隨著對可持續能源和高效生物合成技術需求的增長，光合成領域的研究不斷尋求創新突破。雙光路 LED 系統耦合微流控技術作為一種新興的交叉技術平臺，正逐漸嶄露頭角，為高通量光合成帶來了新的契機。該平臺結合了雙光路 LED 系統精準的光照調控能力與微流控技術的微型化、集成化、高通量優勢，有望革新光合成相關研究及應用，從基礎的光合機制探索到生物燃料生產、生物制藥等產業應用，都展現出巨大的潛力。

一、雙光路 LED 系統概述

（1）系統設計

      雙光路 LED 系統突破了傳統單光路的局限，構建了獨立可控的雙光路并行架構。該系統通常配備兩組不同波長的 LED 光源模塊，可精準輸出從紫外到可見光波段的特定波長光線，如常見的 365 nm 紫外光與 450 nm 藍光組合，或 420 nm 藍光與 520 nm 綠光搭配等。通過精密的光學元件，如光纖、反射鏡與透鏡組，兩組光路的光線能夠高效耦合，以同軸或交叉方式聚焦于反應區域，確保反應體系均勻接收雙波長光照。

（2）工作機制

      不同波長的光對應不同的光子能量，雙光路 LED 光化學反應儀利用這一特性，使兩種光子協同作用于光催化劑。當 365 nm 紫外光激發寬禁帶半導體（如 TiO?）產生電子 - 空穴對時，450 nm 藍光可同步激發窄禁帶半導體（如 CdS 量子點）。CdS 吸收藍光后產生的光生電子，可通過異質結界面轉移至 TiO?的導帶，補充 TiO?因光生載流子復合損失的電子，從而有效拓展光催化劑對可見光的響應，提升整體光譜利用率。雙波長協同激發還能優化光生載流子的分離過程。在雙光路照射下，不同半導體材料因能帶結構差異，產生的光生電子與空穴具有不同的遷移方向。在 TiO?/CdS 異質結體系中，TiO?導帶上的電子傾向于遷移至 CdS 表面參與質子還原，而 CdS 價帶上的空穴則遷移至 TiO?表面進行水的氧化反應。這種空間上的載流子定向遷移，有效減少了電子 - 空穴對的復合幾率，顯著提升了光生載流子的分離效率。

二、微流控技術基礎

（1）技術原理與特點

      微流控技術指的是使用微管道（尺寸為數十到數百微米）處理或操縱微小流體（體積為微升到納升）的系統所涉及的科學和技術。其早期概念可追溯到 19 世紀 70 年代采用光刻技術在硅片上制作的氣相色譜儀，而后發展為微流控毛細管電泳儀和微反應器等。微流控裝置因具有微型化、集成化等特征，通常被稱為微流控芯片，也被稱為芯片實驗室（Lab on a Chip）和微全分析系統（micro-Total Analytical System）。微流控芯片采用類似半導體的微機電加工技術在芯片上構建微流路系統，將實驗與分析過程轉載到由彼此聯系的路徑和液相小室組成的芯片結構上，加載生物樣品和反應液后，采用微機械泵、電滲流等方法驅動芯片中緩沖液的流動，形成微流路，于芯片上進行一種或連續多種的反應。再采用熒光、電化學、質譜等分析手段，對樣品進行快速、準確和高通量的分析。微流控技術具備集成小型化與自動化、高通量、檢測試劑消耗少、樣本量需求少、污染少等優勢，不過也存在核心技術缺乏規范和標準、生產成本高昂、部分技術難題有待攻克等不足。

（2）在光合成研究中的潛在優勢

      在光合成研究場景下，微流控芯片能夠將光合成反應所需的多個步驟，如光合微生物培養、底物供應、產物分離等，集成在微小芯片上，實現反應的高度集成化與自動化，減少人工干預誤差。其高通量特性允許在同一芯片上設計多流道，將待反應樣本分流到多個反應單元同時進行反應，極大提升了實驗效率，可快速篩選不同光合成條件。并且，微流控芯片反應單元腔體微小，能大幅降低試劑與樣本用量，對于一些珍貴的光合生物樣本或昂貴的反應底物而言，這一優勢尤為關鍵。同時，芯片的封閉性減少了外界環境對反應的干擾以及反應過程中對環境的污染。

三、雙光路 LED 系統與微流控技術的耦合

（1）耦合方式與實現途徑

      在硬件搭建上，將雙光路 LED 系統的出光口通過高精度的光纖連接器與微流控芯片的反應區域精準對接，確保光線高效導入微流道內的反應體系。利用微機電加工技術，在微流控芯片上設計特殊的光學結構，如微透鏡陣列、光波導等，優化光路傳播，增強光與流體中光合物質的相互作用。在軟件控制層面，開發專門的控制系統，實現對雙光路 LED 光源的波長、光強、光照時間等參數與微流控芯片中流體流速、反應溫度、試劑混合比例等參數的協同調控，以滿足不同光合成反應的復雜需求。例如，對于某些需要特定光強與底物濃度配比的光合成反應，可通過該控制系統精確設置 LED 光強變化曲線與微流控芯片中底物注入流速曲線，保證二者同步協調變化。

（2）協同工作機制

      當雙光路 LED 系統發射的特定波長光線進入微流控芯片后，與芯片內流動的含有光合生物（如藻類、光合細菌）或光催化劑的流體相互作用。在光的激發下，光合生物啟動光合作用過程，或者光催化劑催化相關化學反應。微流控芯片的微流路設計確保了反應底物能夠持續、穩定地供應到光照區域，同時及時帶走反應產物，維持反應的高效進行。雙光路的協同激發作用在微流控芯片的微環境中得到進一步強化，不同波長的光在微尺度下更均勻地作用于光合體系，促進光生載流子的產生與分離，提升光合成效率。例如，在微流控芯片中進行的光催化 CO?還原反應，雙光路 LED 系統一方面利用短波長光激發光催化劑產生電子 - 空穴對，另一方面利用長波長光促進 CO?分子的活化，而微流控芯片則精準控制 CO?和其他反應底物的輸送量與流速，使反應在最適宜的條件下高效進行。

四、高通量光合成應用實例

（1）光合微生物培養與產物生產

      在微流控芯片中構建微小的光合微生物培養體系，利用雙光路 LED 系統模擬不同光照條件，可高通量篩選適合特定環境與產物需求的光合微生物菌株。通過多組實驗，對比不同波長組合、光強及光照周期下光合微生物的生長速率、光合產物（如生物燃料、生物活性物質）產量，快速確定優培養條件。如在藻類生物燃料生產研究中，采用雙光路 LED - 微流控芯片系統，發現 450 nm 藍光與 660 nm 紅光的特定比例組合，配合適宜的光強與微流控芯片中的營養物質流速，能使藻類油脂產量相比傳統單光培養提升 30% 以上，且篩選效率較傳統批量實驗提高數倍。

（2）光催化有機合成反應

      將雙光路 LED 系統耦合微流控技術應用于光催化有機合成，能夠實現對反應條件的精細調控與高通量探索。在微流控芯片上集成多個獨立的反應微腔，每個微腔都可接受雙光路 LED 系統不同參數設置的光照。研究人員可以同時對多種有機底物、光催化劑、反應溶劑及反應條件進行組合測試，快速篩選出高效的光催化合成路徑。以光催化 (2 + 2) 環加成反應為例，通過該系統可在短時間內對 12,000 種反應條件進行篩選，包括光催化劑和底物種類兩個離散變量，以及光強度、濃度、流速和光催化劑比例四個連續變量，大大加速了新型有機合成路線的開發進程，相比傳統間歇式反應系統，通量提升顯著，且反應時間從數小時縮短至數秒，極大提高了研究效率與成果產出速度。

五、優勢與展望

（1）技術優勢總結

      雙光路 LED 系統耦合微流控技術在高通量光合成領域展現出多方面優勢。從光照調控角度，雙光路 LED 系統提供了更豐富、精準的光照條件，拓展光譜響應范圍，促進光生載流子分離，顯著提升光合成效率。微流控技術則賦予系統集成化、高通量、低試劑消耗、精準流體控制等特性，實現光合成反應的高效運行與快速篩選。二者結合，極大提高了實驗效率，可在短時間內完成大量不同條件下的光合成實驗，加速科研進程；有效降低實驗成本，減少了試劑、樣本及能源消耗；并且提升了實驗的準確性與可重復性，微流控芯片的精確控制與雙光路 LED 系統的穩定光照輸出，減少了外界因素干擾，使實驗結果更加可靠。

（2）未來發展方向與挑戰

      未來，該技術平臺有望在多個方向取得進一步突破。在技術優化層面，進一步提升雙光路 LED 系統與微流控芯片的集成度，開發更緊湊、高效的一體化設備，降低設備成本與操作復雜性。探索更多新型 LED 光源與微流控材料，拓展系統的應用范圍與性能邊界，如開發新型寬光譜 LED 光源或具有特殊光學、流體學性質的微流控芯片材料。在應用拓展方面，將該平臺應用于更廣泛的領域，如環境修復領域的光催化污染物降解、農業領域的植物光調控生長等。但同時，該技術也面臨一些挑戰。例如，如何建立統一的技術標準與規范，促進不同研究機構與企業間的技術交流與合作；如何進一步降低設備的生產成本，提高其在產業界的普及程度；以及如何解決微流控芯片中可能出現的堵塞、污染等實際應用問題，確保系統長期穩定運行，都是未來需要重點攻克的難題。

產品展示

      SSC-PCRT120-2位雙光路LED光化學反應儀，采用大功率LED雙面光路照射，采用PLC全面控制，實現各種操作需求，大幅提升催化劑的篩選實驗的效率，可以同時2位樣品實驗，實現了樣品在不同波長不同條件下的分析。SSC-PCRT120-2位雙光路LED光化學反應儀主要用于研究氣相或液相介質，固相或流動體系等條件下的光化學反應；廣泛應用光化學催化、化學合成、光催化降解、催化產氫、CO2光催化還原、光催化固氮、環境保護以及生命科學等研究領域。

產品優勢：

1)采用雙側面照射，增加光照面積，是底或頂照光照面積的20倍；

2)2位均可獨立數控，攪拌、光強、多波長、通氣、抽真空；

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

4)實現2位反應儀的同時攪拌，分別控制，更好的混合反應物；

5)采用模塊化設計，可以根據需要波段，僅更換光照模塊即可實現多波段照射；

6)LED光源采用風冷，無需濾光片，光照均勻；

7)LED光源采用一體化設計，匹配內置控溫反應管，使用便捷；

8)光源系統采用PLC全面控制，實現各種操作需求。