一种用于多米诺催化路径筛选的数字微流控芯片及方法

本发明属于化学合成，具体涉及一种用于多米诺催化路径筛选的数字微流控芯片及方法。

背景技术：

1、近年来，随着微制作、微反应器的不断发展，微流控芯片以其高效、快速、实际用量少、低耗集成度高的优点逐渐进入研究者们的视野，并迅速在有机合成、环境监测、分析检测等领域展现出其独特的优势，其中，利用微流控芯片准确快速筛选化学反应路径得到了广泛的应用。数字微流控芯片是近年来发展起来的与连续微流控芯片平行的一种新型微流体操控平台，它主要利用介质上电润湿效应，通过外加电压控制介质层上固液、气液界面的表面张力实现对不连续的液滴进行操控。

2、多米诺反应，也称级联反应或串联反应，是一个包括至少两个连续反应的化学过程。每一个后续的反应只凭借前一个步骤中形成的化学功能而发生。反应过程中不需要隔离中间物，组成该序列的每个反应都是自发发生的。以多米诺反应为代表的串联反应经多步连续反应，可以一锅得到结构复杂的特定产物。随着反应步骤的增加，可能提高反应的原子经济性、增加产物的复杂性和设计性并减少对环境有害的有机溶剂的使用，是一种绿色、高效的合成具有复杂结构分子的理想方法。探索并发现新型的多米诺反应体系，研究其反应的过程，将有助于人们更好的理解化学反应本质并在此基础上进行复杂化合物的可控串联合成。目前，现有的多米诺有机合成反应可以在圆底烧瓶中进行反应或在休克瓶进行连续的反应，但这些方法难以实时监测和控制反应进程，导致反应失控或难以停止，增加副产物出现的风险，降低产物的纯度。同时，过程中需投入大量反应物和溶剂，反应耗时很长，从而增加成本和资源消耗。对于有毒试剂参与的反应，可能导致有毒废物的产生，对环境造成负面影响；而数字微流控芯片在反应器构建的微型化、自动化、集成化和便捷化方面得到质的飞跃。但在反应物浓度控制过程中，往往依靠液滴的分裂、融合，即只生成1/2n一种刚性浓度梯度。若想生成复杂的药剂配比关系，则需要复杂的液滴分裂、融合操作策略规划和路径设计，这会极大程度上增加系统操控难度并降低系统容错率。为适应多米诺多步反应体系的筛选，需要对数字微流控芯片系统设计进一步研究。

技术实现思路

1、基于上述技术问题，本发明提供一种用于多米诺催化路径筛选的数字微流控芯片及方法，通过采用数字微流控芯片为筛选多米诺有机合成催化路径提供了高通量筛选、精确控制、实时监测、自动化以及高度集成的方法。

2、其具体技术方案为：

3、一种数字微流控芯片，包括：

4、由药剂配比控制区、混合反应区、实时监测区和产物收集区组成的芯片，药剂配比控制区包含五种不同尺寸电极驱动不同体积液滴的电极阵列；混合反应区用于不同大小液滴的合并，包括相同或不同体积的药剂液滴相互合并，以及药剂液滴与其他溶液液滴的合并，合并后的液滴在此区域往复运动，液滴内药剂混合并发生反应；监测区通过毛细管与外部薄层析检测联用；产物收集区通过毛细管与外部微量含量测定设备相连接；

5、芯片采用软光刻技术刻画，顶层为附有疏水层的ito电极玻璃基板，底层为附有介电层和疏水层的镀金属玻璃基板，其中介电层为su-8，疏水层为聚四氟乙烯或特氟龙；镀金属玻璃基板所镀金属为铜、金、银、铬的一种，镀金属玻璃基板经软光刻技术刻画出金属电极；

6、芯片顶层和底层的距离小于电极边长的一个数量级，以确保液滴体积与面积和电极面积成正比。

7、另外，本发明提供的上述技术方案中的一种数字微流控芯片还可以具有如下附加技术特征：

8、在上述技术方案中，通过电极阵列排列图案和外加电压电动势能-液滴表面张力控制液滴路径以及液滴生成、分裂、合并和移动操作。

9、在上述技术方案中，芯片顶层和底层之间通过pdms隔层、pmma隔层、su8隔层的一种进行封接，形成密闭空间，并规范化芯片顶层和底层间的距离。

10、在上述技术方案中，在芯片顶层和底层间封闭中引入油相，从而封闭液滴，防止液滴蒸发和形成某些多米诺体系需要的无水、无氧操作条件。

11、一种用于多米诺催化路径筛选的数字微流控芯片的方法，包括如下步骤：

12、s1: 催化剂溶液、药剂溶液和溶剂溶液分别由其各自蓄液池引入药剂配比控制区，药剂配比控制区包含五种不同尺寸金属电极阵列，驱动不同体积上述溶液液滴向混合反应区移动，一方面通过电极阵列次序加电控制电极表面的亲疏水性，控制液滴的移动传输过程，另一方面通过电极阵列尺寸控制液滴体积，从而便于保持操作的精确性和稳定性，以实现催化剂、药剂和溶剂的精确配比；

13、s2：在专用混合反应区中进行液滴合并及混合反应，减少其他位置的电极对操作的干扰，在混合反应区中相同或不同体积的药剂液滴相互合并，再与其他溶液液滴合并，合并后的液滴在此区域上下左右循环往复运动，提高混合效率，液滴内药剂混合并发生多米诺反应；

14、s3：以液滴循环往复次数计反应时间，在混合反应一定时间后，液滴进入实时监测区，所述实时监测区由一个中央大电极和四角四个等大的小电极构成，其中四角电极分别与毛细管相连，四角电极在四个监测时间分别给电引起中央大液滴形变分裂出小的监测液滴由相应的毛细管引出。所述毛细管与薄层析检测联用，实时监测反应进程；

15、s4：一次实时监测后，反应若完成，则剩余中央大液滴进入产物收集区，产物收集区出口位置连接毛细管，所述毛细管与微量含量测定设备连接；反应若未完成，则剩余中央大液滴回到混合反应区，重复s2、s3和s4步骤直至反应完成。

16、本发明的一种用于多米诺催化路径筛选的数字微流控芯片及方法，与现有技术相比，有益效果为：

17、采用数字微流控芯片为筛选多米诺有机合成催化路径提供了高通量筛选、精确控制、实时监测、自动化以及高度集成的方法；开发出不同尺寸的电极，实现药剂精确配比，通过适当的电极阵列排列方式和介质上电润湿技术来操控液滴的输运路径和产生、分裂、混合和合并等动作，过程中无需泵、阀门、管路等机械部件，从而提升稳定性；且利用芯片的高水平的控制和快速筛选多个反应条件的能力，全面监控多种药剂配比及反应时间等其他参数条件对反应产率的影响，进而便于工作人员实时调整和优化反应条件，以达到最大化所需产物的产率。

技术特征：

1.一种数字微流控芯片，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种数字微流控芯片，其特征在于，通过电极阵列排列图案和外加电压电动势能-液滴表面张力控制液滴路径以及液滴生成、分裂、合并和移动操作。

3.根据权利要求1所述的一种数字微流控芯片，其特征在于，所述芯片顶层和底层之间通过pdms隔层、pmma隔层、su8隔层的一种进行封接，形成密闭空间，并规范化芯片顶层和底层间的距离。

4.根据权利要求3所述的一种数字微流控芯片，其特征在于，在芯片顶层和底层间封闭中引入油相，从而封闭液滴，防止液滴蒸发和形成某些多米诺体系需要的无水、无氧操作条件。

5.一种用于多米诺催化路径筛选的数字微流控芯片的方法，应用于权利要求1-4所述的一种数字微流控芯片，其特征在于，包括如下步骤：

技术总结本发明提供了一种用于多米诺催化路径筛选的数字微流控芯片及方法，所属化学合成技术领域，包括：由药剂配比控制区、混合反应区、实时监测区和产物收集区组成的芯片，所述药剂配比控制区包含五种不同尺寸电极驱动不同体积液滴的电极阵列；所述混合反应区用于不同大小液滴的合并，包括相同或不同体积的药剂液滴相互合并，以及药剂液滴与其他溶液液滴的合并，合并后的液滴在此区域往复运动，液滴内药剂混合并发生多米诺反应；所述实时监测区通过毛细管与外部薄层析检测联用。通过采用数字微流控芯片为筛选多米诺有机合成催化路径提供了高通量筛选、精确控制、实时监测、自动化以及高度集成的方法。技术研发人员：郑国侠,李蓉晓,王云华受保护的技术使用者：大连大学技术研发日：技术公布日：2024/7/23