光反应仪电路原理

摘要近日康宁AFR欧洲技术团队，基于紫外-可见光下(E)-偶氮苯的光异构化，开发了一种高效、低成本的多波长化学光量测量方法。由量子产率估算和1H NMR核磁共振分析表明，对于从紫外光到可见光范围的各种波长，结果都非常准确。研究者还通过对光化学反应器中光子通量密度的测定，核算N2-苯腙在405nm波长下的量子产率，对该方法进行了验证。小贴士量子产率：每吸收一个量子所产生的反应物的分子数，通常是对于特定的波长而言，即量子产率=（生成产物的分子数）/（吸收的量子数）。量子产率是进行光化学学动力学研究的重要参数。光子通量密度：表示单位时间单位面积上在特定波长范围内入射的光量子数。背景相对于批次间歇反应釜，连续流光化学反应器具有持液体积小、透光均匀、反应安全且重现性好等优点。随着单色度高、寿命长且能耗低的LED光源的发展，市场上涌现出了新一代高效的连续流光化学反应器，产能通量包括从实验室级（克/小时）到工业生产级（吨/天）。在上述背景下，为了量化通过光反应器的光子通量密度，帮助理解光化学反应机理，并能精确地描述光反应器在生产率变化时如何随时间变化和操作，迫切需要开发低成本和多功能的光量测量方法。然而，现有方法大多数都是基于昂贵的光量光度计和繁琐的程序，且极少有测定连续流微通道光化学反应器中接收光子通量密度的光量测量方法被报道。研究过程：一、理论模型与结果化学家们曾研究了大量一级光化学反应物质，这些物质在光的诱导下转化为另一种物质的速率可以被精确测量，并与入射的绝对光子通量密度相关联。在这类光化学反应体系中，光子被反应物R和产物P以不同的摩尔消光系数吸收，吸光度随时间而变化。作者在前人的研究基础上，建立了理论模型。并考虑到康宁Lab光化学反应微通道的几何形状，呈现了两个垂直于光源的平行壁，由于光路在通道的每个点上都是恒定的，到光源的距离也是固定的和恒定的。利用康宁连续流光学反应器来研究化学光量测量方法所面对的主要问题，是要对康宁微通道反应器的玻璃模块的玻璃层和换热层的光透射进行修正。图1.康宁LAB光化学反应器剖面图2017年，作者的团队报道了一种简单的方法，在溶剂中使用偶氮苯作为一种方便的光度计。该方法的主要优点在于偶氮苯的成本低和使用核磁共振作为一种定量光谱技术来简化动力学测量。图2. 偶氮苯的光异构化研究者展示了应用此方法在具有四个不同波长(365、385、405和475nm)的康宁Lab光化学反应器进行光量测量，并给出了数据和拟合结果（以405 nm为例）：图3.康宁Lab光化学反应器中405 nm下的化学光量测量结果特定波长下（405nm），反应路径内的光子通量密度与光强之间的拟合公式如下：【编者语】康宁反应器不只是应用于工艺开发或者工业化生产，也适用于化学研究领域。不管是动力学理论研究，新的测量方法研究，还是新化合物的发明与发现，康宁反应器都有可能是您的得力助手。二、方法应用与验证：为了证明这种方法在连续流光化学反应动力学研究中的适用性，作者按照本文方法重新计算了isatin N2-phenylhydrazone的光量子产率（已知最近的文献中其光化学量子产率（ΦZ ≈ 1 × 10–3））。图3. 康宁实验室光化学反应器。前面铝箔覆盖包裹避免自然光照图4. isatin N2-phenylhydrazone 405nm异构化的光动力学研究 考虑到康宁Lab光化学反应器的通道极细(0.4mm)，为了保证足够的量进行1H NMR分析，浓度增加到2×10−3mol.L−1。在上述浓度条件下，吸收约为99% (ε z=12270L.mol−1.cm−1)，光子几乎全部吸收，可以通过核磁共振波谱进行非常精确的测量。由于康宁Lab光化学反应器中良好的传热性能，温度可以保持在20°C，因此可以忽略热异构化的影响。由于Z-构型的氢键，E和Z异构体的浓度可以轻易的通过1H NMR进行定量。利用长停留时间确定了光静止状态。(Z)-异构体的甲醇溶液在405nm的不同停留时间照射，光功率为100%。 图5.isatin N2-phenylhydrazone的光异构化反应EPSS（0.20）被用作一个参数来绘制图ln (EPSS−E) 与时间的关系，它与相关系数表现出线性关系并具有良好的平方相关系数(R2=1.00) 。该图的斜率(0.070s−1)对应于公式：通过公式换算可以很容易的计算出量子产率ΦZ(1.1 × 10–3)，这一数据与文献数值非常接近。结果与讨论康宁欧洲技术团队开发的此光量测量方法为应用连续流光化学反应器进行光反应动力学研究提供了参考。鉴于此方法安全、简单易操作，它的应用可以扩展到更大规模的连续流光反应器(如康宁G1和G3光化学反应器)中作为例行分析测试手段。参考文献：Photochemical & Photobiological Sciences. 8 January 2022康宁光化学反应器宁高通量微通道光化学反应器（Advanced-Flow Photo Reactor），拥有透光率高、耐高温、耐高压、光强度大、光源纯净，控温精准、无放大效应等特点，在光化学反应中有独特的技术优势和广泛的应用前景。此外，康宁光化学反应器可以与在线NMR结合，对反应工艺参数进行快速筛选，有效地提升新分子的探索和工艺优化的过程。

在科研和工业生产中，电炉是不可或缺的重要设备。其中，1200℃单双温区开启式真空气氛管式电炉因其高精度、高效率的工作特点，被广泛应用于各种高温实验和材料制备。那么，这种电炉是如何工作的，它又具备哪些优势呢?接下来，让我们一起深入了解。　　1200℃单双温区开启式真空气氛管式电炉的工作原理涉及到多个方面。在加热原理上，电炉主要依靠电力产生热量，通过高温电阻丝将电能转化为热能。这种方式的优点是能量转化效率高，加热速度快。在温度控制方面，电炉采用了先进的PID温度控制系统，可以实现对温度的精确控制。同时，由于采用先进的智能芯片控制，温度波动小，精度高。气氛控制是这种电炉的另一大特点。通过向炉内通入特定的气体，可以创造出不同的气氛环境，如还原性、氧化性或中性气氛，以满足不同实验和材料制备的需求。　　1200℃单双温区开启式真空气氛管式电炉的优势有哪些呢?首先，其加热速度快，可以在短时间内达到高温，且温度均匀性非常好。这大大缩短了实验时间，提高了工作效率。其次，由于采用了先进的智能控制系统，电炉的操作非常简便。用户只需设定温度和时间等参数，电炉即可自动完成实验过程。此外，这种电炉还具有高可靠性和长寿命的特点。由于其内部采用优质材料和精密制造工艺，电炉的使用寿命长，可靠性高。　　1200℃单双温区开启式真空气氛管式电炉还具有多种安全保护功能。例如过温保护、过流保护等，确保实验过程的安全可靠。　　1200℃单双温区开启式真空气氛管式电炉以其高效、精确、安全的特点，成为科研和工业生产中的重要工具。无论是材料合成、化学反应还是高温烧结等应用场景，这种电炉都能提供出色的性能表现。随着技术的不断进步和应用需求的增加，我们有理由相信，未来的1200℃单双温区开启式真空气氛管式电炉将会更加智能化、高效化、安全化，为科研和工业生产带来更多的便利和可能性。

夏季的夜晚，走到山间草丛，可以看到一种昆虫提着一盏灯在飞行，这就是萤火虫在发光。萤火虫体内的荧光素酶催化底物荧光素，发生化学反应，产生光子。这也是大家比较熟悉的，在动物活体生物发光成像当中运用到的反应原理。通过利用该原理，配合上转基因技术及动物活体成像系统，我们可以非侵入性和纵向研究小动物的基因表达、蛋白质-蛋白质相互作用、肿瘤学机制和抗肿瘤药物药效及动力学和疾病机制等；相比于传统研究手段，这种方法通过在动物整体水平上进行研究，能提供更多有用的信息，同时大幅减少实验研究所需的动物数量和降低个体间的差异。萤火虫荧光素酶反应的示意图(a)、荧光素酶以报告基因的形式进入细胞核，并翻译成功能性酶。该酶将底物荧光素、氧(O2)和三磷酸腺苷(ATP)转化为氧荧光素、二氧化碳(CO2)和二磷酸腺苷(ADP)，同时发光。(b)、萤火虫底物D-荧光素及其产物氧合荧光素的化学结构。 那么问题来了，自然界会发光的生物除了有萤火虫，还有鱼类、藻类、植物和细菌等，这些生物的发光原理是否也和萤火虫一样呢？这些发光原理能否运用到动物活体成像研究中呢？今天，小编就为大家介绍另外一种生物发光原理—细菌发光及其在动物活体成像中的应用。细菌荧光素酶对于细菌的生物发光现象，早在1875年就被发现了，研究人员Boyle首先揭示了细菌发光对氧气的依赖。而随着研究的深入，研究人员发现细菌发光涉及到的酶有荧光素酶、脂肪酸还原酶和黄素还原酶，以及底物还原性黄素单核苷酸和长链脂肪醛。在发光细菌中发现的一种操纵子，基因顺序为luxCDABEG，其中luxA和luxB基因分别编码细菌荧光素酶α和β亚基，luxC、luxD和luxE基因分别编码合成和回收荧光素酶醛底物的脂肪酸还原酶复合物的r、s和t多肽，luxG编码黄素还原酶。到目前为止所知的所有发光细菌，都是基于细菌荧光素酶介导的酶反应来产生光。这是一种大约80kDa的异二聚体蛋白，与长链烷烃单加氧酶具有同源性。该酶通过以下反应介导O2氧化还原的黄素单核苷酸(FMNH2)和长链脂肪族(脂肪)醛(RCHO)，以产生蓝绿光。细菌荧光素酶介导的酶反应1细菌发光明场图2细菌发光发光图细菌发光反应过程在发光反应中，FMNH2与酶结合，然后与O2相互作用，形成黄素-4A-过氧化氢。这种复合物与醛结合形成一种高度稳定的中间体，其缓慢的衰变导致FMNH2和醛底物的氧化和发光，反应的量子产率估计为0.1-0.2个光子。该反应对FMNH2具有高度特异性，体内的醛底物可能是十四醛。FMNH2是由NADH：FMN氧化还原酶(黄素还原酶)提供，该酶从细胞代谢(如糖酵解和柠檬酸循环)中产生的NADH中提取还原剂，还原剂通过自由扩散从FMNH2向荧光素酶的转移。长链醛的合成是由脂肪酸还原酶复合物催化。与细菌荧光素酶一样，底物FMNH2和长链脂肪醛也是细菌发光反应的特异性底物；真核生物生物发光使用不同的化学物质和荧光素酶，它们在蛋白质或基因序列水平上与细菌荧光素酶不同。细菌中的荧光素酶反应过程细菌发光原理在动物活体成像中的应用目前，细菌发光原理在动物活体成像研究中的应用有：传染病研究、菌种抗药性测试及细菌介导的肿瘤治疗等。通过将luxCDABE操纵子稳定地整合到不同的细菌基因结构中，不需要任何其他外源底物(除了氧)来产生生物发光，再通过一套超灵敏的动物活体成像系统(AniView 100)，为监测细菌物种感染负担、致病机理研究和肿瘤药物靶向治疗等提供了一种快速便捷的研究检测方法。AniView 100检测减毒鼠伤寒沙门氏菌体内靶向性肿瘤情况(箭头指向为肿瘤)应用说明如以细菌介导的肿瘤治疗为例，传统的癌症治疗方法是手术切除，治疗转移性癌症还需要与其他疗法(如放疗或化疗)相结合。这些疗法存在局限性，如放疗的疗效主要取决于组织氧水平，肿瘤内坏死区和缺氧区低氧浓度是治疗失败的常见原因；而化疗的疗效主要取决于药物的分布，肿瘤内坏死区和缺氧区的血管不规则会影响药物的输送，限制药物的疗效。与传统方法相比，使用细菌进行癌症治疗有以下优势：首先，细菌会在肿瘤中选择性积累，肿瘤中的细菌聚集量大约是正常器官的1000倍，肿瘤特有的坏死区和缺氧区一般不会在大多数器官中形成。其次，细菌的增殖能力使得它们可以进行持续治疗；最后，许多细菌的全基因组测序已经完成，能够通过基因组操作提高它们在人类使用中的安全性，并增强其杀瘤效果。目前，细菌介导的肿瘤治疗广泛应用于DNA或siRNA的传递、运送经工程改造的毒素或前药物和触发机体免疫反应，进而达到抑制或杀灭肿瘤细胞、起到抗击肿瘤的作用。应用案例 静脉注射3天后，表达lux的鼠伤寒沙门氏菌在各种肿瘤中积聚。CT26：小鼠结肠癌，4T1：小鼠乳腺癌，MC38：小鼠结直肠腺癌，TC-1：小鼠肺癌,Hep3B：人肝细胞癌，ARO：人甲状腺癌，ASPC1：人胰腺癌应用案例 携带受L-阿拉伯糖诱导启动子pBAD表达系统控制的细胞毒蛋白(溶细胞素A)、表达lux报告基因的减毒鼠伤寒沙门氏菌，用于肿瘤治疗。总结利用生物发光原理进行动物活体成像，目前主要有两种方式。一种是使用萤火虫荧光素酶，最适合在哺乳动物细胞中表达；另外一种是细菌荧光素酶，广泛应用于原核生物。细菌Lux操纵子由于编码生物发光所需的所有蛋白质，包括荧光素酶、底物和底物生成酶，不需要外源底物，成像更加的方便，不需要像萤火虫荧光素酶一样，考虑ATP的可用性、底物分子的渗透、药代动力学和生物分布等对成像的影响。但是，细菌荧光素酶的发射波长较短(490nm)，组织吸收较大，这会影响成像数据的量化；而且，对于某些真核微生物(包括真菌和寄生虫)和真核细胞，仍然需要使用萤火虫荧光素酶标记，原因在于lux报告基因没有得到足够的优化，还不能在真核细胞中稳定表达。不过由于细菌荧光素酶和萤火虫荧光素酶的发射波长不同，从而可以进行多光谱成像，用于同时定量评估小动物的不同生物过程，进一步扩展生物发光原理在动物活体成像中的应用。TipsAniView 100多模式动物活体成像系统 AniView 100多模式动物活体成像系统作为广州博鹭腾生物科技有限公司推出的高灵敏度动物活体成像系统，其采用全密闭抗干扰暗箱，避免外界光源及宇宙射线对拍照影响的同时，配合零缺陷、科研级高灵敏背部薄化、背部感应型冷CCD相机，极大地提高成像的灵敏度。AniView 100可以检测到100个luciferase标记细胞，对于动物活体细菌荧光素酶的生物发光信号，无论是在皮下或器官，均可以轻易检测到。快来关注我们，申请免费试用！参考文献1、Hastings JW. Cell Physiology Source book 2012.2、Nguyen V H et al. Cancer Research, 2010, 70(1):18-23.3、 Nguyen V H et al. Nuclear Medicine & Molecular Imaging, 2016.4、 Dunlap P . ADVANCES IN BIOCHEMICAL ENGINEERING BIOTECHNOLOGY, 2014.5、Keyaerts Marleen et al. Trends in molecular medicine,2012,18(3).6、 Nathan K. Archer et al. Springer International Publishing, 2017.7、Doyle T C et al. Cellular Microbiology, 2004, 6(4):303-317.8、Avci P et al. Virulence.