半透明塑料管道内同步原位拉曼与荧光光谱检测的夹持式适配器开发及应用

《ANALYTICAL AND BIOANALYTICAL CHEMISTRY》：Clip-on adapter for simultaneous inline Raman and fluorescence spectroscopy inside semitransparent plastic pipes

本研究针对微流控反应器中实时过程分析的技术难题，开发了一种可夹持在半透明PFA管道上的多功能适配器，实现了原位同步拉曼与荧光光谱监测。通过优化探头工作距离（dw=3 mm）和积分时间（Tint=1 s/150 ms），成功应用于植物油混合物分析和乙酸乙酯酯化反应监控，为过程分析技术（PAT）提供了灵活、低成本的解决方案。

　　

在化学合成和制药工业中，微流控反应器正逐渐取代传统的间歇式反应器，因其具有混合效率高、温度控制精准、安全性好等优势。然而，如何实时监测反应过程、快速识别中间体和副产物，成为制约其发展的关键瓶颈。过程分析技术（PAT）虽能通过光谱手段实现原位监测，但现有检测系统通常需侵入式探头或专用流动池，不仅成本高、灵活性差，还可能影响流体流动特性。

为解决这一难题，德国慕尼黑工业大学与奥地利CHASE GmbH合作团队在《Analytical and Bioanalytical Chemistry》发表研究，开发了一种创新型夹持式适配器，可直接安装于标准半透明PFA管道（外径6.35 mm）上，实现非接触式原位拉曼与荧光同步监测。该设计突破传统流动池的限制，使光谱探头能灵活部署于流程任意位置，为连续流化学反应提供前所未有的监测自由度。

关键技术方法包括：①通过工作距离优化实验确定最佳探头定位（d_w=3.0–3.5 mm）；②利用532 nm激光同步激发拉曼散射（反射模式检测）与荧光信号（90°角度检测）；③采用异步加权惩罚最小二乘法进行光谱基线校正；④通过乙酸乙酯合成模型验证系统在真实反应环境中的性能。

适配器设计与性能表征

适配器采用阳极氧化铝材质，通过四颗M3螺丝固定于管道。核心创新在于集成两个检测通道：径向布置的拉曼探头（Raman probe）与正交布置的荧光采集光纤（SMA 905）。测试表明，在PFA管道中测得的乙醇拉曼信号强度为石英管的67±1.1%，虽信号有所衰减，但避免了石英材料在腐蚀性环境中的局限性。图1清晰展示了适配器的模块化结构，其机械精度确保重复拆装不影响测量重现性。

测量参数优化

以橄榄油为模型样品，研究发现流速显著影响荧光信号强度：静止状态下因光漂白效应导致信号骤降，而流速提升至4 mL/min时，675 nm处叶绿素特征峰强度增加6倍（图4）。拉曼检测则需平衡积分时间（t_Raman=1 s）与荧光背景干扰，通过基线校正有效提取出888 cm^-1（乙醇）和789 cm^-1（乙酸乙酯）等特征峰。图2所示的信号比优化曲线为不同应用场景的参数设置提供理论依据。

植物油混合物的原位分析

通过葵花籽油-橄榄油体系验证多模态传感优势：拉曼光谱中1160 cm^-1和1527 cm^-1处的β-胡萝卜素特征峰可定量橄榄油含量（检测限20% v/v），而1657 cm^-1/1440 cm^-1峰强比反映不饱和/饱和脂肪酸比例（图6）。荧光通道则对叶绿素敏感，在低浓度区（<50%橄榄油）呈线性响应，高浓度时因自淬灭效应达平台期（图7）。两种技术互补覆盖全浓度范围，为食品掺假检测提供新思路。

微流控反应器中的反应监测

在乙酸乙酯酸催化酯化反应中，系统成功追踪不同停留时间（5–30 min）和温度（T₁=80–200°C）下的产物生成（图8、9）。当T₁=200°C、停留时间5 min时，产率高达81%，显著优于低温条件（28%）。拉曼光谱中789 cm^-1特征峰强度与产物浓度的线性关系（图S9），证明该系统可用于反应动力学研究和工艺优化。

本研究开发的夹持式适配器突破传统原位监测设备的空间限制，通过正交光谱传感策略显著提升过程分析的可靠性。虽然PFA管道的信号衰减限制其痕量检测能力，但对于微流控反应器中主成分监测需求已足够。该设计为PAT技术提供标准化接口，未来可通过集成多波长荧光激发或压力/温度传感器进一步扩展功能。其模块化特性尤其适合分布式监测网络构建，为智能化工生产奠定技术基础。