隨著對(duì)可持續(xù)能源和高效生物合成技術(shù)需求的增長(zhǎng)，光合成領(lǐng)域的研究不斷尋求創(chuàng)新突破。雙光路 LED 系統(tǒng)耦合微流控技術(shù)作為一種新興的交叉技術(shù)平臺(tái)，正逐漸嶄露頭角，為高通量光合成帶來(lái)了新的契機(jī)。該平臺(tái)結(jié)合了雙光路 LED 系統(tǒng)精準(zhǔn)的光照調(diào)控能力與微流控技術(shù)的微型化、集成化、高通量?jī)?yōu)勢(shì)，有望革新光合成相關(guān)研究及應(yīng)用，從基礎(chǔ)的光合機(jī)制探索到生物燃料生產(chǎn)、生物制藥等產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，都展現(xiàn)出巨大的潛力。

一、雙光路 LED 系統(tǒng)概述

（1）系統(tǒng)設(shè)計(jì)

      雙光路 LED 系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)單光路的局限，構(gòu)建了獨(dú)立可控的雙光路并行架構(gòu)。該系統(tǒng)通常配備兩組不同波長(zhǎng)的 LED 光源模塊，可精準(zhǔn)輸出從紫外到可見(jiàn)光波段的特定波長(zhǎng)光線，如常見(jiàn)的 365 nm 紫外光與 450 nm 藍(lán)光組合，或 420 nm 藍(lán)光與 520 nm 綠光搭配等。通過(guò)精密的光學(xué)元件，如光纖、反射鏡與透鏡組，兩組光路的光線能夠高效耦合，以同軸或交叉方式聚焦于反應(yīng)區(qū)域，確保反應(yīng)體系均勻接收雙波長(zhǎng)光照。

（2）工作機(jī)制

      不同波長(zhǎng)的光對(duì)應(yīng)不同的光子能量，雙光路 LED 光化學(xué)反應(yīng)儀利用這一特性，使兩種光子協(xié)同作用于光催化劑。當(dāng) 365 nm 紫外光激發(fā)寬禁帶半導(dǎo)體（如 TiO?）產(chǎn)生電子 - 空穴對(duì)時(shí)，450 nm 藍(lán)光可同步激發(fā)窄禁帶半導(dǎo)體（如 CdS 量子點(diǎn)）。CdS 吸收藍(lán)光后產(chǎn)生的光生電子，可通過(guò)異質(zhì)結(jié)界面轉(zhuǎn)移至 TiO?的導(dǎo)帶，補(bǔ)充 TiO?因光生載流子復(fù)合損失的電子，從而有效拓展光催化劑對(duì)可見(jiàn)光的響應(yīng)，提升整體光譜利用率。雙波長(zhǎng)協(xié)同激發(fā)還能優(yōu)化光生載流子的分離過(guò)程。在雙光路照射下，不同半導(dǎo)體材料因能帶結(jié)構(gòu)差異，產(chǎn)生的光生電子與空穴具有不同的遷移方向。在 TiO?/CdS 異質(zhì)結(jié)體系中，TiO?導(dǎo)帶上的電子傾向于遷移至 CdS 表面參與質(zhì)子還原，而 CdS 價(jià)帶上的空穴則遷移至 TiO?表面進(jìn)行水的氧化反應(yīng)。這種空間上的載流子定向遷移，有效減少了電子 - 空穴對(duì)的復(fù)合幾率，顯著提升了光生載流子的分離效率。

二、微流控技術(shù)基礎(chǔ)

（1）技術(shù)原理與特點(diǎn)

      微流控技術(shù)指的是使用微管道（尺寸為數(shù)十到數(shù)百微米）處理或操縱微小流體（體積為微升到納升）的系統(tǒng)所涉及的科學(xué)和技術(shù)。其早期概念可追溯到 19 世紀(jì) 70 年代采用光刻技術(shù)在硅片上制作的氣相色譜儀，而后發(fā)展為微流控毛細(xì)管電泳儀和微反應(yīng)器等。微流控裝置因具有微型化、集成化等特征，通常被稱(chēng)為微流控芯片，也被稱(chēng)為芯片實(shí)驗(yàn)室（Lab on a Chip）和微全分析系統(tǒng)（micro-Total Analytical System）。微流控芯片采用類(lèi)似半導(dǎo)體的微機(jī)電加工技術(shù)在芯片上構(gòu)建微流路系統(tǒng)，將實(shí)驗(yàn)與分析過(guò)程轉(zhuǎn)載到由彼此聯(lián)系的路徑和液相小室組成的芯片結(jié)構(gòu)上，加載生物樣品和反應(yīng)液后，采用微機(jī)械泵、電滲流等方法驅(qū)動(dòng)芯片中緩沖液的流動(dòng)，形成微流路，于芯片上進(jìn)行一種或連續(xù)多種的反應(yīng)。再采用熒光、電化學(xué)、質(zhì)譜等分析手段，對(duì)樣品進(jìn)行快速、準(zhǔn)確和高通量的分析。微流控技術(shù)具備集成小型化與自動(dòng)化、高通量、檢測(cè)試劑消耗少、樣本量需求少、污染少等優(yōu)勢(shì)，不過(guò)也存在核心技術(shù)缺乏規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)、生產(chǎn)成本高昂、部分技術(shù)難題有待攻克等不足。

（2）在光合成研究中的潛在優(yōu)勢(shì)

      在光合成研究場(chǎng)景下，微流控芯片能夠?qū)⒐夂铣煞磻?yīng)所需的多個(gè)步驟，如光合微生物培養(yǎng)、底物供應(yīng)、產(chǎn)物分離等，集成在微小芯片上，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)的高度集成化與自動(dòng)化，減少人工干預(yù)誤差。其高通量特性允許在同一芯片上設(shè)計(jì)多流道，將待反應(yīng)樣本分流到多個(gè)反應(yīng)單元同時(shí)進(jìn)行反應(yīng)，極大提升了實(shí)驗(yàn)效率，可快速篩選不同光合成條件。并且，微流控芯片反應(yīng)單元腔體微小，能大幅降低試劑與樣本用量，對(duì)于一些珍貴的光合生物樣本或昂貴的反應(yīng)底物而言，這一優(yōu)勢(shì)尤為關(guān)鍵。同時(shí)，芯片的封閉性減少了外界環(huán)境對(duì)反應(yīng)的干擾以及反應(yīng)過(guò)程中對(duì)環(huán)境的污染。

三、雙光路 LED 系統(tǒng)與微流控技術(shù)的耦合

（1）耦合方式與實(shí)現(xiàn)途徑

      在硬件搭建上，將雙光路 LED 系統(tǒng)的出光口通過(guò)高精度的光纖連接器與微流控芯片的反應(yīng)區(qū)域精準(zhǔn)對(duì)接，確保光線高效導(dǎo)入微流道內(nèi)的反應(yīng)體系。利用微機(jī)電加工技術(shù)，在微流控芯片上設(shè)計(jì)特殊的光學(xué)結(jié)構(gòu)，如微透鏡陣列、光波導(dǎo)等，優(yōu)化光路傳播，增強(qiáng)光與流體中光合物質(zhì)的相互作用。在軟件控制層面，開(kāi)發(fā)專(zhuān)門(mén)的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)雙光路 LED 光源的波長(zhǎng)、光強(qiáng)、光照時(shí)間等參數(shù)與微流控芯片中流體流速、反應(yīng)溫度、試劑混合比例等參數(shù)的協(xié)同調(diào)控，以滿足不同光合成反應(yīng)的復(fù)雜需求。例如，對(duì)于某些需要特定光強(qiáng)與底物濃度配比的光合成反應(yīng)，可通過(guò)該控制系統(tǒng)精確設(shè)置 LED 光強(qiáng)變化曲線與微流控芯片中底物注入流速曲線，保證二者同步協(xié)調(diào)變化。

（2）協(xié)同工作機(jī)制

      當(dāng)雙光路 LED 系統(tǒng)發(fā)射的特定波長(zhǎng)光線進(jìn)入微流控芯片后，與芯片內(nèi)流動(dòng)的含有光合生物（如藻類(lèi)、光合細(xì)菌）或光催化劑的流體相互作用。在光的激發(fā)下，光合生物啟動(dòng)光合作用過(guò)程，或者光催化劑催化相關(guān)化學(xué)反應(yīng)。微流控芯片的微流路設(shè)計(jì)確保了反應(yīng)底物能夠持續(xù)、穩(wěn)定地供應(yīng)到光照區(qū)域，同時(shí)及時(shí)帶走反應(yīng)產(chǎn)物，維持反應(yīng)的高效進(jìn)行。雙光路的協(xié)同激發(fā)作用在微流控芯片的微環(huán)境中得到進(jìn)一步強(qiáng)化，不同波長(zhǎng)的光在微尺度下更均勻地作用于光合體系，促進(jìn)光生載流子的產(chǎn)生與分離，提升光合成效率。例如，在微流控芯片中進(jìn)行的光催化 CO?還原反應(yīng)，雙光路 LED 系統(tǒng)一方面利用短波長(zhǎng)光激發(fā)光催化劑產(chǎn)生電子 - 空穴對(duì)，另一方面利用長(zhǎng)波長(zhǎng)光促進(jìn) CO?分子的活化，而微流控芯片則精準(zhǔn)控制 CO?和其他反應(yīng)底物的輸送量與流速，使反應(yīng)在最適宜的條件下高效進(jìn)行。

四、高通量光合成應(yīng)用實(shí)例

（1）光合微生物培養(yǎng)與產(chǎn)物生產(chǎn)

      在微流控芯片中構(gòu)建微小的光合微生物培養(yǎng)體系，利用雙光路 LED 系統(tǒng)模擬不同光照條件，可高通量篩選適合特定環(huán)境與產(chǎn)物需求的光合微生物菌株。通過(guò)多組實(shí)驗(yàn)，對(duì)比不同波長(zhǎng)組合、光強(qiáng)及光照周期下光合微生物的生長(zhǎng)速率、光合產(chǎn)物（如生物燃料、生物活性物質(zhì)）產(chǎn)量，快速確定優(yōu)培養(yǎng)條件。如在藻類(lèi)生物燃料生產(chǎn)研究中，采用雙光路 LED - 微流控芯片系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn) 450 nm 藍(lán)光與 660 nm 紅光的特定比例組合，配合適宜的光強(qiáng)與微流控芯片中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流速，能使藻類(lèi)油脂產(chǎn)量相比傳統(tǒng)單光培養(yǎng)提升 30% 以上，且篩選效率較傳統(tǒng)批量實(shí)驗(yàn)提高數(shù)倍。

（2）光催化有機(jī)合成反應(yīng)

      將雙光路 LED 系統(tǒng)耦合微流控技術(shù)應(yīng)用于光催化有機(jī)合成，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)反應(yīng)條件的精細(xì)調(diào)控與高通量探索。在微流控芯片上集成多個(gè)獨(dú)立的反應(yīng)微腔，每個(gè)微腔都可接受雙光路 LED 系統(tǒng)不同參數(shù)設(shè)置的光照。研究人員可以同時(shí)對(duì)多種有機(jī)底物、光催化劑、反應(yīng)溶劑及反應(yīng)條件進(jìn)行組合測(cè)試，快速篩選出高效的光催化合成路徑。以光催化 (2 + 2) 環(huán)加成反應(yīng)為例，通過(guò)該系統(tǒng)可在短時(shí)間內(nèi)對(duì) 12,000 種反應(yīng)條件進(jìn)行篩選，包括光催化劑和底物種類(lèi)兩個(gè)離散變量，以及光強(qiáng)度、濃度、流速和光催化劑比例四個(gè)連續(xù)變量，大大加速了新型有機(jī)合成路線的開(kāi)發(fā)進(jìn)程，相比傳統(tǒng)間歇式反應(yīng)系統(tǒng)，通量提升顯著，且反應(yīng)時(shí)間從數(shù)小時(shí)縮短至數(shù)秒，極大提高了研究效率與成果產(chǎn)出速度。

五、優(yōu)勢(shì)與展望

（1）技術(shù)優(yōu)勢(shì)總結(jié)

      雙光路 LED 系統(tǒng)耦合微流控技術(shù)在高通量光合成領(lǐng)域展現(xiàn)出多方面優(yōu)勢(shì)。從光照調(diào)控角度，雙光路 LED 系統(tǒng)提供了更豐富、精準(zhǔn)的光照條件，拓展光譜響應(yīng)范圍，促進(jìn)光生載流子分離，顯著提升光合成效率。微流控技術(shù)則賦予系統(tǒng)集成化、高通量、低試劑消耗、精準(zhǔn)流體控制等特性，實(shí)現(xiàn)光合成反應(yīng)的高效運(yùn)行與快速篩選。二者結(jié)合，極大提高了實(shí)驗(yàn)效率，可在短時(shí)間內(nèi)完成大量不同條件下的光合成實(shí)驗(yàn)，加速科研進(jìn)程；有效降低實(shí)驗(yàn)成本，減少了試劑、樣本及能源消耗；并且提升了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性與可重復(fù)性，微流控芯片的精確控制與雙光路 LED 系統(tǒng)的穩(wěn)定光照輸出，減少了外界因素干擾，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加可靠。

（2）未來(lái)發(fā)展方向與挑戰(zhàn)

      未來(lái)，該技術(shù)平臺(tái)有望在多個(gè)方向取得進(jìn)一步突破。在技術(shù)優(yōu)化層面，進(jìn)一步提升雙光路 LED 系統(tǒng)與微流控芯片的集成度，開(kāi)發(fā)更緊湊、高效的一體化設(shè)備，降低設(shè)備成本與操作復(fù)雜性。探索更多新型 LED 光源與微流控材料，拓展系統(tǒng)的應(yīng)用范圍與性能邊界，如開(kāi)發(fā)新型寬光譜 LED 光源或具有特殊光學(xué)、流體學(xué)性質(zhì)的微流控芯片材料。在應(yīng)用拓展方面，將該平臺(tái)應(yīng)用于更廣泛的領(lǐng)域，如環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域的光催化污染物降解、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的植物光調(diào)控生長(zhǎng)等。但同時(shí)，該技術(shù)也面臨一些挑戰(zhàn)。例如，如何建立統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，促進(jìn)不同研究機(jī)構(gòu)與企業(yè)間的技術(shù)交流與合作；如何進(jìn)一步降低設(shè)備的生產(chǎn)成本，提高其在產(chǎn)業(yè)界的普及程度；以及如何解決微流控芯片中可能出現(xiàn)的堵塞、污染等實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題，確保系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，都是未來(lái)需要重點(diǎn)攻克的難題。

產(chǎn)品展示

      SSC-PCRT120-2位雙光路LED光化學(xué)反應(yīng)儀，采用大功率LED雙面光路照射，采用PLC全面控制，實(shí)現(xiàn)各種操作需求，大幅提升催化劑的篩選實(shí)驗(yàn)的效率，可以同時(shí)2位樣品實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了樣品在不同波長(zhǎng)不同條件下的分析。SSC-PCRT120-2位雙光路LED光化學(xué)反應(yīng)儀主要用于研究氣相或液相介質(zhì)，固相或流動(dòng)體系等條件下的光化學(xué)反應(yīng)；廣泛應(yīng)用光化學(xué)催化、化學(xué)合成、光催化降解、催化產(chǎn)氫、CO2光催化還原、光催化固氮、環(huán)境保護(hù)以及生命科學(xué)等研究領(lǐng)域。

產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)：

1)采用雙側(cè)面照射，增加光照面積，是底或頂照光照面積的20倍；

2)2位均可獨(dú)立數(shù)控，攪拌、光強(qiáng)、多波長(zhǎng)、通氣、抽真空；

3)可任意匹配波長(zhǎng)；可選波長(zhǎng)365nm，395nm，405nm，420nm，455nm，470nm，500nm，520nm，590nm，620nm，660nm，740nm，810nm，850nm，940nm，白光LED；

4)實(shí)現(xiàn)2位反應(yīng)儀的同時(shí)攪拌，分別控制，更好的混合反應(yīng)物；

5)采用模塊化設(shè)計(jì)，可以根據(jù)需要波段，僅更換光照模塊即可實(shí)現(xiàn)多波段照射；

6)LED光源采用風(fēng)冷，無(wú)需濾光片，光照均勻；

7)LED光源采用一體化設(shè)計(jì)，匹配內(nèi)置控溫反應(yīng)管，使用便捷；

8)光源系統(tǒng)采用PLC全面控制，實(shí)現(xiàn)各種操作需求。