CN102847503A - 用于执行自动微波辅助反应的设备及其方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于执行微波辅助反应的设备和相关的方法。所述设备典型地包括：（i）微波辐射源；（ii）腔；（iii）波导件，与微波辐射源和腔微波连通；（iv）至少一个反应釜传感器，用于确定安置在腔内的反应釜的数量和/或类型；（v）界面；以及（vi）计算机控制器。计算机控制器典型地与界面、微波辐射源和反应釜传感器通信。计算机控制器典型地能够响应于安置在腔内的反应釜的数量和/或类型来确定微波辐射源的输出。

Description

用于执行自动微波辅助反应的设备及其方法

技术领域

本发明涉及用于执行自动微波辅助化学和物理反应的设备和方法。 

背景技术

“微波辅助化学”是指使用微波频率内的电磁辐射，以引发、加速或以其它方式控制化学反应。如这里使用的，术语“微波”是指波长在大约1毫米（mm）和1米（m）之间的电磁辐射。相比之下，红外辐射通常被认为具有大约750纳米（nm）至1毫米的波长，可见辐射具有大约400纳米至大约750纳米的波长，紫外辐射具有大约1纳米和400纳米之间的波长。当然，上述各种界限是示例性的而非限制性的。 

自从微波辅助化学商用以来，微波辅助化学已经用于相对剧烈的化学反应，例如在强无机酸中消解样品。微波辅助化学的其它早期商业用途包括（且仍将继续包括）干燥失重分析。最近，商业上可获得的微波辅助设备已经能够促进更复杂的或更精细的反应，包括有机合成和缩氨酸合成。 

在微波辅助化学中，用户通常将特定的变量（例如，微波功率或期望的反应温度）编入微波设备，以确保适当地执行期望的反应（例如，具体的消解或合成反应）。即使在诸如消解的剧烈反应中，仍会根据样品尺寸、容纳样品的釜的尺寸以及釜的数量而改变适当的微波功率和反应温度。此外，不同类型的釜会具有不同的温度和压力性能，其会受到例如不同类型的釜的机械坚固程度和透气性能的影响。 

一般而言，用户必须根据这些变量以及他们自身的判断和经验来选择适当的微波功率，且在一些情况下通过实验方式确定适当的微波功率。 

尽管通过实验方式获得参数会是有用的，但是它也带来了将用户差错引入到微波辅助反应中的可能性。在许多分析技术中，这种引入的差错将始终存在，并反映在不太准确的或不太精确的分析结果中。在其它情况下，例如在需要或产生高温和高压的那些反应中，设备的实验或手动设置的错误会导致实验的失败甚或设备的故障，包括物理损坏。 

作为另一稍不重要的因素，在微波辅助平台中需要反复地输入手动信息或执行手动步骤，这降低了实验的进行速度。在微波技术提供在相对快的基础上执行大量测量的优势（或者在一些情况下满足此需要）的情况下，此延迟会降低工艺效率。举例而言，正在进行的操作的实时分析可能是期望的。因此，在正在被监测的工艺中，越能够实时地鉴别或表征（或者鉴别和表征）样品，就可以越快地执行任何必要的校正，从而使任何没用的或不期望的结果最少化。 

因此，需要一种将用户差错的风险最小化或予以消除以及提高微波辅助化学的效率的微波设备。 

发明内容

在一方面，本发明提供了一种用于执行微波辅助反应的设备，所述设备包括：微波辐射源；腔；以及波导件，与所述微波辐射源和所述腔微波连通。所述设备典型地包括用于确定安置在腔内的反应釜的数量和/或类型的至少一个反应釜传感器。所述设备典型地包括界面（例如，显示器和一个或多个输入装置）。 

所述设备还典型地包括与界面、微波辐射源和反应釜传感器通信的计算机控制器。计算机控制器能够响应于一个或多个特性来调节所述微波辐射源的输出，安置在腔内的反应釜的数量和/或类型以及响应于诸如反应釜内的温度或压力的其它因素，来启动、调节或保持微波辐射源的输出。 

在另一方面，本发明提供了一种执行微波辅助反应的方法。所述方法包括将一个或多个反应釜安置在腔内。典型地，所述反应釜对微波辐射实质上是透明的，其中，所述腔与微波辐射源微波连通。 

所述方法还包括：使用至少一个反应釜传感器检测反应釜的数量和/或类型。在（例如，由用户）选择期望的反应之后，利用微波辐射釜及其容纳物。计算机控制器响应于（i）反应釜的数量和/或类型和（ii）期望的反应来确定微波功率。 

在下面的具体实施方式及其附图中进一步解释了上面说明性的发明内容以及本发明的其它示例性目的和/或优点及其实现方式。 

附图说明

图1示出根据本发明的微波设备的示图。 

图2示出根据本发明的微波设备的一部分。 

图3示出根据本发明的用于操作计算机控制器的示例性方法的流程图。 

图4示出根据本发明的用于操作计算机控制器的另一示例性方法的流程图。 

具体实施方式

在一方面，本发明提供了一种用于执行自动微波辅助反应的装置（例如，设备）。

因此，如在图1中示出的，在一个实施例中，本发明提供了微波设备10，其包括：（i）微波辐射源，在图1中由11所指示的二极管符号示出；（ii）腔12；以及（iii）波导件13，与源11和腔12微波连通。 

微波辐射源11可以是磁控管。也就是说，其它类型的微波辐射源在本发明的范围内。例如，微波辐射源可以是速调管、固态器件或开关电源。在这方面，在共同受让的名称为“Use of Continuously Variable Power in Microwave Assisted Chemistry”（连续可变电源在微波辅助化学中的使用）的第6,084,226号美国专利中描述了开关电源的使用。 

微波设备10典型地包括将微波源11连接到腔12的波导件13。波导件13典型地由这样的材料形成，即，此材料按照将微波传播到腔并防止微波以任何不期望的方式逸出的方式反射微波。典型地，此种材料是适当的金属（例如，不锈钢），除了其用于引导并约束微波的功能之外，还可以根据其成本、强度、可成形性、耐腐蚀性或者任何其它期望的或适当的标准来选择此种材料。 

如在本领域中通常众所周知的，对于特定类型的剧烈反应，例如消解，可以在单个微波腔内的多个单独的反应釜中执行多个反应。因此，微波设备10典型地包括安置在腔12内的转台16。转台16典型地具有多个反应釜安置位。微波设备10可以包括用于确定腔12内的转台的相对位置（即，角位）的旋转编码器。 

各种类型的反应釜14可以放置在微波腔12内。典型地，多个反应釜14可以放置在微波腔12中。反应釜14由对微波辐射实质上透明的材料形成。换言之，反应釜14典型地被设计成透射微波辐射而不是吸收微波辐射。 

适当的微波透明的材料包括（但不限于）玻璃、石英和各种聚合物。在 消解的情况下，工程聚合物或其它高性能聚合物是非常有用的，因为它们可以精确地成形为各种形状，并可以承受在典型的消解反应中产生的温度和压力。在本领域技术人员的知识内，可以很好地选择适当的聚合物材料。示例性的选择包括（但不限于）聚酰胺、聚酰胺-酰亚胺、氟聚合物、聚芳醚酮、自增强聚亚苯基、聚苯砜和聚砜。如果温度和压力要求不是太苛刻，则可以选择具有中等性能的聚合物，可以从聚氯乙烯（PVC）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）、聚酯和其它类似的合成物中选择。在非常低的性能要求的情况下，诸如聚苯乙烯、聚丙烯和聚乙烯的聚合物是可接受的。 

微波设备10典型地配备有用于识别安置在腔12内的反应釜14的物理特性的一个或多个反应釜传感器15。例如，反应釜传感器15典型地确定装载到腔12中的反应釜14的数量和类型。 

可以采用各种类型的反应釜传感器。例如，反应釜传感器可以是光学传感器。在这方面，转台16上的每个釜安置位27可以具有一个或多个孔28（例如，如图2所示）。在图2中示出的微波设备10还包括一个或多个反应釜传感器，其中一个反应釜传感器被示出为反应釜传感器15。具体地讲，图2包括用于检测一个或多个孔28是否被堵塞的一个或多个光学传感器（例如，贯穿光束检测器）。 

基本的贯穿光束传感器包括发射器和单独的接收器。发射器典型地产生光谱中的红外部分或可见部分的光，并且光被相应的接收器检测。如果去往接收器的光束被阻断（例如，被反应釜阻断），则接收器产生切换信号。在称作回射式传感器的另一变型例中，发射器和接收器并入到一个壳体中，并且系统包括使透过的光返回到接收器的反射器。光束路径中的物体再次触发切换操作。作为又一选择，漫反射传感器将发射器和接收器并入在单个壳体中，但在操作中，待检测的物体反射光，所述光对接收器而言足以产生适当的信号。此类设备典型地具有150毫米至多达80米的范围。因此，本领域技术人员可以选择并且并入适当的贯穿光束系统而无需过度的实验。 

典型地，反应釜传感器15定位在腔12内的固定位置处。也就是说，反应釜传感器15可以定位在能够使每个传感器15执行其检测功能（例如，通过检测每个反应釜安置位27处的一个或多个孔28是否被堵塞）的任何适当的位置。 

每个反应釜14可以包括用于堵塞转台16上的一个或多个孔28的一个或多个突出体（例如，定位在反应釜的底部上）。反应釜14上的突出体的数量和位置可以对应于反应釜的类型（例如，尺寸）。反应釜传感器15检测在转台16上的每个反应釜安置位27哪些孔28（如果有的话）被堵塞。因此，反应釜传感器15（例如，光学传感器）可以用于确定定位在转台16上的反应釜的数量和类型。 

在可选的实施例中，可以采用一个或多个条形码读取器来读取指明反应釜的类型的条形码。图1将每个反应釜14示为具有可被反应釜传感器15读取的条形码17。 

在另一可选的实施例中，可以采用一个或多个RFID（射频识别）读取器来读取指明反应釜的类型的RFID标签。例如，每个反应釜可以包括有源的、半无源的或无源的RFID标签。 

在另一实施例中，每个反应釜可以包括标识反应釜的类型的一个或多个灯（例如，发光二极管）。可以使用光电检测器（例如，光电二极管）来检测此类反应釜的存在和类型。 

在其它实施例中，微波设备可以使用微波功率（典型地为低微波功率）来初始加热反应釜。可选地，在将反应釜放置在微波设备中之前，可以加热反应釜。反应釜的该初始加热应当将它们的温度升高到环境气温以上。因此，可以使用一个或多个红外传感器来检测反应釜的存在，由此检测反应釜的数量。再者，每种类型的反应釜典型地具有唯一的红外轮廓。因此，还可以使用红外传感器，以通过将测量的红外轮廓与具体类型的反应釜的预期的红外轮廓进行匹配来确定反应釜的类型。 

如果其它类型的反应釜传感器没有不期望地干扰微波设备的操作，则它们在本发明的范围内。 

在一些实施例中，一个或多个重量传感器18可以安置在腔12内。重量传感器可以用于检测反应釜内的材料的重量（例如，样品重量）。举例而言，重量传感器可以是天平、秤或其它合适的装置。 

微波设备典型地包括界面20和计算机控制器21。 

界面20允许微波设备10的用户指定将由微波设备执行的反应的类型。界面20典型地包括显示器22和一个或多个输入装置23。可以采用任何适当的输入装置，包括例如按钮、触摸屏、键盘、计算机“鼠标”或来自计算机 或个人数字助理的其它输入连接件。显示器22最常见地由受控的或可寻址的液晶显示器（LCD）组形成。也就是说，显示器可以包括阴极射线管（CRT）、发光二极管（LED）或任何其它适当的显示媒介。 

计算机控制器21典型地与界面20、微波辐射源11和反应釜传感器15通信。计算机控制器21还典型地与微波设备内的其它装置（例如，重量传感器和旋转编码器）通信。计算机控制器21典型地用于响应于从传感器（例如，反应釜传感器15）接收的信息来控制（例如，调节）微波（例如，来自微波源11的微波）在微波设备10内的应用，包括启动微波、停止微波或调整微波。在这方面，计算机控制器21典型地包括处理器、存储器和输入/输出界面。控制器和微波处理器的操作在适当的电子领域中通常是众所周知的，并且这里将不再另外地予以详细描述。然而，例如在Dorf的“The Electrical Engineering Handbook”第二版（1997）（CRC出版社）的第79-85章和第100章中阐述了示例性的讨论。 

计算机控制器21包括存储的、根据预定义的方法（例如，算法）的反应釜的数量和类型与执行具体反应（例如，具体的消解反应，比如有机物质的硝酸消解）所需的微波功率之间的关系，如在图1中用24示意性地示出的。计算机控制器21典型地包括（例如，在ROM存储器中）多个预定义的方法，每个预定义的方法涉及具体的反应。这些事先存储的关系能够使计算机控制器21响应于从反应釜传感器15接收的数据（例如，反应釜的数量和类型）调整微波功率。 

其它传感器可以连接到计算机控制器21，从而在反应期间提供反馈信息（例如，反应釜14内的温度和压力）。 

例如，微波设备10可以包括一个或多个压力传感器25。压力传感器25可以包括光学压力传感器。在德国专利DE19710499中公开了示例性的光学压力传感器。 

再举例而言，用于检测反应釜14内的温度的一个或多个温度传感器26（例如，红外传感器（例如，光学高温计））可以安置在微波设备10内。其它类型的温度传感器26（例如，热电偶）也在本发明的范围内。 

典型地，通过将换能器（未示出）设置在反应釜内的或与反应釜邻近的适当位置处，使得釜中产生的压力作用于换能器或者传递到换能器，继而换能器基于此压力而产生电信号，以此来实施压力检测。压力换能器的性质和 操作在本领域中是众所周知的，本领域技术人员可以根据需要选择并安置换能器而无需过度的实验。 

计算机控制器21可以被编入程序，从而响应于此反馈信息（例如，从压力传感器和/或温度传感器接收的信息）进一步调整微波功率。 

举例而言，每个预定义的反应方法可以包括理想的温度信息。例如，预定义的反应方法可以包括理想的温度与时间之间的关系（例如，反应釜内的理想的温度相对于时间的函数）。此外，预定义的反应方法可以包括理想的温度与微波功率之间的关系。计算机控制器21可以将理想的温度与反应釜内测量的温度进行比较。然后，计算机控制器21可以调节微波功率，以使理想的温度与测量的温度之间的差最小化。 

界面20能够使用户选择供微波设备执行的安排好的反应（例如，消解或合成反应）。例如，界面20可以包括具有与具体类型的反应对应的图标的触摸屏界面。此类触摸屏的可用性、安排和使用在本领域中是众所周知的，并且将不再另外地予以详细描述。 

在用户选择期望的反应之后，界面20将此信息传输到计算机控制器21。然后，计算机控制器21选择与用户选择的反应对应的适当的、预先安排好的方法。实际上，用户需要指定的所有事项是期望的反应（例如，触摸用户界面一下）；用户不需要指定由计算机控制器考虑的其它相关变量（例如，反应釜的类型、反应釜的数量和/或反应釜内的温度）。 

在本发明的另一方面，计算机控制器典型地包括学习模式。在学习模式下，计算机控制器确定理想的温度和微波功率之间的预先安排好的关系（例如，理想的温度相对于微波功率的曲线）与用户选择的反应期间温度和微波功率之间的实际关系之间的差异。然后，计算机控制器可以使用理想的关系与实际关系之间的差异（有时称作“误差”）来修改与用户选择的反应对应的预先安排好的方法，从而在后续反应中使此误差最小化。换言之，计算机控制器修改预先安排好的方法，使得后续反应产生的实际温度相对于功率的关系更严格地遵循理想的关系。 

举例而言，学习模式可以用于使微波斜坡结束时的温度误差（即，实际的温度相对于功率的曲线与理想的温度相对于功率的曲线之间的误差）最小化，由此使实际的反应温度处于预定义的、理想的保持温度（或温度范围）的时间最大化，尽管实际的反应温度在预定义的误差界限内。 

每次执行用户选择的反应时，计算机控制器可以被用户设置在学习模式下。因此，可以不断改进预先安排好的方法，从而使得实际的温度相对于功率的曲线与理想的温度相对于功率的曲线之间的差异最小化，因此，随着执行更多的反应，设备更有效地操作。 

图3示出了用于操作计算机控制器21的示例性方法的流程图。首先，在步骤30，界面20向计算机控制器21发送用户选择的反应。接下来，在步骤31，计算机控制器21与反应釜传感器15通信，以确定反应釜的数量和类型。在步骤32，计算机控制器21运行与用户选择的反应相关联的算法。 

在步骤33，计算机控制器21评估算法是否已经完成运行。如果算法已经完成，则在步骤39，控制器21终止方法。如果算法还未完成，则计算机控制器21继续进行，从而在步骤34确定反应釜内的温度（例如，使用温度传感器26）。在步骤35，计算机控制器21计算在测量的温度和理想的温度之间是否存在任何误差。如果存在误差，则在步骤36，计算机控制器21将调节微波功率（例如，通过调节微波辐射源11的输出或通过调整微波在源和腔之间的传输）。 

在步骤37，计算机控制器21评估是否已经启用其学习模式。如果已经启用学习模式，则在步骤38，计算机控制器21调节所存储的温度与微波功率之间的关系，由此在后续反应中减小误差。 

图4示出了用于操作计算机控制器21的另一示例性方法的流程图。首先，在步骤40，界面20向计算机控制器21发送用户选择的反应。接下来，在步骤41，计算机控制器21与反应釜传感器15通信，以确定反应釜的数量和类型。在步骤42，计算机控制器21运行与用户选择的反应相关联的算法。 

在步骤43，计算机控制器21评估算法是否已经完成运行。如果算法已经完成，则在步骤49，计算机控制器21终止方法。如果算法还未完成，则计算机控制器21继续进行，从而在步骤44确定反应釜内的温度（例如，使用温度传感器26）。 

与在图3中示出的方法不同，此方法不包括确定在测量的温度和理想的温度之间是否存在任何误差的步骤。而是，在步骤45，计算机控制器21计算测量的温度是否高于最大可允许的温度。举例而言，最大可允许的温度可以对应于微波斜坡结束时的理想保持温度。可选地，可以在考虑安全性的基础上确定最大可允许的温度。 

如果温度过高，则在步骤46，计算机控制器21将调节微波功率（例如，通过调节微波辐射源11的输出或通过调整微波在源和腔之间的传输）。 

根据本发明的微波设备有助于减小操作员误差，因此提高了执行微波辅助反应的便利性、安全性和效率。 

在说明书和附图中，已经公开了本发明的典型的实施例。本发明不限于这些示例性实施例。术语“和/或”的使用包括一个或多个相关所列的项目的任意和所有组合。附图是示意性图示，因此未必是按比例画出的。除非另外指出，否则特定的术语以普通的且描述性的意思来使用，而不是出于限制的目的。 

Claims (15)

1.一种用于执行微波辅助反应的设备，所述设备包括：

微波辐射源；

腔；

波导件，与所述微波辐射源和所述腔微波连通；

至少一个反应釜传感器，用于确定安置在所述腔内的反应釜的数量和/或类型；

界面；以及，

计算机控制器，与所述界面、所述微波辐射源和所述反应釜传感器通信，所述计算机控制器能够响应于一个或多个特性来调节所述微波辐射源的输出，所述一个或多个特性选自于由所述反应釜传感器确定的安置在所述腔内的反应釜的数量、所述腔内的反应釜的类型、反应釜内的温度和反应釜内的压力组成的组。

2.根据权利要求1所述的用于执行微波辅助反应的设备，所述设备还包括：至少一个温度传感器，与所述计算机控制器通信，用于检测安置在所述腔内的反应釜内的温度。

3.根据权利要求2所述的用于执行微波辅助反应的设备，其中：

所述计算机控制器包括存储的、反应釜内的理想的温度与执行一个或多个反应所需的微波功率之间的关系；以及，

响应于从所述温度传感器接收的温度数据，所述计算机控制器调节存储的、反应釜内的理想的温度与执行一个或多个反应所需的微波功率之间的关系，以减小理想的温度与测量的温度之间的差异。

4.根据权利要求1所述的用于执行微波辅助反应的设备，所述设备还包括：至少一个压力传感器，与所述计算机控制器通信，用于检测安置在所述腔内的反应釜内的压力。

5.根据权利要求1所述的用于执行微波辅助反应的设备，所述设备还包括：转台，安置在所述腔内，所述转台限定多个反应釜安置位；

其中，所述转台在所述反应釜安置位中的至少一个反应釜安置位限定多个孔；以及，

其中，所述反应釜传感器包括用于检测一个或多个孔是否被反应釜堵塞的至少一个光学传感器。

6.根据权利要求1所述的用于执行微波辅助反应的设备，所述设备还包括：至少一个重量传感器，用于检测反应釜内的样品重量。

7.根据权利要求1所述的用于执行微波辅助反应的设备，所述设备还包括：反应釜，对微波辐射实质上是透明的；

其中，所述反应釜包括条形码；以及，

其中，所述反应釜传感器包括至少一个条形码读取器。

8.根据权利要求1所述的用于执行微波辅助反应的设备，所述设备还包括：反应釜，对微波辐射实质上是透明的；

其中，所述反应釜包括射频识别标签；以及，

其中，所述反应釜传感器包括至少一个射频识别读取器。

9.根据权利要求1所述的用于执行微波辅助反应的设备，其中，所述计算机控制器包括从由以下关系组成的组中选择的一个或多个存储的关系：反应釜的数量与执行一个或多个反应所需的微波功率之间的关系，以及反应釜的类型与执行一个或多个反应所需的微波功率之间的关系。

10.一种执行微波辅助反应的方法，所述方法包括下述步骤：

将一个或多个反应釜及其容纳物安置在腔内，所述反应釜对微波辐射实质上是透明的，其中，所述腔与微波辐射源微波连通；

使用反应釜传感器识别反应釜的物理特性；

选择期望的反应；

在响应于期望的反应和所识别的反应釜的物理特性利用计算机控制器控制微波功率的同时，利用微波辐射釜及其容纳物。

11.根据权利要求10所述的执行微波辅助反应的方法，其中：

识别反应釜的物理特性的步骤包括使用至少一个反应釜传感器检测一个或多个特性，所述一个或多个特性选自于由反应釜的数量和反应釜的类型组成的组；

利用微波辐射釜及其容纳物的步骤包括：响应于期望的反应和所检测的反应釜的数量和/或类型，利用计算机控制器控制微波功率。

12.根据权利要求11所述的执行微波辅助反应的方法，所述方法还包括：监测反应釜内的温度；以及响应于监测的温度调节微波功率。

13.根据权利要求12所述的执行微波辅助反应的方法，所述方法还包括：存储反应釜内的理想的温度与执行一个或多个反应所需的微波功率之间的关系，所述关系存储在计算机控制器中。

14.根据权利要求13所述的执行微波辅助反应的方法，其中，监测反应釜内的温度的步骤包括：响应于监测的温度，调节所存储的、反应釜内的理想的温度与执行一个或多个反应所需的微波功率之间的关系，从而有助于减小理想的温度与监测的温度之间的差异。

15.根据权利要求11所述的执行微波辅助反应的方法，所述方法还包括：监测反应釜内的压力；以及响应于监测的压力调节微波功率。

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