微流控芯片技术在药物化学实验中的应用

高志刚，罗 勇，宋其玲，李悦青，王世盛，叶俊伟

（大连理工大学 化工学院，国家级化工综合实验教学示范中心，辽宁 大连 116024）

微流体是在微米尺度空间内流动的流体，在此基础上形成的微流控技术是对微流体进行操作的技术，其操作对象的主要特征是层流或低雷诺数[1-2]。微流体由于自身具有微小、易控等特点，使得其在常规化学和生物化学实验等方面有广泛的应用前景。以微流控技术为基础发展的微流控芯片，是将常规化学、生物化学等实验操作微缩在厘米尺寸芯片上的科学技术，因此又称为微流控芯片实验室。微流控芯片具有显著的自身优势，如自动化程度高、灵活性高、可集成、高效、低成本、高分辨率、高灵敏度等特点[3-4]。

由于基于微流控芯片技术合成化合物具有良好的收率和可重复性，近年来应用连续流动技术合成化合物成为热门的研究方向之一[5]。通常微通道内的流体是微米级别的，根据雷诺系数Re=黏性力/惯性力判断，在微流体流动过程中，惯性力影响很小，黏性力起主导。Re大约在10–6～10，远小于2 000，所以微流体的流动特性是典型的层流。因此微通道反应器的宏观流动模型也可视为平推流反应器。在微通道反应芯片中，不同反应物通过分子扩散达到混合目的[6]。

硝苯地平临床上主要用于降压治疗，其原理是通过阻滞钙离子内流进入心肌细胞或平滑肌细胞，从而使得冠状动脉压力降低，血管舒张，最终导致血压下降。目前药物化学实验教学中，硝苯地平合成通常采用一锅法制备，使用邻硝基苯甲醛、乙酰乙酸甲酯和氮源作为反应物，在醇溶液中加热回流反应，这种方法得到的产物总收率不高，副产物较多，乙醇重结晶后产物收率仅能达到70%左右[7-9]。

由于采用微流控技术进行药物合成的研究仍处于亟待探索的方向，目前少有相关研究方向的报道。在本文微通道反应装置中，以连续制备硝苯地平为案例，将药物合成技术相关知识内容引入到药物化学实验教学中，从而培养学生创新意识和创新能力。

1 微通道反应芯片设计及制作

本文采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）制作微通道反应芯片，PDMS 具有透气性强、可成型性好、生物相容性高、毒性小、易于封接等特点，其制作过程主要包括硅片预处理、匀胶、前烘、曝光、显影、坚膜、PDMS 浇铸和封接等操作步骤[10-11]。

在硝苯地平合成过程中，微通道的设计影响其合成收率。微通道的基本作用是能够按照一定比例使液体充分均匀混合，同时还允许微流体在其内稳定流动，而不会出现固体堵塞[12-13]。结合硝苯地平的合成条件，在微通道反应芯片中需要完成预热、混合、分离和集成多个实验操作。本实验搭建微通道反应装置如图1 所示，包括两个注射泵、一个温度加热装置和一个反应芯片。反应芯片集成预热模块和混合模块，其中预热模块包括两条独立通道，每条通道包含8 个弯道，每条长度为200 mm（从进样口至T 型混合器）。反应模块包括一个T 型混合器和68 个弯道的增强混合装置，通道总长度为1 000 mm（从T 型混合器至出样口）。芯片上层为PDMS 基片，面积为3 750 mm2，厚度为4.57 mm。下层为光学玻璃基片，厚度为1.14 mm。

图1 搭建微通道合成装置实物图

2 实验部分

2.1 实验试剂

合成实验试剂：邻硝基苯甲醛、乙酰乙酸甲酯、浓氨水、乙酸铵、无水乙醇等。

芯片制作试剂：30%过氧化氢、PDMS-A 液、PDMS 固化剂、光刻胶SU8、乳酸乙酯、异丙醇等。

2.2 实验仪器

电热恒温水浴锅、电子天平、电热恒温鼓风干燥箱、真空泵、紫外深度光刻机、数控超声波清洗器、匀胶台、烘片机、水平摇床、四维旋转混匀器、基本型等离子清洗机和注射泵等。

2.3 实验步骤

分别取2 个10 mL 注射器，向其中注满无水乙醇，安装在注射泵上，用输液管和塑料软管将注射器和微流控芯片相连，并将芯片置于温控装置上，芯片与收集装置同样使用输液管和塑料软管连接。同时打开2个单通道注射泵，观察流体在微通道中的流动状态，排出微通道中的气泡，无水乙醇同时起到清洗微通道的作用。检查微流控芯片是否有堵塞或漏液现象，检查进样口、出样口及其他连接部位是否有漏液现象。

将邻硝基苯甲醛和乙酰乙酸甲酯按照一定摩尔比在无水乙醇中溶解混合，加入注射器1 中，将称取的10 mL 浓氨水加入注射器2 中，调节单通道注射泵的流速为0.5 mL/min，调节温控装置的预设温度为80 ℃，开启单通道注射泵片刻，设置2 个单通道注射泵的运行时间，使得2 个注射器中的溶液能够同时到达微流控芯片进样口，进行混合反应。当反应液在T 型混合器中同时达到中心点，混合液在流动过程中无不规则气泡产生，且在微通道内稳定流动时，开始收集硝苯地平粗产品，最后采用无水乙醇重结晶。

3 实验结果与讨论

3.1 氮源对反应产率的影响

根据实验方案，该反应中氮源选择浓氨水和乙酸铵2 种溶液，其中氨水摩尔浓度为7.94 mol/L，乙酸铵摩尔浓度4.28 mol/L。当反应流速为0.5 mL/min，反应湿度80 ℃时，考察邻硝基苯甲醛浓度分别为1、1.5 和3 mol/L 时，反应收率如表1 所示。

表1 不同摩尔浓度邻硝基苯甲醛实验结果

对比上述实验结果可知，反应物浓度相同时，以乙酸铵作为氮源的产物收率较高，同时当邻硝基浓度1.5 mol/L、乙酰乙酸甲酯3 mol/L 时，反应收率最高为70.2%。

3.2 反应物比例对收率的影响

当乙酸铵浓度 4.28 mol/L，邻硝基苯甲醛为 1.5 mol/L，考察了不同浓度乙酰乙酸甲酯对收率的影响，如表2 所示，可知当邻硝基苯甲醛与乙酰乙酸甲酯比例1∶2～1∶3 时对该反应的收率影响不大，故选择邻硝基苯甲醛与乙酰乙酸甲酯摩尔比1∶2 进行反应。

表2 不同浓度乙酰乙酸甲酯实验结果

3.3 反应温度影响

反应温度考察了70 ℃、80 ℃和90 ℃ 3 个条件，收率如表3 所示，邻硝基苯甲醛浓度为1 mol/L，乙酰乙酸甲酯浓度2 mol/L，乙酸铵浓度4.28 mol/L，反应温度80 ℃。流速都为0.5 mL/min，由表可知，当反应物温度为80 ℃时收率最大，此为合成硝苯地平的最适温度。当温度低于80 ℃时，反应物无法完全反应导致收率降低。当温度高于80 ℃时，高温使得反应物部分挥发，产物受热分解，使副产物生产增加，最终导致收率降低。

表3 温度对产物收率的影响

3.4 微通道流速对收率的影响

根据实验方案将不同流动速度分成4 组，并研究了3 种不同邻硝基苯甲醛浓度对硝苯地平合成实验结果的影响，实验结果见表4。对比上述实验结果可知，当流量大于0.2 mL/min 时，在相同流速下，反应物浓度越高，反应收率越低。但是当流量小于0.2 mL/min时，这种规律不是严格被遵守的。这种收率与浓度负相关的现象可能的解释是由于微通道尺寸受限，微通道的体积较小，高浓度反应物不能在微通道充分混合导致产量降低。或者由于高浓度反应物在微通道内停留时间过短，没有完全反应。而低浓度反应物在相同流速下，能在较短的停留时间内完全反应。低流速下这种相关性消失，可能与停留时间增长，反应物反应的比例增大有关。

表4 微通道流速对产物收率的影响

浓度相同时，随流速增大，收率增加。浓度为0.5、1.5 mol/L 时，流速对反应收率增加作用明显，流速为0.5 mL/min 时为最佳流速，浓度为1 mol/L 时不明显，且在流速为0.4 mL/min 时有最大收率。收率随流速增加的原因可能是由于流速降低，反应物在微通道内停留时间长，生产的硝苯地平晶体在通道中受热不稳定而部分分解，因此导致产量降低。

4 结语

本文基于微流控芯片技术，设计并制作了一种依靠压电驱动、廉价易得、制作操作简单、微流体流动稳定、可重复利用的集成化学合成反应芯片，并对其形状和尺寸进行了优化改进。在研究微流控芯片的预热功能和混合效率基础上，利用该芯片完成了硝苯地平的合成，并讨论了不同反应条件对实验结果的影响。实验结果表明，其产物纯度和收率与传统实验室方法相比，均有一定的提高，同时仅需要几分钟就可以反应完全。该实验方法拓展了微通道反应在药物化学实验教学中的应用，同时对微流控技术在有机合成等领域中的实际应用具有一定的指导作用。