由于其在微尺度上运行，微流体具有高表面积与体积比，可实现快速传热和传质，并使其成为可精确控制和监测的高效、安全化学反应的理想选择。

1.  化学微流体：简介

近几十年来微流体的出现为连续流技术提供了前所未有的精度，为从生物分析和化学合成到光学和信息技术的广泛领域带来了新的能力。微流体装置——由聚合物、玻璃、硅、金属和其他材料制成——通过几何控制的环境操纵少量流体，通常分为不同的子单元，例如反应器、混合器和检测器。微流体在这些领域的独特优势归功于一些基本特征。它的特点是层流，或具有低雷诺数（Re，表明惯性力对流体中粘性力的相对重要性），这有助于消除系统中可能由流体湍流引起的任何返混。图1显示了示意图，说明微流体装置中的层流促进了基于扩散的混合。

图1. 显示彼此相邻的流体流 X 和 Y 的层流的示意图

虽然微流控技术在细胞培养研究、聚合酶链式反应 (PCR) 诊断工具甚至整个器官系统的模拟等生物学研究领域建立的时间更长，但其在化学领域的应用还远远不够更新和欠发达。尽管情况可能如此，但微流体在其化学应用中具有固有优势，主要基于传热和传质的尺度相关过程。小长度尺度导致高表面积与体积比，这使得整个反应部位具有更大的热均匀性和快速传热，而层流状态可导致化合物在两个界面处的扩散控制反应流体流。航烨能源旨在概述微流体在化学（即微反应器）中的应用，包括阐述其优势、目前在工业界和学术界的用途、面临的挑战以及未来的潜力。在使用微流体进行化学合成的文献中有一些杰出的评论，例如 Elvira 的“化学合成中微流体反应器技术的过去、现在和潜力”等。

2. 化学微流体：优势

2.1. 小试剂体积微反应器和占地面积

正如人们可能期望的那样，当处理的材料量明显减少时——与大批量化学反应相比，人们对微流体的处理方式（见图2）——可以节省大量成本。当使用可用性有限或成本过高的试剂时可能会出现这种情况，或者当进行的化学反应是为了收集信息而不是合成功能性最终产品时尤其如此。微反应器的精确和有针对性的性质可以允许通过使用更小的试剂量来获取与其散装系统对应部件相同数量的信息，或者实际上更多的信息。微反应器的小尺寸也提供了非常实用的优势，即比传统流动反应器占地面积更小，并且比宏观反应器更小，部分原因是更有效的微流体热传递所需的热交换设备更小。图3提供了使用微流体技术进行的小规模化学合成反应的示例。

图 2. 标准非连续间歇式反应器的图示

图3. 用于合成2-脱氧-2-[18F]氟-D-葡萄糖([18F]FDG)的微流体反应器

2.2. 微反应器的选择性

与化学和生物反应的情况一样，根据反应的局部条件，一组给定的试剂可以产生多种产物。通过控制微流体授予的这些条件，例如温度和停留时间，因此可以高精度地选择性地生产可由给定反应产生的多种化合物中的单个化合物。

2.3. 在微反应器中进行快速、安全的反应

关于微流控反应器和散装反应器的相对反应时间，有一些基本因素限制了在所有方面进行直接比较的能力。进行本体反应的时间通常比达到反应平衡点所需的时间更长，以确保所需的反应已经完成。另一方面，微反应器可以更容易地进行优化和密切监测，使其运行时间不会超过达到反应终点所需的时间，因此据报道，微反应器的时空产率高于散装反应器. 因此，即使限速反应的速率不变，微流控反应器也将允许更有效、因此更快速的化学过程。

2.4. 微反应器的横向扩展潜力

与扩大微反应器（即增加其特征尺寸以增加产量）相反，微流体的真正优势在于“扩大”这些系统。横向扩展不是增加微反应器的大小，而是简单地表示增加微反应器的数量以产生并行网络。优势来自这样一个事实，即通过使用多个相同大小的反应器，在每个反应器中进行的化学反应在任何水平的扩展中都保持相同。这种方法还允许在研究和工业应用之间轻松转移相同反应器的使用，这将在下面进一步阐述。

2.5. 微反应器的绿色化学

从可持续性的角度来看，微流体不应被忽视，并且由于成本降低通常与可持续性密切相关，因此它是对工业特别有吸引力的一个方面。在这里，微流体中表现出的特有的高表面积与体积比再次被证明是有益的，减少了有效满足反应热要求所需的能量（见图 4）。并且如上所述，微流控反应选择性的提高可以排除不需要的反应产物，并且可以更有效地回收有用的试剂，减少过滤，从而最大限度地减少试剂消耗和清理工作。

图4. 用于 PCR 微流体装置的微热控制单元的红外图像

3. 化学中的微流体：结论

自 1990 年代初出现以来，微流体技术取得了重大进展，并且在实现对其潜力的早期预测方面取得了长足的进步。由于其在微尺度上运行，微流体具有高表面积与体积比，可实现快速传热和传质，并使其成为可精确控制和监测的高效、安全化学反应的理想选择。将微流体用于基于化学的目的（即以微反应器的形式）的采用比其生物科学同行慢，但使微流体对生物学非常有利的特性也适用于化学。江苏航烨能源科技有限公司副总经理宋总表示：“的确，微流体在化学中的潜力已在研究环境中得到广泛证明，并且由于微反应器可以轻松扩展，特别是随着现成的微流体工具变得越来越容易获得和复杂，在工业环境中的使用也越来越多。它们已被证明对危险的化学反应特别有用，这些反应在更大规模下可能变得困难或不可能，但除此之外，还表明大多数化学反应可以使用微流体以更高的效率进行。”