CN108918899B - 一种化学反应的高通量筛选系统、装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种化学反应的高通量筛选系统、装置和方法，高通量筛选系统包括反应器、检测器和至少两个进样模块。所述进样模块用于进样试剂溶液，将所述试剂溶液通过流道输出给反应器；在前后两次输出试剂溶液之间，输出隔离剂给反应器，以将前后两次输出的试剂溶液在反应器内隔离；所述反应器用于为所述至少两个进样模块输出的试剂溶液的化学反应提供场所。各种试剂溶液可实现连续、自动化输送，效率高，实现了化学反应的自动化高通量筛选。不同反应以隔离剂隔离，避免相互影响，同时隔离剂还有清洗流道的作用。整套高通量筛选系统密封性好。

Description

一种化学反应的高通量筛选系统、装置和方法

技术领域

本发明涉及有机合成化学领域，具体涉及一种化学反应的高通量筛选系统、装置和方法。

背景技术

有机合成是指从较简单的化合物或单质经化学反应合成有机物的过程。有时也包括从复杂原料降解为较简单化合物的过程。有机合成作为有机化学的基础，是创造新分子的主要手段和工具。100多年来，有机化学家合成了成千上万的药物，农药，香料，染料以及其他形形色色的有机功能分子，使得有机合成产业迅速崛起，也推动了众多与国民经济和人民日常生活密切相关产业的迅速发展。有机合成化学向人们展示出无比诱人的前景，成为有机化学中最活跃和最富有生命力的分支学科。

有机合成化学的一项核心内容是发展各种各样的化学反应，以简洁高效的手段构建所需的分子。有机化学反应一般是通过两种方式发展的：一种是假说法，以现有的相关反应和机理研究为基础，然后提出一个合理的机理假说，进而在机理假说建议的催化剂，试剂溶液，反应条件下进行实验看是否能得到预期的产物。然而，机理假说一般是过于简单的，有时候在进一步的研究之后发现机理假说本身就是错误的。因此可能需要不断的提出假说，验证，推翻，再提出新假说这样一个循环过程。这也是大多数化学反应被发现的方式。另一种是偶然发现，有时在实验过程中发现一种奇怪的现象或是检测到一种新物质，进而探索发现是一种新的化学反应。过去也有很多新的化学反应发现于偶然，和最初的由机理假说进行的试验设计毫无关系。这种意外收获一定程度上可以用概率来解释，那么系统全面的进行大量实验增加了样本数，进而增加新反应发现的可能性。很多合成科学家也认识到了这种系统全面的进行化学反应筛选对发现新反应的潜力。(MacMillan.Science.2011,334,1114.)

就第一种方式而言，机理假说建议的反应物、催化剂、配体、溶剂等往往有多种，再考虑到它们之间的组合，需要进行实验的数目是相当大的；第二种方式的系统筛选则要面对数量更为庞大的反应体系。以一个简单的二组分催化反应体系来说明：假设二组分可能的反应物各有10种，可能的催化剂和配体的组合有10种，溶剂有5种，那么将会产生多达5000种反应组合数，而实际反应体系往往更复杂，可能的反应物和催化剂体系往往更多。

因此迫切需要一种微型化、自动化、高速化的系统或平台帮助或代替传统的合成方法进行化学反应开发，即进行高通量筛选。反应微型化可以用较少的物料实现庞大数量的反应，节省资源和成本，同时也符合绿色化学的要求；反应自动化可以解放双手节省人力，避免了人为的误差，同时也保护操作人员免受有毒试剂溶液的毒害；高速化则可以加快新化学反应的发现，节约时间成本，加快研发的进程。另外，还要考虑平台的操作简易性和经济性，因为只有这样，才能对大多数合成工作者有切实的帮助：

近年来，高通量筛选在有机化学领域取得了巨大的发展。在反应器微型化、筛选反应的广度、自动进样、数据快速获取及分析上都有明显的进步。代表性的是基于96孔板反应器(Beeler.J.Am.Chem.Soc.2007,129,1413.；MacMillan.Science.2011,334,1114.；Hartwig.Science.2011,333,1423.)的平行筛选策略，即在一块基板上制作8*12个可以进行化学反应的微小反应池，使用时利用微量注射器对各个反应池平行加样，然后将含有96个平行反应的96孔板置于某一反应条件(高温，光照等)下适当时间，反应完成后采用光谱或质谱对反应结果进行检测和分析。

2014年，Merck实验室开发了一种性能更强大的筛选系统(Santanilla.Science,2015,347,49.)。他们将多孔反应器扩大到1536孔，利用智能机器人自动、快速、精确加样，筛选速度每天高达1536个反应体系。并且将反应体系进一步缩小，每个反应池的试剂溶液用量可以减小至0.02mg，大大减少了试剂溶液用量，节约成本的同时有效的减少了环境污染。

但是基于多孔板反应器的筛选系统存在一些限制它广泛使用的瓶颈：a.就加样系统而言，采用微量注射器手动加样大大降低了筛选速度，采用机器人加样系统却使筛选成本大大增加；b.就反应系统而言，开放式的多孔反应池让对水氧敏感的反应无法进行，并且开放式的反应池有可能使有机溶剂挥发阻碍反应进行，有害物质扩散危害操作人员健康；另外多孔反应器体积较小，难以采用传统合成方式中的搅拌等强化传质传热手段，使得单块板的反应时间较长，通常高达20个小时。

因此，如何改进加样系统和反应系统，使得筛选系统加样速度快且成本低、提高反应器密封性、加快反应传质传热，对高通量筛选平台的广泛使用和潜力发挥具有重大的研究意义和价值。

发明内容

本发明旨在提供一种化学反应的高通量筛选系统、装置和方法，能实现化学反应的自动化高通量筛选。

根据本申请的第一方面，本申请提供了一种化学反应的高通量筛选系统，包括：

至少两个进样模块，所述进样模块用于进样试剂溶液，将所述试剂溶液通过流道输出给反应器；在前后两次输出试剂溶液之间，输出隔离剂给反应器，以将前后两次输出的试剂溶液在反应器内隔离；

反应器，用于为所述至少两个进样模块输出的试剂溶液的化学反应提供场所；所述反应器包括一个出样接口和至少两个进样接口，所述出样接口用于与检测器连通；所述进样接口与一个进样模块连通。

所述的高通量筛选系统，其中，所述进样模块包括：

吸入子装置，用于通过多通阀进样器吸取试剂溶液；

存储有隔离剂的注射子装置，用于将隔离剂、多通阀进样器中的所述试剂溶液输出给反应器；

多通阀进样器，至少包括定量环、第一进样口、第二进样口、第三进样口、第四进样口、第五进样口和第六进样口；第一进样口与所述注射子装置管道连接，第三进样口与所述吸入子装置管道连接，第四进样口用于进样试剂溶液，第六进样口与所述反应器的一个输入端管道连接，第二进样口通过定量环与第五进样口连接；

所述多通阀进样器工作时包括两种连通模式：第一连通模式和第二连通模式；所述第一连通模式中，第一进样口与第六进样口连通，第二进样口与第三进样口连通，第四进样口与第五进样口连通；所述第二连通模式中，第一进样口与第二进样口连通，第三进样口与第四进样口连通，第五进样口与第六进样口连通。

所述的高通量筛选系统，其中，所述进样模块还包括多位阀，所述多位阀包括多个进口端，每个进口端用于与一盛装试剂溶的容器连通，所述多位阀的出口端与所述第四进样口管道连接；所述多位阀通过档位调换使所述出口端同时只与一个进口端连通。

所述的高通量筛选系统，其中，所述进口端通过管道与一连接件的一端连接固定，所述连接件的另一端与一进样针连接固定。

所述的高通量筛选系统，其中，所述进样模块还包括底座和驱动机构；所述底座用于固定所述连接件；所述驱动机构用于驱动底座在多排试剂溶液容器上方沿水平方向、竖直方向移动。

所述的高通量筛选系统，其中，还包括控制器，所述控制器用于控制所述多通阀进样器连通模式切换和所述多位阀档位调换；将所述多通阀进样器调整到第一连通模式；将所述多位阀档位调换到一进口端与所述出口端连通；开启所述吸入子装置，吸入子装置通过与所述出口端连通的进口端吸入对应的试剂溶液，使所述试剂溶液充满定量环；将所述多通阀进样器调整到第二连通模式；开启所述注射子装置，以将定量环内的试剂溶液注射到反应器，定量环内的试剂溶液注射完后，注射一定量的所述隔离剂到反应器；将所述多位阀档位调换到另一进口端与所述出口端连通，开始另一路试剂溶液的进样。

所述的高通量筛选系统，其中，所述多通阀进样器为六通阀进样器；所述多位阀为10位选择阀，包括10个进口端和1个出口端；所述反应器包括微流控芯片或微米级管路线圈；所述吸入子装置包括吸入泵；所述注射子装置包括注射泵。

所述的高通量筛选系统，其中，还包括用于对所述化学反应完成后的产物混合溶液进行在线检测的检测器。

根据本申请的第二方面，本申请提供了一种化学反应的高通量筛选装置，包括如上所述的高通量筛选系统。

根据本申请的第三方面，本申请提供了一种基于所述高通量筛选系统的高通量筛选方法，包括如下步骤：

至少两个进样模块进样试剂溶液，并将所述试剂溶液通过流道输出给反应器；在前后两次输出试剂溶液之间，输出隔离剂给反应器，以将前后两次输出的试剂溶液在反应器内隔离；

至少两个进样模块输出的试剂溶液在反应器内混合发生化学反应；

检测器对所述化学反应完成后的反应液进行在线检测。

本发明的有益效果是：

本发明提供一种化学反应的高通量筛选系统、装置和方法，包括反应器、检测器和至少两个进样模块。所述进样模块用于进样试剂溶液，并将所述试剂溶液通过流道输出给反应器；在前后两次输出试剂溶液之间，输出隔离剂给反应器，以将前后两次输出的试剂溶液在反应器内隔离；所述反应器用于为所述至少两个进样模块输出的试剂溶液的化学反应提供场所。至少两个进样模块输出的试剂溶液在反应器内混合发生化学反应，之后进样模块输出隔离剂，进而再输出种类或配比不同的其他试剂溶液到反应器，进行化学反应，各种试剂溶液可实现连续、自动化输送，效率高，实现了化学反应的自动化高通量筛选。不同反应以隔离剂隔离，避免相互影响，同时隔离剂还有清洗流道的作用。整套高通量筛选系统密封性好。

附图说明

图1为本发明提供的高通量筛选系统的结构框图；

图2为本发明提供的高通量筛选系统一实施例的结构示意图；

图3为本发明提供的高通量筛选系统中，进样模块的结构示意图；

图4为本发明提供的高通量筛选系统中，六通阀进样器工作在第一连通模式时的示意图；

图5为本发明提供的高通量筛选系统中，六通阀进样器工作在第二连通模式时的示意图；

图6为本发明提供的高通量筛选系统中，微流控芯片的结构示意图；

图7为本发明提供的高通量筛选系统中，微流控芯片中试剂溶液区段脉冲式分布示意图；

图8为本发明提供的高通量筛选系统中，电喷雾质谱得出的校正物LE检测结果示意图；

图9为本发明提供的高通量筛选系统中，电喷雾质谱得出的校正物LE质谱信号实时监测图；

图10为本发明提供的高通量筛选系统中，用已知反应验证实验中，两个样品池的样品示意图；

图11为本发明提供的高通量筛选系统另一实施例的结构示意图；

图12为本发明提供的高通量筛选方法的流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本发明可能用到的部分专业术语及其解释如下：

有机合成：是指从较简单的化合物或单质经化学反应合成有机物的过程。有时也包括从复杂原料降解为较简单化合物的过程。

高通量筛选(High throughput screening)：是将多种技术方法有机结合而形成的一种新技术体系，它以微反应进行实验，以自动化操作系统执行实验过程，以灵敏快速的检测仪器采集实验数据，以计算机对数以千计的样品数据进行分析处理，从而得出科学准确的实验结果。高通量筛选技术在分子生物学、药物研发、化学反应探索等领域都有涉及，在筛选数目庞大的化学反应时有巨大的潜力。

微流控(Microfluidics)是一种以在微米尺度空间对流体进行操控为主要特征的科学技术，是由物理、化学、微加工与生物技术等学科组成的交叉领域，具有将生物、化学等实验室的基本功能微缩到一个几平方厘米芯片上的能力，因此又被称为芯片实验室。

微流控芯片(microfluidic chip)：是微流控技术实现的主要平台。其装置特征主要是其容纳流体的有效结构(通道、反应室和其它某些功能部件)至少在一个纬度上为微米级尺度。由于微米级的结构，流体在其中显示和产生了与宏观尺度不同的特殊性能。因此发展出独特的分析、合成的性能。

本发明提供的化学反应的高通量筛选系统，如图1和图2所示，本发明附图中，箭头均表示液体流动方向，所述高通量筛选系统包括：反应器20和至少两个进样模块10。进样模块10与反应器20之间通过流道连接。

进样模块10用于进样试剂溶液，将试剂溶液通过流道输出给反应器20；在前后两次输出试剂溶液之间，输出隔离剂给反应器20，以将前后两次输出的试剂溶液在反应器20内隔离。具体的，本实施例通过泵和管路输送试剂溶液，实现了试剂溶液的自动化输送，无需人工注入或者机械手注入。整个试剂溶液进样的筛选过程连续进行，试剂溶液的输送和反应与外界水氧隔绝，密封性良好。所述流道可以是管道、密封的沟槽等，本实施例以管道为例进行说明。每次输出的试剂溶液均用隔离剂进行隔离，避免了不同试剂溶液之间的相互影响。隔离剂能实现试剂溶液间的隔离即可，例如，可以采用乙睛、甲醇等。

反应器20，用于为所述至少两个进样模块10输出的试剂溶液的化学反应提供场所；所述反应器20包括一个出样接口和至少两个进样接口，所述出样接口用于与检测器连通；所述进样接口与一个进样模块10连通。反应器20可以采用微流控芯片，也可以是耐化学腐蚀的聚合物管路绕成的线圈或线盘，例如微米级管路线圈。所述微米级是指管路直径在1-999微米。

本实施例中，所述高通量筛选系统还包括检测器30，反应器20反应后的产物混合溶液通过流道输出给检测器30。检测器30用于对所述产物混合溶液进行在线检测，以得到产物混合溶液中的产物的成分。检测器30包括质谱仪、光谱仪、色谱仪、核磁共振仪中的至少一种，本实施例以电喷雾质谱仪为例进行说明。利用商品化的电喷雾质谱仪作为实验结果检测器，利用其可以液体连续进样和图谱快速采集的优势实现实验结果的高通量检测采集。在其他实施例中，也可以用液体样品收集器取代检测器30，液体样品收集器收集产物混合溶液后再进行后续的检测和分析。

如图3所示，进样模块10包括：吸入子装置110，注射子装置120和多通阀进样器130，三者之间均通过管道连接。

吸入子装置110用于通过多通阀进样器130吸取试剂溶液。吸入子装置110可以采用如图3所示的吸入泵，不仅能为管路提供吸力，还能存储多余的试剂溶液。

存储有隔离剂的注射子装置120，用于将隔离剂、多通阀进样器130中的试剂溶液输出给反应器20。注射子装置120可以采用如图3所示的注射泵，注射泵存储有隔离剂，不仅能为管路提供推力，还能将隔离剂注入反应器20。

如图4所示，多通阀进样器130，至少包括定量环131、第一进样口1'、第二进样口2'、第三进样口3'、第四进样口4'、第五进样口5'和第六进样口6'，即多通阀进样器130至少为六通阀进样器，本实施例以六通阀进样器为例进行说明。第一进样口1'与注射子装置120管道连接，第三进样口3'与吸入子装置110管道连接，第四进样口4'用于进样试剂溶液，第六进样口6'与反应器20的一个输入端管道连接，第二进样口2'通过定量环131与第五进样口5'连接。定量环131方便拆卸，可更换不同体积的定量环131，以适应不同的化学反应条件。

六通阀进样器工作时的连通状态包括第一连通模式(如图4所示)和第二连通(如图5所示)模式。第一连通模式和第二连通模式可以通过手动或者控制器来进行切换。六通阀进样器由耐化学腐蚀材料制成。

在第一连通模式中，第一进样口1'与第六进样口6'连通，第二进样口2'与第三进样口3'连通，第四进样口4'与第五进样口5'连通。吸入泵开启后，从第四进样口4'流进的试剂溶液经过定量环131然后从第三进样口3'流出。注射泵开启后，从第一进样口1'流进的液体(隔离剂)直接从第六进样口6'流出。

在第二连通模式中，第一进样口1'与第二进样口2'连通，第三进样口3'与第四进样口4'连通，第五进样口5'与第六进样口6'连通。吸入泵开启后，第四进样口4'流进的试剂溶液直接从第三进样口3'流出。而注射泵开启后，从第一进样口1'流进的液体(隔离剂)经过定量环131然后从第六进样口6'流出。如果第一连通模式与第二连通模式交替进行，那么从第四进样口4'进入到定量环131中的液体不断地被注射到进样口1'-6'所在的流路。

进一步的，如图3所示，进样模块10还包括多位阀140，多位阀140包括多个进口端和一个位于中心的出口端。每个进口端用于与一盛装试剂溶液的容器连通，多位阀140的中心出口端与第四进样口4'管道连接。所述多位阀通过档位调换使所述出口端同时只与一个进口端连通，因此多位阀140可以利用档位调换使多个进口端分别吸取不同的试剂溶液，多位阀140的档位调换可以手动或通过控制器进行控制，使某一进口端和出口端接通。多位阀140的进口端越多，可供筛选的反应体系数量就越多。本实施例以10位选择阀为例进行说明，其包括10个进口端(1-10)。本实施例中，所述多位阀140为盘状结构，多个进口端绕出口端圆周分布。进口端与出口端之间通过沟槽连通。进口端与出口端之间的沟槽通过驱动装置驱动旋转，驱动装置将沟槽驱动到连通一个进口端和出口端时即为该进口端对应的档位，通过旋转该沟槽实现档位的调换，即进口端的选通。

进一步的，所述进口端通过管道与一连接件150的一端连接固定，所述连接件150的另一端与一进样针180连接固定。样品池40中设置有n排试剂溶液容器410，各个试剂溶液容器410内装有不同的试剂溶液。进样针180插入对应的试剂溶液容器410内，开启吸入泵即可进行取样。10位选择阀有1-10十个进口端，一个位于中心的出口端。本实施例中，所述连接件150为二通。10个进口端通过管路均与对应的二通的一端连通，二通的另一端通过对应的进样针与某一横排的试剂溶液容器410连通。所述试剂溶液容器410可以采用玻璃瓶等。

进样模块10还包括底座160和驱动机构170；底座160用于固定所述连接件150和进样针180；所述驱动机构170用于驱动底座160在多排试剂溶液容器410上方沿水平方向、竖直方向移动，即，能驱动底座160二维移动。底座160上的连接件的相对位置与试剂溶液容器410一一竖直对应。10位选择阀有10个档位，分别对应出口端和1-10中的某一个进口端连通，因此通过改变10位选择阀档位可以选择将所在横排中的任意一个试剂溶液容器与10位选择阀的出口端连接。驱动机构170可以包括二维移动支架和用于驱动二维移动支架的动力系统。底座160安装在二维移动支架上，二维移动支架可以在前后、上下两个方向上自由移动，通过二维移动支架的移动可以切换10位选择阀和样品池不同横排(1-n)的试剂溶液容器410连接，因此10位选择阀的流路连接可以涵盖样品池40中所有的试剂溶液容器。10位选择阀切换和样品池不同横排连接方法包括：二维移动支架向上移动，使进样针180从试剂溶液容器410中抽出；然后使底座160前后移动，使之移动到所需切换横排的正上方；最后使底座160向下移动，使进样针180插入试剂溶液容器410而完成连接。

进一步的，可在样品池40中的某一排的所有试剂溶液容器内放置清洗剂，如乙睛溶剂，当进样针180在不同横排切换的时候，需要在该排乙睛溶剂中清洗。

如上所述，本发明改进了进样系统，采用管路进行连接，通过泵、六通阀进样器、10位选择阀、连接件180以及进样针180实现了持续、高效、快速、自动化且密封性好的进样，并且可以实现程序化操作，操作简单，成本低廉。

本实施例中，如图2所示为两组分高通量筛选系统的整体结构，包括上述的两个进样模块10、一个微流控芯片20、一个电喷雾质谱仪30。两个进样模块10的出样口分别连接微流控芯片20的两个进样接口，微流控芯片20的出样接口连接电喷雾质谱仪的液路接口。本系统中所有外部连接管路采用统一直径的耐化学腐蚀管路。图中箭头表示液体流动方向。n*10样品池中第一排试剂溶液容器全部充满乙睛溶剂作为针头清洗剂，其它试剂溶液容器盛放需要筛选的各种试剂溶液。当进样针在不同横排切换的时候，需要在第一排乙睛溶剂中清洗。

本发明提供的高通量筛选系统，还包括用于控制各个进样模块10的控制器(图中未示出)，下面以二组分反应筛选为例详细说明高通量筛选系统的工作过程。

如图2所示，将左边进样模块10反应池中与10位选择阀连接的10个进样瓶试剂溶液标记为A-J，将右边进样模块10'反应池中与10位选择阀连接的10个进样瓶试剂溶液标记为K-T。六通阀进样器的定量环体积都设为20ul，注射泵注射速度设为10ul/min，注射泵提前充满乙睛溶剂，吸入泵吸入速率设为20ul/min。

计时起点时，控制器控制两个进样模块的10位选择阀都处于档位1，即第一进口端1开启，此时将试剂溶液A和K接入流路；控制两个进样模块的六通阀进样器都调至第一连通模式，此时定量环接入第三进样口与第四进样口之间的吸入流路；打开两个进样模块的吸入泵，则A,K试剂溶液被分别吸入各自对应的定量环。

计时2分钟时，试剂溶液A和K分别充满对应的定量环。此时控制器控制两个进样模块的六通阀进样器都调至第二连通模式，此时定量环接入第一进样口与第六进样口之间的注射流路；打开两个进样模块的注射泵，则A,K试剂溶液被注射到微流控芯片20内反应；同时将右边的进样模块10'的10位选择阀调至档位2，即第二进口端2开启，左边进样模块的10位选择阀不变，此时A、L试剂溶液接入流路。

计时4分钟，试剂溶液A和K全部注射到微流控芯片20，同时A、L试剂溶液替换掉流路中的A、K试剂溶液。此时，控制器控制两个进样模块的六通阀进样器都调至第一连通模式，定量环接入第三进样口与第四进样口之间的吸入流路，即A、L试剂溶液被分别吸入对应的定量环，同时注射泵中乙腈溶剂经过第一进样口与第六进样口之间的流路直接被注射到微流控芯片20中。

计时6分钟，试剂溶液A和L分别充满对应的定量环，并且微流控芯片20流路中已经流入20ul乙腈溶剂。控制器控制两个进样模块的六通阀进样器都调至第二连通模式，此时定量环接入第一进样口与第六进样口之间的注射流路，则A,L试剂溶液被注射到微流控芯片20；同时将右边的进样模块10'的10位选择阀调至档位3，即第三进口端3开启，左边进样模块的10位选择阀不变，此时A、M试剂溶液接入流路。

以此类推，循环的重新进行以上操作，直至AK、AL、AM…AT、BK…JS、JT一百个组合完全进入微流控芯片20进行混合反应。每两个试剂溶液混合反应需要2分钟，溶剂冲洗间隔2分钟，整个过程大概耗时4*100分钟。

当样品池A-J与K-T两排试剂溶液进样完成之后，即可移动固定连接件的二维移动支架，使之切换到第一排，打开吸入泵用乙睛溶剂清洗针头。清洗完成之后切换到下一排，继续进行10*10的混合反应。假设一天24小时不间断进行筛选，本系统可以进行360组筛选反应。

控制器可以是手机、平板电脑、台式电脑、笔记本电脑等，即，控制器可以运行程序以执行上述功能。

在进行以上整个过程的同时，微流控芯片20出口接入电喷雾质谱仪液路接口进行连续在线检测。分析检测数据结果即可得到全部组合的反应结果，实现了高通量在线筛选。

微流控芯片20采用耐高温耐化学腐蚀的高硼硅玻璃等材料制备，如图6所示，微流控芯片20内刻蚀有尺度为100-500um的连续S型孔道，孔道末端留有接口。在图6所示的芯片中，有两个进样接口和一个出样接口(接口数量可改变)，从进样模块10输送来的液体经过接口流入芯片、在芯片中混合、流经S型管路进行反应、最后经过出口进入下一个模块(例如检测器)。

所述高通量筛选系统还包括芯片夹具220和过程强化装置230。，芯片夹具220起到固定微流控芯片20并且提供与外部管路的接口，和微流控芯片20配套使用。过程强化装置230包括热浴、冷浴或者灯源中的至少一种，为微流控芯片20提供稳定的各类外部环境，加速或减慢芯片内的化学反应。

电喷雾质谱仪采用现有仪器，从微流控芯片20出来的液体流量为1-100ul/min，处于电喷雾质谱仪可接受的流量范围内，因此可以直接接入电喷雾质谱仪的液体流路进行实时在线检测，对图谱结果进行分析即可得到该实验对应的结果。

可见，本发明改进了反应系统，整个系统通过管路连接，并在微流控芯片20内发生反应，提高反应系统的密封性，避免有毒有害物质扩散的安全性问题和溶剂挥发带来的不利于反应进行的问题，兼容对水氧不耐受的反应；微流控芯片可以增强传质传热，提高筛选系统的反应速率，通过降低单个反应时间来提高筛选速率。(Jiang,X.Lab on aChip.2017,17,3960-3978.)

图7为微流控芯片20中试剂溶液区段脉冲式分布示意图。以图7为例，试剂溶液A和K反应后从微流控芯片20输出时，试剂溶液A和L正处于反应阶段，此时试剂溶液A和M刚刚进入微流控芯片20内。不同反应之间以乙腈试剂溶液隔离。由于两个进样模块10与微流控芯片20之间的连接采用相同直径和长度的管路，可确保两个进样模块10输送来的试剂溶液同时到达微流控芯片20，并在微流控芯片20内均匀混合。由于微米尺度管路中液体流动时扩散很慢(Kang.Micromachines.2010,1,82.)，可以使不同组别试剂溶液用乙腈溶剂有效隔开并清洗，因此管路中不同的反应物混合区段呈脉冲式分布并且互不影响。

下面以二组分高通量筛选系统为实例对高通量筛选系统、操作方法及功能进行验证。

定量环规格选用20ul，材质优选用peek(聚醚醚酮)聚合物；吸入泵和注射泵均选用5ml高精度玻璃注射器；系统所有管路选用耐化学腐蚀的聚四氟乙烯管路，规格为外径1/16英寸，内径200um；微流控芯片20内的孔道直径200um，体积约为70ul。电喷雾质谱仪使用Waters高分辨电喷雾质谱仪。

1.高通量筛选系统亮氨酸脑啡肽(LE)试验验证

首先，我们用电喷雾质谱常用的亮氨酸脑啡肽(LE)校正物检验所述高通量筛选系统是否能检测出样品池里的样品、隔离剂是否能区分开混合反应物区段以及是否能清洗管路。

在二组分高通量筛选系统的两侧样品池的第一试剂溶液容器中充满0.001mmol/ml的LE溶液(溶剂乙睛)，然后将两侧的10位选择阀调至该试剂溶液容器进样，使LE流过定量环，2分钟后将六通阀进样器调至注射档位。然后用电喷雾质谱进行检测，成功的检测出了质荷比556.28的信号，即对应LE的信号(如图8所示)。之后更换不同的试剂溶液容器，发现都能检测到556.28质谱信号，这表明所述高通量筛选系统连接正确以及电喷雾质谱可以检测到进样模块样品池中各试剂溶液容器中的试剂溶液。

之后在左边样品池A-C和右边K-L试剂溶液容器中充满LE溶液，然后通过控制器(编辑电脑程序)控制六通阀进样器和10位选择阀配合工作，使高通量筛选系统按照AK、AL、BK、BL、CK、CL组合顺序进样。每个组合进样2分钟，每个试剂溶液进样20ul，乙睛溶剂间隔2分钟，体积同样为20ul。与此同时让电喷雾质谱实时监测并采集图谱，监测时间约30分钟。

图9所示为556.28离子信号峰强度随时间变化曲线。从图中可以看出，LE信号峰(556.28)从6分钟左右开始出现并急剧增强，约2.2分钟左右回到基线水平。持续2分钟后再次增强，并如此循环直到实验结束。质谱信号峰信号宽度2.2分钟，与进样2分钟相比，信号延展约10％，这说明试剂溶液混合反应液体区段有轻微扩散，但不同混合液体区段不干扰。整体看来质谱信号峰平稳并被基线有效隔开，说明不同混合液体区段内部是独立进行反应的。间隔基线最低点峰强度约为12％,考虑到质谱有较强背景信号的原因，可以认为溶剂区段将管路进行了有效的清洗。综上，LE实验表明该高通量筛选系统达到预期，可以进行高通量筛选试验。

2.高通量筛选系统已知反应验证：

接下来用已知反应来验证本高通量筛选系统对有机反应的筛选能力。

方法：将一个已知的两组分反应混入其它不发生反应的组合中，检验高通量筛选系统是否能检测并定位到该两组分发生了反应，以及生成了什么产物。

选择高碘试剂Y1和醇X1的二组分已知反应来验证，其反应产物为Z1和Z2。(Jiang,H.Org.Lett.2017,19,6502-6505.)

在样品池1中放置已知反应的X1组分(X1的DMSO(二甲基亚砜)溶液，0.01mmol/ml)，同时放置干扰组分X2和空白溶剂DMSO(X3)；在样品池2中放置已知反应的Y1组分，同时放置干扰组分Y2和空白溶剂DMSO(Y3)。其中X1、X2、Y1、Y2都为该物质的DMSO溶液，浓度均为0.01mmol/ml。两个样品池各三种组分，能进行3*3＝9组反应，其中除了X1与Y1可以发生反应外，其它组分之间均不发生反应。

我们将上述六种组分分别置于高通量筛选系统之后，编辑好电脑程序使系统按照X1Y1、X1Y2、……、X3Y2、X3Y3的顺序进样，同时用电喷雾质谱实时检测并记录图谱，此实验中采用质谱负离子模式进行检测。实验具体参数同前述LE实验。

分析数据发现，6-8分钟内，找到了151.04、278.92、149.02、262.92四种负离子信号峰，分别对应X1、Y1、Z1、Z2四种物质，即对应我们第一组实验X1Y1。在10-12分钟内(对应第二组实验X1Y2)只找到了151.04和114.06两组信号峰，说明X1、Y2两组分只进行了混合，没有进行反应。14-16分钟内(对应第二组实验X1Y3)，只找到了151.04一组信号峰，说明X1、Y3两组分只进行了混合，没有进行反应。其它六组的质谱数据同上，都存在对应的信号峰，但没有出现新信号。说明除了第一组外，其它八组两组分物质都没有发生反应。

综上，从九组两组分混合试验中成功的找到了混入其中的已知反应(X1Y1)，说明两组分筛选系统具有筛选两组分反应的能力。在其他实施例中，如图11所述，当反应组分数大于等于3时，可以扩展微流控芯片20进样口，使之变为多组分筛选系统，即可进行多组分反应筛选。

本发明提供的高通量筛选系统，由进样模块、反应器、检测器组成，具有高效便捷经济、通用性强、模块化的化学反应等特点。其中，进样模块由泵、阀门等组成，具有通量大、经济便捷、便于手动或自动控制、模块化等优点。反应器采用的微流控芯片，具有反应效率高，微型经济，密封性好，安全性高，易于除水除氧，便于过程强化等优点。

基于上述实施例提供的系统，本发明提供的高通量筛选方法，如图12所示，包括如下步骤：

S10、至少两个进样模块进样试剂溶液，并将所述试剂溶液通过流道输出给反应器；在前后两次输出试剂溶液之间，输出隔离剂给反应器，以将前后两次输出的试剂溶液在反应器内隔离。具体的，控制器控制两个进样模块的10位选择阀都处于档位1，即第一进口端开启；控制两个进样模块的六通阀进样器都调至第一连通模式，此时定量环接入第三进样口与第四进样口之间的吸入流路；打开两个进样模块的吸入泵，则与10位选择阀的第一进口端连通的试剂溶液被分别吸入各自对应的定量环。待试剂溶液分别充满对应的定量环后，控制器控制两个进样模块的六通阀进样器都调至第二连通模式，此时定量环接入第一进样口与第六进样口之间的注射流路；打开两个进样模块的注射泵，则定量环内的试剂溶液被注射到微流控芯片内反应；定量环内的试剂溶液注射完后，继续注射隔离剂到微流控芯片内，以隔离下次进样的试剂溶液。之后即可开启下一次进样。

S20、至少两个进样模块输出的试剂溶液在反应器内混合发生化学反应。当样品池一排试剂溶液进样完成之后，控制器移动固定连接件的二维移动支架，使之切换到第一排，打开吸入泵用乙睛溶剂清洗针头。清洗完成之后切换到下一排，继续进行进样、混合反应。

S30、所述化学反应完成后的产物混合溶液被输出到检测器，检测器对所述化学反应完成后的产物混合溶液进行在线检测。如此反复操作即可进行高效的自动化筛选。

由于所述方法的具体步骤以及特点在上述系统实施例中已详细阐述，在此不再赘述。

本领域技术人员可以理解，上述实施方式中各种方法的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关硬件完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器、随机存储器、磁盘或光盘等。尤其是在本发明实际实施过程中，上述实施例中的步骤还可编写成独立的程序，该程序可存储在服务器、磁盘、光盘、闪存盘上，通过下载保存到本地设备的存储器中，或通过下载对本地系统进行版本更新，通过处理器执行存储器中程序，即可实现上述功能。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (9)

1.一种化学反应的高通量筛选系统，其特征在于，包括：

至少两个进样模块，所述进样模块用于进样试剂溶液，将所述试剂溶液通过流道输出给反应器；在前后两次输出试剂溶液之间，输出隔离剂给反应器，以将前后两次输出的试剂溶液在反应器内隔离；所述两个进样模块与反应器之间的连接采用相同直径和长度的管路，以确保两个进样模块输送来的试剂溶液同时到达反应器，并在反应器内均匀混合；

所述进样模块还包括底座和驱动机构；所述底座用于固定连接件，所述连接件用于与一进样针连接固定；所述驱动机构用于驱动底座在多排试剂溶液容器上方沿水平方向、竖直方向移动；

所述进样模块还包括吸入子装置、存储有隔离剂的注射子装置和多通阀进样器；吸入子装置用于通过多通阀进样器吸取试剂溶液；注射子装置用于将隔离剂、多通阀进样器中的所述试剂溶液输出给反应器；多通阀进样器至少包括定量环、第一进样口、第二进样口、第三进样口、第四进样口、第五进样口和第六进样口；第一进样口与所述注射子装置管道连接，第三进样口与所述吸入子装置管道连接，第四进样口用于进样试剂溶液，第六进样口与所述反应器的一个输入端管道连接，第二进样口通过定量环与第五进样口连接；

所述进样模块还包括多位阀，所述多位阀包括多个进口端，每个进口端用于与一盛装试剂溶液的容器连通，所述多位阀的出口端与所述第四进样口管道连接；

反应器，用于为所述至少两个进样模块输出的试剂溶液的化学反应提供场所；所述反应器包括一个出样接口和至少两个进样接口，所述出样接口用于与检测器或液体样品收集器连通；所述进样接口与一个进样模块连通；所述反应器中试剂溶液区段呈 脉冲式分布。

2.如权利要求1所述的高通量筛选系统，其特征在于，

所述多通阀进样器工作时包括两种连通模式：第一连通模式和第二连通模式；所述第一连通模式中，第一进样口与第六进样口连通，第二进样口与第三进样口连通，第四进样口与第五进样口连通；所述第二连通模式中，第一进样口与第二进样口连通，第三进样口与第四进样口连通，第五进样口与第六进样口连通。

3.如权利要求2所述的高通量筛选系统，其特征在于，所述多位阀通过档位调换使所述出口端同时只与一个进口端连通。

4.如权利要求3所述的高通量筛选系统，其特征在于，所述进口端通过管道与一连接件的一端连接固定，所述连接件的另一端与一进样针连接固定。

5.如权利要求3所述的高通量筛选系统，其特征在于，还包括控制器，所述控制器用于控制所述多通阀进样器连通模式切换和所述多位阀档位调换；将所述多通阀进样器调整到第一连通模式；将所述多位阀档位调换到一进口端与所述出口端连通；开启所述吸入子装置，吸入子装置通过与所述出口端连通的进口端吸入对应的试剂溶液，使所述试剂溶液充满定量环；将所述多通阀进样器调整到第二连通模式；开启所述注射子装置，以将定量环内的试剂溶液注射到反应器，定量环内的试剂溶液注射完后，注射一定量的所述隔离剂到反应器；将所述多位阀档位调换到另一进口端与所述出口端连通，开始另一路试剂溶液的进样。

6.如权利要求3所述的高通量筛选系统，其特征在于，所述多通阀进样器为六通阀进样器；所述多位阀为10位选择阀，包括10个进口端和1个出口端；所述反应器包括微流控芯片或微米级管路线圈；所述吸入子装置包括吸入泵；所述注射子装置包括注射泵。

7.如权利要求1所述的高通量筛选系统，其特征在于，还包括用于对所述化学反应完成后的产物混合溶液进行在线检测的检测器或液体样品收集器。

8.一种化学反应的高通量筛选装置，其特征在于，包括如权利要求1-7任意一项所述的高通量筛选系统。

9.一种基于权利要求1所述高通量筛选系统的高通量筛选方法，其特征在于，包括如下步骤：

至少两个进样模块进样试剂溶液，并将所述试剂溶液通过流道输出给反应器；在前后两次输出试剂溶液之间，输出隔离剂给反应器，以将前后两次输出的试剂溶液在反应器内隔离；

至少两个进样模块输出的试剂溶液在反应器内混合发生化学反应；

检测器对所述化学反应完成后的产物混合溶液进行在线检测。

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