在能源危機與環境問題日益凸顯的背景下，光合成技術作為利用太陽能實現二氧化碳轉化、生物燃料制備及高價值化合物合成的綠色途徑，成為科研與產業界的研究熱點。傳統光合成體系普遍存在光照調控精準度不足、反應效率低、通量有限等瓶頸，制約了其規模化應用。雙光路LED系統耦合微流控技術的出現，通過整合雙光路LED精準的光照調控能力與微流控技術的微型化、集成化優勢，構建起高通量光合成新平臺，為突破傳統技術局限提供了有效解決方案，在基礎研究與產業應用中展現出巨大潛力。

一、核心技術基礎：雙光路LED系統與微流控技術的特性解析

（一）雙光路LED系統：精準可控的光調控核心

       雙光路LED系統突破了傳統單光路光源的光譜局限，通過構建雙光路并行架構，實現對光照參數的精細化調控。該系統通常配備兩組獨立可控的LED光源模塊，可精準輸出紫外至可見光波段的特定波長光線，常見組合如365 nm紫外光與450 nm藍光、420 nm藍光與520 nm綠光等。借助光纖、反射鏡與透鏡組等精密光學元件，兩組光路可通過同軸或交叉方式高效耦合，將光線精準聚焦于反應區域，確保反應體系均勻接收雙波長光照。

      其核心優勢在于雙波長協同增效：一方面，不同波長光子對應不同能量級，可同步激發多種光催化劑或光合體系的活性中心，有效拓展光譜響應范圍，提升光能利用率。例如，365 nm紫外光可激發寬禁帶半導體TiO?產生電子-空穴對，450 nm藍光同步激發窄禁帶半導體CdS量子點，CdS產生的光生電子可通過異質結界面轉移至TiO?導帶，補充電子損失，強化光催化效果；另一方面，雙波長協同可優化光生載流子分離過程，利用不同半導體能帶結構差異，引導光生電子與空穴定向遷移，減少復合幾率，顯著提升光催化效率。

（二）微流控技術：高通量反應的微型化載體

      微流控技術是通過微管道（數十至數百微米）操控微升至納升級流體的交叉技術，其核心載體為微流控芯片（又稱芯片實驗室），通過微機電加工技術構建微流路系統，將反應、分離、檢測等過程集成于芯片之上，借助微機械泵、電滲流等實現流體驅動與精準控制。該技術具備三大核心特性適配光合成需求：一是微型化與集成化，可將光合微生物培養、底物供應、反應催化、產物分離等多步驟集成于芯片，減少人工干預與環境干擾；二是高通量，通過多流道設計可在單芯片上實現數十至數百個反應單元并行運行，大幅提升實驗效率；三是低消耗與高安全性，微尺度反應腔體能顯著降低試劑與樣本用量，尤其適用于珍貴光合材料或昂貴底物，同時封閉體系可減少污染與安全風險。

二、耦合機制：雙技術協同的高通量光合成實現路徑

（一）硬件耦合：精準對接的光-流集成架構

      雙光路LED系統與微流控技術的硬件耦合核心在于實現光與流體的高效交互。在結構設計上，通過高精度光纖連接器將雙光路LED系統出光口與微流控芯片反應區域精準對接，確保光線高效導入微流道內反應體系。同時，利用微納加工技術在芯片上集成微透鏡陣列、光波導等光學結構，優化光路傳播路徑，增強光與流體中光合物質（光合微生物、光催化劑等）的相互作用效率。例如，在LED嵌入式微流控反應器中，通過芯片內置光學結構將雙光路光線均勻分散至各反應流道，實現多單元同步光照激發。

      在性能保障上，耦合系統需解決熱管理與穩定性問題。LED光源工作時產生的熱量可能影響反應體系溫度，因此需采用微納散熱結構與隔熱設計，避免溫度波動對光合成反應的干擾；同時，通過模塊化封裝技術提升系統機械穩定性，確保光路與流路長期精準對接，為高通量連續反應提供保障。

（二）軟件協同：多參數聯動的智能調控系統

      耦合系統的高效運行依賴于光照參數與流體參數的協同調控。通過開發專用控制系統，實現對雙光路LED光源波長、光強、光照周期等參數，與微流控芯片中流體流速、反應溫度、試劑混合比例等參數的聯動調節。例如，針對需特定光強與底物濃度配比的光合成反應，系統可精準同步LED光強變化曲線與底物注入流速曲線，確保反應始終在條件下進行；在閉環優化系統中，還可結合在線檢測模塊（如紫外-可見光譜、核磁共振等）反饋的反應數據，通過自適應算法實時調整光照與流體參數，實現反應過程的智能優化。

（三）協同工作機制：高效光合成的核心邏輯

      耦合系統的協同優勢在反應過程中充分顯現：雙光路LED系統發射的特定波長光線進入微流控芯片后，與流動的反應流體充分作用，激發光合體系或光催化劑活性；微流控芯片則通過精準流體操控，持續為光照區域供應反應底物，并及時帶走反應產物，避免產物積累對反應的抑制，維持反應穩態；同時，微尺度環境下的流體剪切力與限域效應，可拉近光催化位點與酶催化位點的距離，增強分子間相互作用，提升反應效率。例如，在光催化CO?還原反應中，雙光路光線分別負責激發光催化劑產生活性載流子與活化CO?分子，微流控芯片精準控制CO?與水的輸送比例，三者協同實現CO?高效轉化為甲酸、甲醇等產物。

三、應用場景：高通量光合成的多元實踐方向

（一）光合微生物篩選與培養

      在藻類、光合細菌等光合微生物研究中，耦合系統可實現高通量菌株篩選與培養條件探索。通過微流控芯片多流道設計，同時加載多種微生物樣本，利用雙光路LED系統模擬不同自然光照環境（如不同波長組合、光強變化），快速對比不同條件下微生物生長速率、光合產物（油脂、色素等）產量，高效篩選出高活性菌株。實驗表明，采用450 nm藍光與660 nm紅光組合的耦合系統培養藻類，其油脂產量較傳統單光培養提升30%以上，篩選效率較傳統批量實驗提高數倍。

（二）光催化有機合成

      在藥物中間體、精細化學品等光催化有機合成領域，耦合系統大幅提升了反應通量與效率。通過微流控芯片集成多個獨立反應微腔，雙光路LED系統為不同微腔提供定制化光照參數，可同時測試多種底物、光催化劑、反應條件的組合效果，快速篩選高效合成路徑。例如，在苯并咪唑衍生物的光誘導合成中，LED嵌入式微流控系統可在10分鐘內完成反應，產物收率達85%–94%，遠優于傳統批量反應（2–3小時）；在光催化（2+2）環加成反應中，系統可在短時間內完成12000種反應條件的篩選，顯著加速了新型合成路線的開發進程。

（三）人工光合體系構建與優化

      在人工光合體系研究中，耦合系統為多酶級聯催化與光催化活性中心的整合優化提供了理想平臺。受藍藻羧酶體多酶協同催化機制啟發，研究人員利用耦合系統構建仿羧酶體人工光合體系，通過微流控芯片的限域效應實現甲酸脫氫酶、甲醛脫氫酶等多酶與光活性框架的精準組裝，雙光路LED系統提供高效輔酶因子再生所需光照，實現CO?逐步還原至甲醇，制備效率達92 μM/h，表觀光量子效率5.5%，且經過5次催化循環仍保持85%的催化活性。這種基于耦合系統的研究模式，為高效人工光合體系的構建提供了新思路。

四、挑戰與發展前景

（一）當前技術挑戰

      盡管雙光路LED系統耦合微流控技術展現出顯著優勢，但仍面臨諸多挑戰：一是耦合效率提升難題，光路與流路的精準對接仍存在光學損耗，尤其在多流道芯片中，如何實現各反應單元均勻光照仍是關鍵；二是芯片制造與規模化應用的矛盾，高精度微流控芯片依賴復雜的光刻、微納加工技術，生產成本較高，且現有技術難以滿足大規模產業應用的量產需求；三是系統兼容性問題，不同光合成反應對光照、流體參數的需求差異較大，通用型耦合系統的開發難度較高；四是長期穩定性保障，LED光源衰減、芯片流道堵塞等問題可能影響系統長期連續運行。

（二）未來發展方向

      針對上述挑戰，未來研究將聚焦四大方向：一是新型光學耦合技術開發，如采用微透鏡陣列、波導耦合等技術提升光傳輸效率，結合3D打印技術實現定制化光學結構低成本制備；二是芯片制造工藝優化，開發低成本、規模化的微流控芯片制備技術，推動耦合系統的產業化落地；三是智能化與集成化升級，整合AI算法與在線檢測技術，實現反應過程的全自動優化與精準調控；四是跨領域融合創新，將耦合系統與合成生物學、材料科學等領域結合，開發針對特定場景的專用光合成平臺，如便攜式生物燃料制備裝置、微型藥物合成芯片等。

五、結論

      雙光路LED系統耦合微流控技術通過光調控技術與微流體操控技術的協同創新，構建了高通量、高效能的光合成新平臺，有效突破了傳統光合成體系的局限。該平臺在光合微生物篩選、光催化有機合成、人工光合體系構建等領域的應用實踐，充分驗證了其技術優勢與應用價值。盡管當前仍面臨耦合效率、制造成本、長期穩定性等挑戰，但隨著技術的持續迭代與跨領域融合，雙光路LED系統耦合微流控技術必將推動光合成技術向精準化、高通量化、產業化方向發展，為綠色能源生產與環境治理提供重要技術支撐。

產品展示

       SSC-PCRT120-2位雙光路LED光化學反應儀，采用大功率LED雙面光路照射，采用PLC全面控制，實現各種操作需求，大幅提升催化劑的篩選實驗的效率，可以同時2位樣品實驗，實現了樣品在不同波長不同條件下的分析。SSC-PCRT120-2位雙光路LED光化學反應儀主要用于研究氣相或液相介質，固相或流動體系等條件下的光化學反應；廣泛應用光化學催化、化學合成、光催化降解、催化產氫、CO2光催化還原、光催化固氮、環境保護以及生命科學等研究領域。

產品優勢：

1)采用雙側面照射，增加光照面積，是底或頂照光照面積的20倍；

2) 2位均可獨立數控，攪拌、光強、多波長、通氣、抽真空；

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

4)實現2位反應儀的同時攪拌，分別控制，更好的混合反應物；

5)采用模塊化設計，可以根據需要波段，僅更換光照模塊即可實現多波段照射；

6) LED光源采用風冷，無需濾光片，光照均勻；

7) LED光源采用一體化設計，匹配內置控溫反應管，使用便捷；

8)光源系統采用PLC全面控制，實現各種操作需求。