/3000/6000
壓力控制范圍	0-100/250/500/1500/3000/6000psi
接觸介質材料	316L
控制精度	±1%
閥響應時間	≤3S
使用溫度	-40oC-70oC
進液出液口螺紋	10-32UNF
控制方式	3.1" OLED液晶屏、PC軟件管理系統
通信接口	RS232、RS485、Wifi（選配）
尺寸（深×寬×高）mm	300×105×110
允許環境溫度	5 oC -50 oC
輸入電壓	AC 198V-242V 150W

　　 

　　2.4在線檢測模塊
 

　　目前在實驗室，合成反應中樣品檢測都需要借助單獨的檢測設備，如：HPLC、MS(LCMS,GCMS)、NMR進行檢測。此過程包括了反應淬滅，樣品前處理，樣品配置，樣品檢測，樣品回收及后處理。對于監測正在進行中的反應，其存在著諸多弊端：(1)不能真實反應體系中各組份的真實含量；(2)無法實時監測連續反應合成實驗的反應變化情況；(3)操作復雜，檢測結果受人為影響；(4)時間成本高，分析效率低下等。
 

　　連續流合成反應與連續在線檢測的組合在流動化學應用中是結合，有效的在線檢測將對反應體系進行持續的監測和瞬時檢測，包括反應物、瞬態中間產物和終產物。在實際應用中，有幾種分析檢測技術如NIR、拉曼光譜、UV，HPLC、GC、MS已經成功應用于連續流動化學反應。歐世盛公司根據流動化學實際應用需求，在業界推出UV-Vis、NIR、拉曼光譜三款在線檢測器儀器，以適用于制藥、化工領域的在線檢測。
 

　　在線UV-Vis檢測器
 

　　具有較好的選擇性和較高的靈敏度，而且對環境溫度、流動相組成變化和流速波動不敏感。適用范圍氫化反應、顯色反應、染料合成、中藥等。
 

　　性能指標：
 

型號	UV-Vis-950
波長范圍	200-950nm
波長準確度	±1nm
噪聲	±0.00bs
信噪比	1000:1
光譜帶寬	8nm、4nm可選
池體積	20μL、10μL可選
浸出液接口規格	10-32UNF
通信接口	USB
尺寸（深×寬×高）mm	300×105×110
允許相對濕度	80%
輸入電壓	AC 198V-242V 10W

　　 

　　在線NIR檢測器
 

　　近紅外光譜儀在常規光纖中有良好的傳輸特性，且分析速度快、非破壞性、多組分多通道同時測定等特點。適合絕大多數的有機化學反應。
 

　　性能參數:

 

型號	NIR-2500
波長范圍	1350-2500nm
光譜分辨率	8/16nm@1550nm
波長準確度	±1.5nm@1400nm
波長重復性	±0.1nm@1400nm
光度準確度	≤0.001Abs
穩定性	≤ 1.0%T (@0Abs, 30min)
噪聲	±0.0001AU 3s測量時間
接收器	inGaAs
流通池體積	20μL、10μL可選
流通池光程	3nm、10nm可選
近紅外光源壽命	>2000h
進出液接口規格	10-32UNF
通信接口	USB
尺寸（深×寬×高）mm	300×105×110
允許環境溫度	5 oC -50 oC
允許相對濕度	80%
輸入電壓	AC 198V-242V 50W

　　在線拉曼檢測器
 

　　每種物質都有其特征的拉曼光譜，利用拉曼光譜可以鑒別和分析樣品的化學成分和分子結構，可進行未知物質的無損鑒定。拉曼光譜技術現已廣泛應用于化工、化學、醫藥、生命科學等領域，因此在線拉曼光譜將成為流動化學為重要的在線檢測器之一。
 

　　性能參數:
 

型號	RAMAN-1000
激光波長	785nm
頻移范圍	100 ~ 3200cm-1
分辨率	8 cm-1
波長準確度	±0.5nm
波長重復性	<0.1nm
噪聲	±0.003Abs
積分時間	5ms – 60s
進出液接口規格	10-32UNF
通信接口	USB
尺寸（深×寬×高）mm	300×105×110
允許環境溫度	5 oC -50 oC
允許相對濕度	80%
輸入電壓	AC 198V-242V 10W

　　2.5樣品采集模塊
 

　　目前流動化學實驗室樣品分析都是由人工定期采集樣品，拿到實驗室用HPLC、GC、MS等常規檢測手段進行檢測，以判斷流動化學所合成樣品，是否滿足要求。此種方式，存在效率低，誤差大，占用大量人工，耗時耗力，且無法做到檢測結果的溯源。歐世盛公司針對此需求設計開發了樣品采集器，可與HPLC、GC、MS檢測做到無縫對接，根據不同收集需求，提供了時間間隔收集、體積收集、與在線檢測器聯用實現閾值收集、斜率收集等多種收集方式，同時可與高壓恒流輸液泵、微反應器溫度、系統壓力自動調節、在線檢測器聯動，為優化流動合成結果提供有效的數據基礎。樣品采集器的成功應用，能夠在有效提高工作效率的同時降低過程操作誤差，極大減少了人工工作量。
 

　　樣品采集模塊性能參數:
 

型號	AS - 100
收集樣品容量	2 × 50樣品盤（2mL 樣品瓶）
采樣環體積	100 μL
注射器體積	2.5mL
樣品收集小間隔時間	2min
收集針定位精度	<0.6mm
采集方式	全定量環采集
采集樣品重復性	<0.3%
采集樣品殘留	<0.1%
進出液接口規格	1/4-28UNF
通信接口	RS232(標配)、RS485、wifi(選配)
允許環境溫度	5 oC -50 oC
允許相對濕度	80%
輸入電壓	AC 198V-242V 150W

 

　　軟件管理軟件：
 

　　流動化學工藝的反應類型有成百上千種，反應條件的設置也極其復雜，一款整體系統管理控制軟件變得至關重要。基于此需求歐世盛推出了一款全新流動化學專用軟件，此軟件采用模塊化、積木搭建模式，用戶可完全根據自身流動化學工藝應用特點，在軟件中自由搭建流動化學各模塊單元及數量，包括高壓恒流輸液泵、反應體系加熱制冷裝置、壓力控制模塊，在線檢測模塊，樣品采集模塊等等，同時可通過離線仿真模式，模擬流動化學整個系統工作情況。軟件采用項目管理方式，用戶通過向導，指導用戶一步步搭建流動化學系統，同時通過交互式界面，形象反映出各模塊單元的工作狀態，如流速、壓力、溫度、檢測圖譜、收集結果等。軟件有兩種工作模式可供選擇，即專業模式，專家模式等，針對不同用戶需求，如專業模式，軟件會提供一些基本組建流動化學素材及一些簡單使用案例，用戶可參考其提供信息，熟悉了解流動化學，并逐步開始更加深入的應用；專家模式，提供了系統參數優化方案，通過大數據分析協助用戶提高工藝開發進程，將流動化學各模可優勢發揮到。
 

　　流動化學目前在國內尚屬起步階段，絕大多數用戶對此工藝有迫切需求，但苦于國內成功示范的企業很少，在實際實驗過程中耗費了大量的時間用于摸索和試錯，歐世盛公司現將流動化學的工藝與相關儀器和軟件做了完整的智能化集成整合，這樣將更有利于用戶順利開展相關的實驗及工藝摸索，歐世盛公司今后將根據流動化學在不同行業的應用特征繼續推出更為實用和智能的應用型儀器裝備。