随着对可持续能源和高效生物合成技术需求的增长，光合成领域的研究不断寻求创新突破。双光路 LED 系统耦合微流控技术作为一种新兴的交叉技术平台，正逐渐崭露头角，为高通量光合成带来了新的契机。该平台结合了双光路 LED 系统精准的光照调控能力与微流控技术的微型化、集成化、高通量优势，有望革新光合成相关研究及应用，从基础的光合机制探索到生物燃料生产、生物制药等产业应用，都展现出巨大的潜力。​

一、双光路 LED 系统概述​

（1）系统设计​

      双光路 LED 系统突破了传统单光路的局限，构建了独立可控的双光路并行架构。该系统通常配备两组不同波长的 LED 光源模块，可精准输出从紫外到可见光波段的特定波长光线，如常见的 365 nm 紫外光与 450 nm 蓝光组合，或 420 nm 蓝光与 520 nm 绿光搭配等。通过精密的光学元件，如光纤、反射镜与透镜组，两组光路的光线能够高效耦合，以同轴或交叉方式聚焦于反应区域，确保反应体系均匀接收双波长光照。​

（2）工作机制​

      不同波长的光对应不同的光子能量，双光路 LED 光化学反应仪利用这一特性，使两种光子协同作用于光催化剂。当 365 nm 紫外光激发宽禁带半导体（如 TiO₂）产生电子 - 空穴对时，450 nm 蓝光可同步激发窄禁带半导体（如 CdS 量子点）。CdS 吸收蓝光后产生的光生电子，可通过异质结界面转移至 TiO₂的导带，补充 TiO₂因光生载流子复合损失的电子，从而有效拓展光催化剂对可见光的响应，提升整体光谱利用率。双波长协同激发还能优化光生载流子的分离过程。在双光路照射下，不同半导体材料因能带结构差异，产生的光生电子与空穴具有不同的迁移方向。在 TiO₂/CdS 异质结体系中，TiO₂导带上的电子倾向于迁移至 CdS 表面参与质子还原，而 CdS 价带上的空穴则迁移至 TiO₂表面进行水的氧化反应。这种空间上的载流子定向迁移，有效减少了电子 - 空穴对的复合几率，显著提升了光生载流子的分离效率。​

二、微流控技术基础​

（1）技术原理与特点​

      微流控技术指的是使用微管道（尺寸为数十到数百微米）处理或操纵微小流体（体积为微升到纳升）的系统所涉及的科学和技术。其早期概念可追溯到 19 世纪 70 年代采用光刻技术在硅片上制作的气相色谱仪，而后发展为微流控毛细管电泳仪和微反应器等。微流控装置因具有微型化、集成化等特征，通常被称为微流控芯片，也被称为芯片实验室（Lab on a Chip）和微全分析系统（micro-Total Analytical System）。微流控芯片采用类似半导体的微机电加工技术在芯片上构建微流路系统，将实验与分析过程转载到由彼此联系的路径和液相小室组成的芯片结构上，加载生物样品和反应液后，采用微机械泵、电渗流等方法驱动芯片中缓冲液的流动，形成微流路，于芯片上进行一种或连续多种的反应。再采用荧光、电化学、质谱等分析手段，对样品进行快速、准确和高通量的分析。微流控技术具备集成小型化与自动化、高通量、检测试剂消耗少、样本量需求少、污染少等优势，不过也存在核心技术缺乏规范和标准、生产成本高昂、部分技术难题有待攻克等不足。​

（2）在光合成研究中的潜在优势​

      在光合成研究场景下，微流控芯片能够将光合成反应所需的多个步骤，如光合微生物培养、底物供应、产物分离等，集成在微小芯片上，实现反应的高度集成化与自动化，减少人工干预误差。其高通量特性允许在同一芯片上设计多流道，将待反应样本分流到多个反应单元同时进行反应，极大提升了实验效率，可快速筛选不同光合成条件。并且，微流控芯片反应单元腔体微小，能大幅降低试剂与样本用量，对于一些珍贵的光合生物样本或昂贵的反应底物而言，这一优势尤为关键。同时，芯片的封闭性减少了外界环境对反应的干扰以及反应过程中对环境的污染。​

三、双光路 LED 系统与微流控技术的耦合​

（1）耦合方式与实现途径​

      在硬件搭建上，将双光路 LED 系统的出光口通过高精度的光纤连接器与微流控芯片的反应区域精准对接，确保光线高效导入微流道内的反应体系。利用微机电加工技术，在微流控芯片上设计特殊的光学结构，如微透镜阵列、光波导等，优化光路传播，增强光与流体中光合物质的相互作用。在软件控制层面，开发专门的控制系统，实现对双光路 LED 光源的波长、光强、光照时间等参数与微流控芯片中流体流速、反应温度、试剂混合比例等参数的协同调控，以满足不同光合成反应的复杂需求。例如，对于某些需要特定光强与底物浓度配比的光合成反应，可通过该控制系统精确设置 LED 光强变化曲线与微流控芯片中底物注入流速曲线，保证二者同步协调变化。​

（2）协同工作机制​

      当双光路 LED 系统发射的特定波长光线进入微流控芯片后，与芯片内流动的含有光合生物（如藻类、光合细菌）或光催化剂的流体相互作用。在光的激发下，光合生物启动光合作用过程，或者光催化剂催化相关化学反应。微流控芯片的微流路设计确保了反应底物能够持续、稳定地供应到光照区域，同时及时带走反应产物，维持反应的高效进行。双光路的协同激发作用在微流控芯片的微环境中得到进一步强化，不同波长的光在微尺度下更均匀地作用于光合体系，促进光生载流子的产生与分离，提升光合成效率。例如，在微流控芯片中进行的光催化 CO₂还原反应，双光路 LED 系统一方面利用短波长光激发光催化剂产生电子 - 空穴对，另一方面利用长波长光促进 CO₂分子的活化，而微流控芯片则精准控制 CO₂和其他反应底物的输送量与流速，使反应在最适宜的条件下高效进行。​

四、高通量光合成应用实例​

（1）光合微生物培养与产物生产​

      在微流控芯片中构建微小的光合微生物培养体系，利用双光路 LED 系统模拟不同光照条件，可高通量筛选适合特定环境与产物需求的光合微生物菌株。通过多组实验，对比不同波长组合、光强及光照周期下光合微生物的生长速率、光合产物（如生物燃料、生物活性物质）产量，快速确定最优培养条件。如在藻类生物燃料生产研究中，采用双光路 LED - 微流控芯片系统，发现 450 nm 蓝光与 660 nm 红光的特定比例组合，配合适宜的光强与微流控芯片中的营养物质流速，能使藻类油脂产量相比传统单光培养提升 30% 以上，且筛选效率较传统批量实验提高数倍。​

（2）光催化有机合成反应​

      将双光路 LED 系统耦合微流控技术应用于光催化有机合成，能够实现对反应条件的精细调控与高通量探索。在微流控芯片上集成多个独立的反应微腔，每个微腔都可接受双光路 LED 系统不同参数设置的光照。研究人员可以同时对多种有机底物、光催化剂、反应溶剂及反应条件进行组合测试，快速筛选出高效的光催化合成路径。以光催化 (2 + 2) 环加成反应为例，通过该系统可在短时间内对 12,000 种反应条件进行筛选，包括光催化剂和底物种类两个离散变量，以及光强度、浓度、流速和光催化剂比例四个连续变量，大大加速了新型有机合成路线的开发进程，相比传统间歇式反应系统，通量提升显著，且反应时间从数小时缩短至数秒，极大提高了研究效率与成果产出速度。​

五、优势与展望​

（1）技术优势总结​

      双光路 LED 系统耦合微流控技术在高通量光合成领域展现出多方面优势。从光照调控角度，双光路 LED 系统提供了更丰富、精准的光照条件，拓展光谱响应范围，促进光生载流子分离，显著提升光合成效率。微流控技术则赋予系统集成化、高通量、低试剂消耗、精准流体控制等特性，实现光合成反应的高效运行与快速筛选。二者结合，极大提高了实验效率，可在短时间内完成大量不同条件下的光合成实验，加速科研进程；有效降低实验成本，减少了试剂、样本及能源消耗；并且提升了实验的准确性与可重复性，微流控芯片的精确控制与双光路 LED 系统的稳定光照输出，减少了外界因素干扰，使实验结果更加可靠。​

（2）未来发展方向与挑战​

      未来，该技术平台有望在多个方向取得进一步突破。在技术优化层面，进一步提升双光路 LED 系统与微流控芯片的集成度，开发更紧凑、高效的一体化设备，降低设备成本与操作复杂性。探索更多新型 LED 光源与微流控材料，拓展系统的应用范围与性能边界，如开发新型宽光谱 LED 光源或具有特殊光学、流体学性质的微流控芯片材料。在应用拓展方面，将该平台应用于更广泛的领域，如环境修复领域的光催化污染物降解、农业领域的植物光调控生长等。但同时，该技术也面临一些挑战。例如，如何建立统一的技术标准与规范，促进不同研究机构与企业间的技术交流与合作；如何进一步降低设备的生产成本，提高其在产业界的普及程度；以及如何解决微流控芯片中可能出现的堵塞、污染等实际应用问题，确保系统长期稳定运行，都是未来需要重点攻克的难题。​

产品展示

      SSC-PCRT120-2位双光路LED光化学反应仪，采用大功率LED双面光路照射，采用PLC全面控制，实现各种操作需求，大幅提升催化剂的筛选实验的效率，可以同时2位样品实验，实现了样品在不同波长不同条件下的分析。SSC-PCRT120-2位双光路LED光化学反应仪主要用于研究气相或液相介质，固相或流动体系等条件下的光化学反应；广泛应用光化学催化、化学合成、光催化降解、催化产氢、CO2光催化还原、光催化固氮、环境保护以及生命科学等研究领域。

产品优势：

1)采用双侧面照射，增加光照面积，是底或顶照光照面积的20倍；

2)2位均可独立数控，搅拌、光强、多波长、通气、抽真空；

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

4)实现2位反应仪的同时搅拌，分别控制，更好的混合反应物；

5)采用模块化设计，可以根据需要波段，仅更换光照模块即可实现多波段照射；

6)LED光源采用风冷，无需滤光片，光照均匀；

7)LED光源采用一体化设计，匹配内置控温反应管，使用便捷；

8)光源系统采用PLC全面控制，实现各种操作需求。