正在开发增材制造或“3D打印”作为用于生产定制的微米级和毫米级流体装置的新型制造工艺。与在线监测和优化软件配合使用时，可提供先进的定制方法，用于执行自动化学合成。本文报道了使用两种增材制造工艺，立体光刻和选择性激光熔化，以创建具有嵌入式反应监测能力的多功能流体装置。选择性激光熔化部件是多功能3D打印金属流体装置的首次公开示例。这些器件允许在溶剂系统中进行高温和高压化学反应，这些系统对通过立体光刻技术制造的大多数器件具有破坏性，先前用于该应用的聚合物喷射和熔融沉积建模过程。这些装置与市售流动化学，色谱和光谱分析设备集成，允许自动在线和在线优化反应介质。这种设置允许通过光谱和色谱分析优化两个反应，酮官能团互变和稠合多环杂环形成。
关键词： 3D打印; 在线反应分析; 反应优化; 选择性激光熔化; 立体光刻
增材制造（AM），或众所周知的'3D打印'，是国际公认的术语，用于描述可生成复杂三维零件的各种制造工艺，通常具有极其复杂的几何形状，或者在某些情况下，使用更传统的减法制造工艺无法制造[1]。在AM中，使用诸如材料挤出[2]，材料喷射[3]，还原光聚合[4]，片材层压[5]，粉末床熔合[6]，粘合剂喷射和粘合剂喷射等工艺逐层构建零件。直接能量沉积[7,8]。AM已经获得了广泛的学术和工业用途，适用于从生物到航空的各种应用[9,10]。然而，最近的研究已经证明使用3D技术生产微流体装置的好处，使用AM技术，如立体光刻（SL）[11]，聚合物喷射和熔融沉积建模（FDM）[12,13]。因此，使用这种类型的多功能连续流动反应器对化学系统的优化具有相当大的兴趣。最近在这方面的工作由Cronin [14]，Ley [15]和Jensen [16]进行。。该研究强调了通过AM工艺制造流体设备可带来的一系列优势，包括生产具有复杂微尺度特征和嵌入功能的多材料部件的能力，允许在线和在线优化反应介质。
本文介绍了一系列通过选择性激光熔化（SLM）和SL制造工艺生产的印刷化学反应器。SLM是一种基于粉末的增材制造技术，它使用高功率能源（通常是激光）将粉末床选择性地熔化成单一的固体[17]。SLM可以生产各种化学惰性和热稳定金属的零件，如不锈钢[18]，铝和钛[19,20]因此，它是许多工业应用的有吸引力的技术。SLM能够生产层厚度低至20μm的零件，并且在较小的零件上实现+/- 0.1 mm的零件几何形状，然而，即使是高度优化的SLM工艺仍然会遇到球化，热裂纹，不需要的问题表面粗糙度和从较小的空腔中去除未熔化的粉末的困难[6]。SL利用液体树脂浴的逐层光聚合生成完全致密的聚合物部件[21]。通常，这些树脂是基于少量紫外线固化丙烯酸酯，环氧树脂和聚氨酯的复杂配方[4]，其机械和化学性能差可能会限制SL制造零件的应用。然而，维护良好的机器能够重复生产层厚度低至25μm的零件，使SL成为最精确和可重复的AM工艺之一[4]。因此，SLM和SL都是用于生产毫米级化学反应器的有吸引力的制造技术。
该研究通过在反应路径长度上嵌入光谱观察窗，允许这两种创新方法如何用于生产具有增强的分析功能的毫微尺化学反应器，从而允许对反应介质进行在线紫外 - 可见光谱分析。该研究还强调了与使用AM工艺相关的设计自由度，通过设计定制的反应器几何结构，使这些设备能够与现有的实验室流量和分析设备集成[22]。
该研究小组以前的工作证明了AM用于生产毫米级化学反应器的灵活性，具有复杂的内部几何形状以及具有嵌入光谱能力的部件[11,23]。为了充分利用这种灵活性，设计了可与现有流量和分析仪器集成的零件。该应用的理想选择是高效液相色谱（HPLC）。HPLC仪器在大多数现代化学实验室中广泛使用，非常适合用于流动应用。现代HPLC系统通常配备二元或四元泵系统（流速≈0.01-10毫升/分钟），恒温加热室（温度≈20-100℃），多端口取样阀，以及分离，纯化和紫外线-vis光谱分析能力。HPLC系统，部件还与市售的Uniqsis FlowSyn模块集成，提供泵送和加热装置，通过便携式紫外 - 可见光源和检测器进行在线光谱反应分析。由于其快速数据生成，这种类型的光谱通常用于在线反应分析，然而，对于复杂的多功能系统，通常难以解释。另一方面，色谱分析方法产生更加简洁的光谱，允许外推定量数据，但是，它们经常遭受漫长的方法时间，从而显着降低反应产量[24,25]。
不同实验之间的HPLC设备设置基于四个模块Agilent 1100系列，带有两个二元泵模块，一个恒温柱室模块，一个带标准流通池的可变波长二极管阵列检测器（DAD）室，以及外部六端口取样阀。使用该装置允许将流动介质泵送通过温控反应器，该反应器使用取样阀将反应介质收集，注入HPLC柱以进行分离或直接通过二极管阵列检测器。柱子将通过辅助泵用流动相冲洗，同时由相同的恒温隔室独立加热。通过将该系统与3D打印流体设备集成，可以对反应介质进行自动在线和在线分析，从而对反应停留时间，温度和试剂组成提供实质性控制。但是，为了实现这种控制水平，有必要设计定制软件：一系列直观的“宏观”程序，它们可以自动控制系统中的每个模块。这需要对Chemstation软件进行控制，该软件是Agilent HPLC系统的图形用户界面（GUI）。这是使用MacroPad实现的 这将允许自动控制系统内的每个模块。这需要对Chemstation软件进行控制，该软件是Agilent HPLC系统的图形用户界面（GUI）。这是使用MacroPad实现的 这将允许自动控制系统内的每个模块。这需要对Chemstation软件进行控制，该软件是Agilent HPLC系统的图形用户界面（GUI）。这是使用MacroPad实现的[26]。MacroPad是专为开发宏来控制Chemstation软件而设计的软件。通过MacroPad，可以访问Chemstation'寄存器'，它存储HPLC分析过程中产生的所有输入和输出变量。这些寄存器允许控制诸如反应流速，温度和压力等变量，以及定量输出，例如来自任何HPLC分析的光谱和色谱数据。使用该软件，可以为每个进行的优化定义特定的反应和分析条件。有关Chemstation宏功能和SIMPLEX优化软件的更详细说明，请参阅支持信息文件1。两个软件都允许用户输入，特别是定义要优化的目标变量，例如吸收强度或产品峰面积。
优化系统和反应器设计中的大量变量需要产生一组理想的反应条件，从而有效地比较数据集。该反应是使用氨基脲和乙酸钠将（R） - （ - ） - 香芹酮（1）转化为其相应的缩氨基脲2（方案1）。选择该反应是因为它在室温下可以顺利进行，并且温和的溶剂混合物如甲醇和水（MeOH /水）可以与溶剂相容性较低的部分一起使用。原料和产物的UV-可见光谱之间的差异可用于遵循反应优化。