紫外光化学将在高效药物合成中发挥关键作用
具体来说：程亚课题组利用激光制造熔融石英微反应芯片，从而设计出独特的三维混合单元，并证明其具有优异的光化学反应效果。
同时，他与团队对三维微通道进行了模拟与实验诊断，结果表明，他们打造的三维内部元件能够实现高效混合，同时提高深紫外光子的吸收效率。
传统基于石英反应器或石英玻璃管的深紫外光化学合成装置在热管理、安全放大、光子利用效率等方面存在着本质的缺陷和瓶颈，该成果很大程度上解决了上述问题。
结合深紫外发光二极管光源低成本、高效率的优势，有望助力进一步推动深紫外光化学连续流合成的工业化应用。
程亚表示：“目前我们只是在尝试，并选取了维生素D3连续流光化学合成这一应用场景来展示这款新芯片的应用潜力。”
事实上，高性能三维微反应芯片及相关制造工艺还可用于生物医药领域的高通量药物筛选、高通量纳米材料合成、类器官互联芯片构建、生物医药领域的体外即时检测、微化学领域的高效光化学合成、集成电路与光电子领域的先进封装等。
目前对于可见光波段的光化学合成，一般需要昂贵的催化剂来辅助，而深紫外微反应器有望避免使用此类催化剂，直接利用高能紫外光子打断化学键，促进所需的化学反应。
有趣的是，意大利和美国学者近日在期刊《瞭望》专栏联合发表文章，也表达了类似的观点。
文章指出：紫外光化学在开发新的高效合成方法中起着关键作用。
它还强调，深入了解紫外驱动化学合成的过程和机制对于实现从紫外驱动到可见光光化学合成的转变起着至关重要的作用。
（来源：Light:）
首次打造基于石英玻璃基底的高性能三维微反应芯片
这项研究的缘起可以追溯到20多年前，当时程亚刚刚从中科院上海光学精密机械研究所获得博士学位。
他说：“我的博士导师是著名激光学家徐直战院士，因此我在读博士期间就进入了当时非常新的飞秒激光与物质相互作用领域，当时全球从事飞秒激光技术和物理研究的人非常少。”
2001年，日本理化学研究所的Koji 博士借鉴了美国科学家在透明玻璃中创建三维微结构的思路，希望在玻璃中实现三维微反应通道结构，用于微型化的化学和生物分析。
不过，当时杉冈幸二主要从事传统激光微纳制造研究，所采用的激光器也主要是紫外波段的纳秒激光器。
于是，杉冈幸二邀请程亚加入其领导的RIKEN研究团队，以程亚在飞秒激光物理方面的研究成果为基础，开展合作研发。
2003年他们初步实现了三维玻璃微通道的可控制备，程亚作为第一作者发表论文[1]。
但飞秒激光内雕制造的主要技术瓶颈是无法制作大尺寸的微反应芯片，因此无法推广到规模化的工业应用。
主要有两个因素：
第一，受限于光学衍射极限，在厚度较大的材料中无法实现高精度聚焦；
其次，由于激光直写技术本身的缺陷，制备效率通常太低，导致无法降低成本。
2006年，程亚回国任职，开始致力于解决上述两个问题，并于2009年提出了一种名为“时空聚焦激光整形”的方法。
他说：“我觉得这是一种特别巧妙的方法，再加上我和团队提出的新型高速直写方案，我们在2012年展示了世界上第一款基于石英玻璃的高性能三维微反应芯片。”此后，课题组开始深入研究这一领域，并启动了此项研究。
（来源：Light:）
“天文规模”
据介绍，该项研究旨在为连续流光化学反应，特别是紫外光波段的连续流光化学反应提供高性能的微反应芯片和微反应器装备。
维生素D3、地屈孕酮等药物及药物中间体具有重要的市场价值，属于高附加值药物。
紫外连续流光化学反应在该类药物的高效、清洁、低碳、安全生产中有着不可替代的优势，在精细化工、储能、生物医药等领域也有着广阔的应用前景。
但紫外线光子的能量较高，会严重损害物质的能力，太阳光中的紫外线同样会导致人类皮肤癌。
因此，很多在可见光下看起来透明的玻璃材料，在受到紫外线照射时，由于吸收了紫外线，就会变得不透明。
对于目前商用的微通道光化学反应器，所采用的材料通常为硼硅酸盐玻璃，其对于300nm以下的深紫外光的透过率极低。
正是由于这个原因，目前市场上的光化学微反应器光源的工作波段仅限于可见光波段。
这使得即使在全球市场上也很难找到高性能、低成本的紫外光化学微反应芯片。
紫外熔融石英在200波段具有很高的透明度，是迄今为止深紫外光化学反应器最理想的基底。
但由于传统加工工艺的限制，目前尚无能够被市场广泛接受的石英基微通道反应芯片。
本次研究他们以维生素D3为研究对象，充分调研了维生素D3的市场规模、目前主要的合成方法以及工业生产中存在的突出问题。
此外，还探讨了深紫外光化学光源的研究现状及发展趋势。
经过这些考察，研究团队基本证实了熔融石英三维微通道反应器与深紫外发光二极管光源联合使用时，在维生素D3的深紫外光化学合成中具有一定的优势。
随后，研究团队选取加压与加热的方式，采用一步法紫外光化学合成法成功生产了维生素D3，并基于三维微通道反应器构建了可控温、可加压的深紫外光化学微反应器体系。
他们通过多种措施并行，保证了深紫外光化学反应的稳定、连续生产，制备的合成产物产率高、效果好，原料转化率高。
（来源：Light:）
“在这期间，作为该篇论文第一作者的博士生张傲东表现出了对科研的专注和热爱。”程亚说。
这颗芯片其实是一个跨尺度的材料制造成果，从微米级的加工精度到10厘米的芯片尺寸，每个维度基本都跨越了5个数量级。
所以从整个三维空间来看，这块芯片所蕴含的焦斑单元数量，大致是10的15次方个，这是一个天文数字。
“最终完成的芯片缺陷数量几乎为零，这是制造技术和工艺的巨大成就，也体现了张傲东的卓越能力。”程亚说。
该论文的共同通讯作者徐建教授是程亚在中国科学院光学精密机械研究所的第一位学生。
“徐建的特点就是做事认真，考虑问题很仔细，在实验方案、设备搭建、加工工艺改进等方面都花了不少心血。”程亚说。
他继续说道：“胡明教授是另一位共同通讯作者，他是化学材料方面的专家。这项研究涉及很多化学反应方面的研究，包括反应机理、反应条件、反应产物分析等，胡明教授都发挥了关键作用。”
最终，论文以“利用超快激光在3D紫外光化学微反应器中高效合成维生素D3”为题发表在Light杂志上[2]。
张傲东为第一作者，程亚、徐建、胡明为共同通讯作者。
图 | 相关论文（来源：Light:）
针对行业实际需求，该研究的后续工作已经启动，并取得了一些重要进展。
同时他们希望继续提高单个反应设备的生产能力，这就需要进一步提高反应效率、提高设备集成化程度、缩小反应器体积。
此外，研究团队还正致力于温度控制与在线检测模块的集成集成研究，并将与合作者一起探索新的深紫外光化学反应体系。
程亚补充道：“将AI技术应用到连续流光化学反应中也是非常令人兴奋的，这将有助于开辟全自动光化学合成的新范式，同时我们的透明芯片也能发挥巨大的作用。”
在薄而透明的芯片中，可以通过光学方法轻松获取大量的反应信息，并且实时、完全可见。
同时，AI技术的发展需要数据支持，可以通过拍摄反应过程或分析实时光谱来获得数据。
针对此，他们也开始了相关的探索，比如在微反应芯片上集成了在线光谱检测模块，可以通过高时间和空间分辨率的光谱技术在线提供反馈信号。
这将优化反应条件，为全自动化人工智能辅助化学合成奠定基础。程亚说：“我们目前正在与人工智能领域的科学家合作推进这一进程，欢迎大家关注我们的新进展。”
参考：
1. RIKEN 50, 101–106 (2003)
2. Zhang, A., Xu, J., Xia, L., Hu, M., Song, Y., Wu, M., & Cheng, Y. (2023). 使用激光在 3D 中分析 D3。arXiv arXiv:2309.04490。
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