微反应器介绍及应用举例

微反应器概述

微型反应器最显著的特点是具有高吞吐量和低成本大规模生产的潜力。

生命科学应用领域对微反应器的要求和工作条件与工业应用领域不同，对于工业应用，微反应器的优势主要体现在四个方面：功能性、安全性、成本和科学价值。

功能性

微反应器的功能优势在于热惯性小、物理性质稳定、温度均匀、停留时间短、表面体积比大。

系统体积小导致反应器的热惯性小。

微反应器中直接和精确的温度控制比传统反应器更容易和更快。

微反应器体积小，传热和传质速率高，因此可以在更苛刻的条件下进行反应。

高传热速率还能使反应在更均匀的温度条件下进行。

小尺寸还能缩短反应器的停留时间。不稳定的中间产物可以快速转移到下一个过程。

较大的表面体积比，可有效抑制异相催化气相反应中的均相副反应。

安全性

由于表面热损失和发热量之间的比率很大，因此可以抑制火焰和爆炸，从而使反应变得安全。

反应器体积小还导致意外释放的化学物质可能很少，不会造成大规模危害，而且很容易控制。

传感器集成的可能性提高了微型反应器的安全性。

成本

快速筛选和高通量使微反应器比同类产品更高效，这反过来又使微反应器具有成本效益。

所需的试剂量少，也最大限度地减少了昂贵试剂的用量。

由于微反应器可以廉价地批量制造，因此可以通过复制反应器单元进行编号生产。

由于实验室规模的微反应器可以批量廉价制造，因此可以通过复制反应器单元来进行放大生产，对于年产量较小的精细化工和制药行业尤为有利。

微反应器具有极大的灵活性，因为只需改变生产单元的数量即可满足所需的生产能力。

科学价值

微反应器中的流体流动属于层流状态，这一点研究得很清楚，大多数CFD工具都能处理。对于亚微米结构，流动可能进入分子体系，需要新的计算模型。在大多数实际情况下，层流模型足以用于设计微反应器。

实际应用考虑

将尺寸进一步缩小到微米和亚微米级可能不利于工业应用。

在生命科学和化学分析应用中，微反应器通常是一次性的，设计时不需要考虑其长期性能。

在工业应用中，小通道的污垢和堵塞可能是一个严重的问题。

此外，较小的尺寸会导致较短的停留时间，而停留时间应与所需的反应时间相匹配。

排热和供热是微反应器的另一个重要问题。加热器和热交换器等元件可能需要与微反应器集成在一起。

在生命科学领域的应用中，小型化可实现反应器的快速供热和排热。

在聚合酶链式反应（PCR）等反应中，快速的温度变化可缩短热循环周期。

与采用连续流动系统的工业应用不同，用于生命科学的微反应器通常是一个封闭系统。反应室中的液体体积可能只有皮升数量级，可用于反应的分子总数也会随着体积的减小而减少。

虽然在宏观尺度上，反应室中的试剂分子数量足以进行反应，但在微观尺度上，它们可能会与表面结合并抑制反应。

例如，原生硅和氮化硅就会抑制微尺度的PCR反应。

反应室的容积较小，这也给液体处理带来了更多问题。

在实际应用中，样品液体需要制备，反应结果需要分析，在设备和装置之间转移皮升数量级的液体几乎是不可能完成的任务。

因此，设计生命科学领域应用的微反应器往往与设计集成的样品预处理装置和分析装置相关联。

微反应器组成元件

根据反应类型的不同，微反应器由以下元件组成：

微通道；

热管理功能元件：加热器、温度传感器、散热器和热交换器；

催化剂结构：多孔表面、催化剂膜和催化剂层；

传感元件：化学传感器；

混合元件：微型混合器。

微反应器的实际应用

微型燃烧器

氧化反应或燃烧是最常见的气体反应之一。由于能量密度高，碳氢化合物或氢气的燃烧在能源生产方面潜力巨大。利用微型燃烧器可以实现高效微型发动机，每小时只需消耗约7克喷气燃料，就能产生10W至50W的电能。

微型燃料电池

在微型发动机中，燃烧反应会造成能量损失。此外，微型发动机还需要将机械能转化为电能。微型发动机所涉及的高温是材料选择和制造技术的一大挑战。

与微型发动机相比，燃料电池中的氧化反应可在相对较低的温度下，甚至在室温下将化学能直接转化为电能。

典型的燃料电池由电解质层与两侧多孔的阳极和阴极接触组成。燃料（如氢气）被源源不断地输送到阳极，氧化剂（如空气中的氧气）被源源不断地输送到阴极。

PCR设备

该反应可以扩增存储生物遗传信息的DNA。该技术是分析中所需DNA浓度的必要条件。

PCR包括三个不同的阶段：变性、杂交和延伸。

上述三个过程完成一个循环，称为PCR循环。从理论上讲，重复PCR循环n次可将单个双链DNA分子扩增到2ⁿ倍。

高通量药物筛选

微流控微型系统能够产生各种生化物质（如细胞因子和生长因子）的浓度梯度，以研究浓度依赖性细胞反应。

与传统的浓度梯度生成方法相比，基于微流控的梯度生成方法具有更高的灵活性，能产生高分辨率的药物浓度，并能实时观察细胞反应。

器官芯片

为了通过模拟细胞-细胞和细胞-细胞外基质的相互作用来提高微流控细胞培养系统在体外条件下预测细胞反应的精度，人们进行了大量的努力。

为此，在先进的三维微流控系统中采用了组织工程学方法进行细胞图案化和调节基质硬度，以开发人体器官模型，即微流控芯片器官（OOC）系统。这种生物仿真微系统旨在呈现器官的最小器官级结构和功能反应，用于疾病建模和药物毒性研究。

细胞处理

在许多生化分析应用中，经常需要对细胞和生物制剂进行分析。在这里，细胞本身可被视为一个封闭的生物微反应器。由于微机械结构和细胞具有相同的大小，因此可以对单个细胞进行生化和生物物理分析。生化分析过程包括许多步骤：细胞分类和收集、细胞裂解、聚合酶链反应和电泳分离。