科学家开发“人工树叶”，可将光转化率提高6倍

在实现可持续能源发展方面，利用太阳能诱导化学反应具有重大的潜力。

 

众所周知，植物能够通过光合作用达到自给自足，这个高效的过程也是化学家长期以来梦寐以求想要模拟的。虽然近些年来，结合微流体光化学技术，可见光诱导的能量转化效率已经显著增加，但是对于太阳光进行直接利用的技术还是非常有限。

首席研究员蒂莫西·诺尔（TimothyNoel）和人工叶结构，该结构能够作为一个微型药物生产工厂，在任何有阳光的环境下生产药物。

近日，来自荷兰爱因霍芬科技大学的科学家开发了一种“人工树叶”发光微型反应器（Photo Microreactor，PM），它融合了发光太阳能聚光器（Luminescent solar concentrators，LSCs）技术以及微流体光化学技术，能够直接利用太阳光辐射能进行高效、绿色、可持续的化学反应，类似于自然界树叶的光合作用过程。

该微型反应器有望用作微型药物生产工厂，实现大规模、高效、廉价的药物生产，并且能在任意可利用太阳光的环境下使用，所以该技术在制药业以及农业化学药物方面有很广泛的应用潜力。

该研究于2016年12月21日发表在科学杂志《应用化学》（Angewandte Chemie），并被标为“VIP文章”，这意味着该杂志认为这是一项杰出的、突破性的工作，该杂志仅有不超过5%的文章被冠以此称号。

太阳能聚光器-发光微型反应器（LCS-PM）工作原理

简单来说，这项技术的核心部件名为太阳能聚光器-发光微型反应器（LCS-PM），该反应器模拟了自然界树叶的光合作用过程——利用掺杂荧光染料（L305）的硅树脂作为发光太阳能聚光器（LSC）光波导，荧光染料（L305）吸收广谱太阳光并将能量汇聚到较窄的波长范围，发射出的下转换光子通过LSC光波导传输至微型反应通道中流动的化学物质（MB），诱导化学反应发生和化合物的生产。

整个LSC-PM装置的反应微通道主要接收两部分光子辐射：1）直接光子辐射；2）LSC光波导收集转化的光子辐射；其中，光捕获主要依靠掺杂荧光染料的硅树脂LSC装置。

研究者对比了掺杂荧光染料的LSC装置与未掺杂荧光染料的传统装置的光转化效率。首先，在LED蓝色光照射条件下（上图A），即便在全功率（0.31W）照射下，未掺杂荧光染料的装置光转化率只有21%；而对于掺杂200ppm荧光染料的LSC装置，仅需要大约十分之一功率（0.025）照射下，光转化率就达到了27%，表明了LSC-PM装置相比于传统装置的光谱转化的高效性。在模拟太阳光条件下（上图C），相比于未掺杂的传统装置，掺杂荧光染料的LSC-PM装置获得了高达4.5倍的光转化效率！

此外，在模拟广谱太阳光照射下，研究者设计了半遮挡的LSC-PM装置研究LSC光波导中光传输效率（上图B）。结果表明，未掺杂染料分子的装置即便在长达90s的滞留时间里，光转化率只有9%，而掺杂200ppm燃料分子的LSC-PM装置在90s时的光转化率达到了54%，光传输效率整整提升6倍！这表明了LSC-PM能够将初步转化的光子高效传输至反应微通道处，诱导化学反应发生。

同时，研究者也进行了自然太阳光户外实验对比测试。结果表明，在各种情况下，掺杂荧光染料的LSC-PM装置的光转化效率都远远高于未掺杂装置。换句话说，即便在多云天气条件下该装置仍然能工作。

来自荷兰爱因霍芬科技大学的首席研究员蒂莫西·诺尔（Timothy Noel）说：“理论上，通过这种设备你能在任何能利用太阳能的地方生产出药物化合物。”

目前，诺尔及其同事正努力进一步提高该人工叶装置的能效，并进一步提升产量。诺尔认为，如果去掉对电网的需要，未来就有可能在丛林中制造抗疟疾药物，甚至也能在未来的太空殖民地火星上制造药物。

荷兰爱因霍芬科技大学（Eindhoven University ofTechnology）科学家设计的人工叶结构。

 

研究者在硅树脂LSC装置中制作了细小的微管道用以泵送反应液体，有利于将化学物质分子充分暴露与入射以及传输的光子辐射下，足以诱发化学反应和生产药物化合物。

然而，想要规模化和商业化该过程，还有很长的路要走。一方面，微流体管道的尺寸非常小，生产量较小。但是，另一方面，这些微型通道也很容易连通在一起从而扩大生产规模及产量。

诺尔称：“想象一下，我们可以做出具有很多很多不同树叶并行工作的一整棵树来进行生产，整个过程都是很便宜的，所以这种装置有很大的潜力。”

诺尔认为，在5到10年内，这种人工叶药物生产过程就能广泛提供给化学工程师使用。

当然，这并不是科学家第一次从植物中获得灵感来开发药物生产的新方法。

早在2012年，美国食品和药物管理局（FDA）批准了一种称为葡糖脑苷脂酶（Elelyso）的药物，这是辉瑞公司（Pfizer）和达利公司（Protalix）研发的一种由转基因胡萝卜细胞制成的生物治疗药物，主要用于治疗一种罕见的遗传病——戈谢病（Gaucher disease）。

此外，还有一些其他研究人员也种植了经过特殊培育的作物，以期从其叶子中生产有用的药物和疫苗。

 

参考：http://phys.org/news/2016-12-artificial-leaf-mini-factory-drugs.html

D. Cambié, F.Zhao, V. Hessel, M. G. Debije, T. No?l, A leaf-inspiredluminescent solar concentrator for energy efficient continuous-flowphotochemistry,AngewandteChemie Int. Ed. (21 December 2016).DOI: 10.1002/anie.201611101