本文章聚焦于基于微流控技术的全自动光催化活性评价平台的构建。详细阐述了微流控技术的原理与优势，以及将其应用于光催化活性评价的创新点。通过对平台的系统设计、关键组件及功能实现的分析，展示了该平台在提高光催化活性评价的准确性、效率和自动化程度方面的显著效果，为光催化领域的研究与发展提供了新的技术手段和思路。​

一、引言​

光催化技术作为一种绿色环保的技术，在太阳能转化、环境污染治理（如空气净化、水污染处理）等众多领域展现出巨大的应用潜力。光催化剂的活性评价是光催化研究与应用的关键环节，准确、高效的活性评价能够为光催化剂的设计、优化和筛选提供重要依据。传统的光催化活性评价方法存在诸如样品用量大、反应条件控制不精确、实验效率低、自动化程度差等问题，难以满足日益增长的光催化研究与产业化发展需求。​

微流控技术是一种在微米尺度的通道中操控微小体积流体的技术，具有样品消耗量少、反应条件可控性强、集成度高、易于实现自动化等独特优势。将微流控技术引入光催化活性评价领域，构建全自动光催化活性评价平台，有望克服传统方法的弊端，推动光催化技术的进一步发展。​

二、微流控技术原理与优势​

（一）微流控技术原理​

微流控技术基于微通道内流体的特殊物理化学性质进行操作。在微米级通道中，流体的流动主要受黏性力和表面张力的支配，惯性力的影响相对较小，呈现出层流特性。通过对微通道的结构设计和外部驱动力（如压力驱动、电渗驱动、离心力驱动等）的控制，可以精确操控微流体的流动、混合、分离等行为 。例如，利用微通道的特殊几何形状和尺寸，可以实现流体的快速混合；通过在微通道内设置特定的结构，能够对不同性质的流体或颗粒进行分离。​

（二）应用于光催化活性评价的优势​

样品用量少：光催化剂的制备往往需要复杂的工艺和昂贵的原料，微流控技术的微量操作特性使得在光催化活性评价过程中仅需少量的光催化剂和反应溶液，大大降低了实验成本，同时也有利于珍贵或稀缺光催化剂样品的评价。​

反应条件精确控制：微流控芯片内的微通道尺寸小，能够实现对反应温度、反应物浓度、光照强度等反应条件的快速、精确控制。例如，通过微型加热元件和温度传感器的集成，可以在微通道内实现高精度的温度控制，保证光催化反应在理想的温度下进行；精确控制反应物在微通道内的流速和停留时间，能够实现不同的反应时间设置，从而深入研究反应动力学。​

高通量与集成化：微流控芯片可以通过设计多个并行的微通道或复杂的微流控网络，实现高通量的光催化活性评价，能够同时对多种光催化剂或同一光催化剂在不同条件下的活性进行快速筛选。此外，还可以将光催化反应单元、流体进样单元、检测单元等集成在同一芯片上，构建高度集成化的光催化活性评价系统，减少系统体积和连接部件，提高系统的稳定性和可靠性。​

易于自动化：微流控技术与微机电系统（MEMS）、传感器技术和自动化控制技术相结合，能够实现光催化活性评价过程的自动化操作，包括样品进样、反应控制、数据采集和分析等，减少人为操作误差，提高实验效率和数据的准确性和重复性。​

三、全自动光催化活性评价平台设计​

（一）总体架构​

全自动光催化活性评价平台主要由微流控芯片模块、流体驱动与控制系统、光照系统、检测与分析系统以及数据处理与控制系统等部分组成。各部分相互协作，实现光催化活性评价的全自动化流程。微流控芯片模块是整个平台的核心，承担光催化反应的进行；流体驱动与控制系统负责将反应物精确输送至微流控芯片，并控制反应过程中流体的流速、流量等参数；光照系统为光催化反应提供稳定、可控的光照条件；检测与分析系统实时监测光催化反应过程中的各种物理化学参数；数据处理与控制系统对检测数据进行分析处理，并根据预设程序对整个平台的运行进行自动化控制 。​

（二）微流控芯片设计​

芯片材料选择：微流控芯片的材料需要具备良好的光学透明性、化学稳定性、热稳定性以及加工性能。常用的材料包括聚二甲基硅氧烷（PDMS）、玻璃、石英和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等。PDMS 具有成本低、易于加工成型、透气性好等优点，适合用于一些对气体交换有要求的光催化反应；玻璃和石英则具有优异的光学性能和化学稳定性，适用于对光照质量要求较高、对化学兼容性要求严格的光催化活性评价；PMMA 具有较好的机械强度和加工性能，成本相对较低，在一些对成本敏感的应用场景中有一定的优势。根据具体的光催化反应需求和实验条件，合理选择芯片材料或采用多种材料的复合结构，以满足不同的实验要求。​

微通道结构设计：微通道的结构设计直接影响光催化反应的效果和流体的操控性能。为了实现高效的光催化反应，微通道需要设计成有利于反应物混合、光催化剂与反应物充分接触以及光照均匀分布的结构。例如，采用蛇形、树状或网状等复杂的微通道布局，增加反应物在微通道内的停留时间和混合效果；在微通道内设置微结构（如微柱、微槽等），增大光催化剂与反应物的接触面积，提高光催化反应效率。同时，微通道的尺寸（宽度、深度）也需要根据反应体系和流体性质进行优化设计，以保证流体的稳定流动和光催化反应的顺利进行。​

功能单元集成：在微流控芯片上集成多个功能单元，包括反应物进样单元、光催化反应单元、产物分离单元和样品收集单元等。反应物进样单元通过微型阀门和通道网络，实现多种反应物的精确配比和定量进样；光催化反应单元是芯片的核心部分，设计有合适的光照窗口，确保光催化剂能够充分接收光照；产物分离单元采用微滤膜、色谱分离等技术，实现反应产物与未反应物质的分离；样品收集单元用于收集反应后的样品，以便进行后续的检测和分析 。​

（三）流体驱动与控制系统​

驱动方式选择：常见的微流体驱动方式包括压力驱动、电渗驱动、离心力驱动和气动驱动等。压力驱动是最常用的驱动方式之一，通过注射泵、压力控制器等设备产生稳定的压力差，推动流体在微通道内流动，具有流量稳定、易于控制等优点，适用于大多数光催化活性评价实验；电渗驱动利用微通道内流体的电渗流现象进行驱动，无需机械部件，具有响应速度快、精度高的特点，适合于对微小体积流体的精确操控；离心力驱动通过旋转微流控芯片产生离心力，实现流体的输送和分配，具有结构简单、高通量的优势；气动驱动则利用压缩空气作为驱动力，能够实现较大流量的流体输送和快速切换。根据微流控芯片的结构和光催化活性评价的具体需求，选择合适的驱动方式或采用多种驱动方式的组合，以实现对流体的精确、灵活控制。​

流量与压力控制：为了保证光催化反应的一致性和可重复性，需要对流体的流量和压力进行精确控制。在流体驱动系统中，安装高精度的流量传感器和压力传感器，实时监测流体的流量和压力变化。通过反馈控制系统，将传感器检测到的信号与预设值进行比较，自动调节驱动设备的参数（如注射泵的流速、压力控制器的压力等），实现对流量和压力的闭环控制，确保流体在微通道内以稳定的流量和压力流动 。​

（四）光照系统​

光源选择：光催化反应需要合适的光源提供能量，光源的选择直接影响光催化活性评价的结果。常见的光源包括紫外 - 可见光灯、氙灯、LED 灯等。紫外 - 可见光灯能够提供较宽的光谱范围，适用于多种光催化剂的活性评价；氙灯具有高强度、连续光谱的特点，可模拟太阳光条件，常用于研究光催化剂在实际环境中的性能；LED 灯具有能耗低、寿命长、波长可精确选择等优点，能够根据光催化剂的吸收光谱特性选择特定波长的 LED 灯，提高光的利用效率。根据光催化剂的特性和实验需求，选择合适的光源或采用多种光源的组合，以满足不同的光催化反应条件。​

光照均匀性与强度控制：为了保证光催化反应的均匀性和准确性，需要确保光照在微流控芯片上的均匀分布和精确控制光照强度。在光照系统设计中，采用光学透镜、反射镜等光学元件对光源进行准直、聚焦和匀光处理，使光照均匀地照射在微流控芯片的光催化反应区域。同时，安装光强传感器实时监测光照强度，并通过调节光源的功率或采用光衰减器等方式，实现对光照强度的精确控制，以满足不同光催化反应对光照强度的要求。​

（五）检测与分析系统​

检测参数与方法：光催化活性评价需要检测多种物理化学参数，包括反应物浓度变化、产物生成量、反应体系的 pH 值、温度等。针对不同的检测参数，采用相应的检测方法和传感器。例如，对于反应物和产物浓度的检测，可采用光谱分析方法（如紫外 - 可见分光光度法、红外光谱法、荧光光谱法等）、色谱分析方法（如气相色谱、液相色谱）或电化学分析方法；pH 值的检测采用 pH 传感器；温度的检测采用温度传感器。通过集成多种检测传感器和分析技术，实现对光催化反应过程的全面、实时监测。​

在线检测与实时分析：为了实现光催化活性评价的自动化和高效性，检测与分析系统需要具备在线检测和实时分析的功能。将检测传感器直接集成在微流控芯片或反应体系的流路中，实时获取反应过程中的参数数据，并通过数据采集系统将数据传输至计算机进行实时分析处理。利用数据分析软件对检测数据进行处理和建模，实时计算光催化反应速率、量子效率等活性评价指标，及时反馈光催化反应的进展和效果。​

（六）数据处理与控制系统​

软件系统设计：数据处理与控制系统的软件部分是整个平台实现自动化运行的核心。软件系统采用模块化设计，包括数据采集模块、数据分析模块、控制算法模块和用户界面模块等。数据采集模块负责与检测与分析系统的传感器进行通信，实时采集反应过程中的各种数据；数据分析模块对采集到的数据进行处理、分析和可视化展示，计算光催化活性评价指标；控制算法模块根据预设的实验程序和数据分析结果，生成控制指令，对流体驱动与控制系统、光照系统等进行自动化控制；用户界面模块为用户提供友好的操作界面，方便用户设置实验参数、监控实验过程和查看实验结果。​

自动化控制流程：通过软件系统的控制，实现光催化活性评价平台的全自动化控制流程。在实验开始前，用户通过用户界面设置实验参数（如反应物浓度、流量、光照条件、反应时间等），软件系统根据预设参数生成控制指令，启动流体驱动与控制系统将反应物输送至微流控芯片，同时开启光照系统提供光照。在反应过程中，检测与分析系统实时监测反应参数，并将数据传输至软件系统进行分析处理，软件系统根据分析结果实时调整控制指令，对反应条件进行优化。当反应结束后，软件系统自动停止流体驱动和光照，并对实验数据进行保存和分析，生成详细的实验报告 。​

四、平台性能测试与验证​

（一）实验设计​

为了验证基于微流控技术的全自动光催化活性评价平台的性能，设计一系列对比实验。选择常见的光催化剂（如 TiO₂、g - C₃N₄等）和典型的光催化反应体系（如染料降解反应、水分解制氢反应）作为研究对象。在相同的反应条件下，分别使用本平台和传统的光催化活性评价方法进行实验，比较两种方法在光催化活性评价结果、实验效率、样品消耗量、数据重复性等方面的差异。​

（二）性能指标测试​

准确性与可靠性：通过对已知活性的光催化剂样品进行多次重复测试，计算光催化活性评价指标的相对标准偏差（RSD），评估平台测试结果的重复性和可靠性。同时，将本平台的测试结果与采用标准方法或权威机构的测试结果进行对比，验证平台测试结果的准确性。​

实验效率：记录完成一次光催化活性评价实验所需的时间，包括样品准备、实验操作和数据处理等整个过程的时间，比较本平台与传统方法的实验效率。分析平台在高通量测试模式下的运行能力，评估其在大规模光催化剂筛选中的应用潜力。​

样品消耗量：统计在光催化活性评价实验中光催化剂和反应溶液的使用量，对比本平台与传统方法的样品消耗量，验证微流控技术在减少样品用量方面的优势。​

反应条件控制精度：在实验过程中，实时监测反应温度、反应物浓度、光照强度等反应条件的变化，分析平台对反应条件的控制精度和稳定性。通过设置不同的反应条件，测试平台在宽范围反应条件下的适应性和控制能力。​

（三）实验结果与分析​

实验结果表明，基于微流控技术的全自动光催化活性评价平台在准确性、可靠性、实验效率、样品消耗量和反应条件控制精度等方面均表现出明显的优势。与传统方法相比，该平台的光催化活性评价结果具有更高的重复性，相对标准偏差降低了 [X]%；实验效率提高了 [X] 倍以上，能够在短时间内完成大量样品的测试；样品消耗量减少了 [X]%，大大降低了实验成本；对反应温度、反应物浓度、光照强度等反应条件的控制精度显著提高，能够实现更精确的光催化反应研究 。​

五、应用前景与展望​

      基于微流控技术的全自动光催化活性评价平台具有广阔的应用前景。在光催化材料研发领域，该平台能够加速新型光催化剂的设计、合成和筛选过程，帮助研究人员快速找到具有高活性和稳定性的光催化材料，推动光催化技术在能源转化和环境治理等领域的应用。在光催化产业化过程中，该平台可以用于光催化剂产品的质量控制和性能检测，确保产品的一致性和可靠性。​然而，该平台目前仍存在一些需要进一步改进和完善的地方。例如，微流控芯片的制备工艺还需要进一步优化，以提高芯片的加工精度和生产效率；检测与分析系统的检测灵敏度和选择性还需要进一步提升，以满足对痕量物质检测的需求；平台的成本还需要进一步降低，以提高其在科研和工业领域的普及性。未来，随着微流控技术、传感器技术、自动化控制技术等相关技术的不断发展和创新，基于微流控技术的全自动光催化活性评价平台将不断完善和发展，为光催化技术的进步和应用提供更强大的技术支持 。​

六、结论​

      本文成功构建了基于微流控技术的全自动光催化活性评价平台，详细阐述了平台的设计原理、系统组成和功能实现。通过性能测试与验证，证明该平台在光催化活性评价方面具有准确性高、实验效率快、样品用量少、反应条件控制精确等显著优势，能够有效克服传统光催化活性评价方法的不足。该平台的构建为光催化领域的研究和发展提供了一种先进的技术手段，具有重要的理论意义和实际应用价值。​

产品展示

      近年来半导体行业的快速发展，超高纯316L不锈钢，符合SEMI F20标准，通过真空感应熔炼+真空自耗重熔（VIM+VAR），并使用特殊的工艺处理，对材料进行最大程度的提纯，进一步减少了材料中的的非金属夹杂物和气体成分。EP管（316L，VIM+VAR）是表面经过电解抛光处理，以提高产品内部的平滑性，并在金属表面形成富铬层以提高耐腐蚀性，电解抛光后的产品做钝化处理以去除游离铁离子。EP抛光产品经 SEM、 ESCA/XPS、AES分析，产品质量完全满足半导体协会 SEMI F20 标准。

      基于EP抛光（316L，VIM+VAR）技术的发展，鑫视科shinsco采用国内优秀企业生产的EP管（316L，VIM+VAR）和EP自动阀门，替换了光催化活性评价系统的原有玻璃管路和阀门，并实现了PLC全面控制整套系统，实现了SSC-PCAE光催化活性评价系统的全自动化运行。

      SSC-PCAE光催化活性评价系统(Photocatalytic activity evaluation system)沿用半导体行业的真空技术，将玻璃管路和阀门替换为EP管和EP自动阀，实现了整个系统的全自动控制实验过程，全自动在线采样分析，实现了实验中真正的全自动运行。SSC-PCAE光催化活性评价系统主要应用于光解水、全解水、电催化、光催化CO2还原、光催化固氮、光电催化气体产物分析、耐压釜式反应、催化反应的微量气体收集等。

产品优势：

1)封闭反应的产物气体收集、采样、在线分析的一体化系统；

2)内置气体磁力增压泵，形成高强压差，实现气体快速混匀；

3)全系统耐压-14.6psi ~150psi，实现了从真空到10atm的压力覆盖；

4)应用半导体材料（TiO2、InO、C3N4、CdS等）催化剂的活性评价；

5)催化剂产氢、产氧、光解水的性能分析；

6)催化剂二氧化碳还原的性能分析；

7)系统可配和玻璃、石英、不锈钢、PEEK、PTFE等材料制备的反应器使用

8)可满足光电反应、气固反应、膜催化、多相反应等特殊实验要求；

9)系统管阀件全部采用EP（316L，VIM+VAR）管和EP阀，对气体无吸附；

10)系统即装即用，可兼容任意厂家气相色谱仪，无需额外增加进样阀门；

11) GC测试范围广，氢、氧、CO2、甲烷、CO、甲醛、C1-C5等微量气体；