利用有机合成与光催化反应的前沿技术，浙江大学和之江实验室联手打造全自动高通量AI机器人，实现微流控技术下的秒级化学反应及每日上万反应筛选

有机合成人员的工作效率
在大多数有机合成实验室中，一名熟练的有机合成人员每天通常只能完成不到10个化学合成反应。这些反应往往非常耗时，需要数小时甚至数天才能完成。因此，有机合成的优化和筛选工作需要研究人员投入大量的时间和精力。

浙江大学与之江实验室的创新
近日，浙江大学和之江实验室的研究人员开发了一种全自动集成系统，用于高通量化学合成、在线表征和大规模光催化反应条件筛选。该系统结合了液芯波导（LCW）、微流控液体处理和人工智能（AI）技术，能够在几秒内完成快速光催化反应，并且每天能够对10,000个反应条件进行高通量筛选。这种系统在极低的时间和试剂消耗下生成大量高质量数据，为AI技术在化学合成中的应用提供了强大的平台，帮助研究人员更高效地探索未知的化学空间。

自动化高通量系统的背景
近年来，随着自动化机器人技术和微流控化学技术的发展，各种自动化、高通量的有机合成与筛选技术不断涌现。流动微反应器（Flow microreactors）因其在微流控通道中高效的传质传热特性，具有反应速度快、反应效率高的优势。光催化反应是有机合成中常见的反应类型，流动光催化微反应器可以将反应时间从几天或几小时缩短到几小时甚至几分钟。然而，尽管流动光催化系统的反应速度显著提高，但其通量仍远低于AI技术应用于化学合成领域所需的标准。

新系统的详细描述
为了应对这一挑战，浙大团队利用微流体液芯波导（LCW）、自动化微流体液体处理和AI技术，开发了一种自动化高通量系统。该系统可以在几秒内完成超快速光催化反应，并在一天内对多达10,000次反应进行大规模筛选。研究人员利用LCW技术设计并构建了一种新型微流控光催化微反应器，将高强度激光引入微流控光催化反应通道，显著提高了光催化反应速度。例如，光催化[2+2]环加成反应在微反应器通道中的停留时间仅为3.3秒即可完全转化，而传统间歇光催化反应器则需要4小时。

高效的表征技术
除了合成反应速度快之外，反应产物或反应物的表征速度也必须与反应速度相匹配，才能实现真正的高通量筛选。在该研究中，反应溶液的紫外光谱在280nm-320nm区域发生明显变化，因此将毛细管流动池与LCW光催化微反应器耦合，使用紫外-可见谱仪可以在线检测反应溶液，检测响应时间为0.1秒。

系统的应用与效果
利用该系统，研究人员对光催化[2+2]环加成反应进行了全面的筛选，总共筛选了12,000个条件，包括光催化剂和底物种类两个离散变量以及激光强度、浓度、流速和光催化剂比例四个连续变量。系统获取每个光催化[2+2]环加成反应数据所需的平均时间仅为32秒，这使系统能够达到每天2600个条件的筛选吞吐量，高于迄今为止报道的自动合成和筛选系统的最高吞吐量。

AI辅助的高通量筛选
研究人员开发了AI辅助吸光度预测方法，利用AI方法分析对流和分子扩散效应的影响因素，将相邻反应溶液相互混合的非稳态数据解耦，预测各自反应溶液对应的稳态吸光度数据。通过测试集的R²和RMSE值评估了10个回归模型的性能，其中XGB回归模型的预测性能最好，其RMSE最小，为0.0140，R²最大，为0.991。使用非稳态实验模式，光催化[2+2]环加成反应条件的筛选通量从每天2600个条件提升到10,000个条件/天，这是迄今为止报道的有机合成领域的最高水平。

未来的潜力
未来，充分利用这12,000个数据并结合AI技术（如贝叶斯优化方法）来快速优化新产品将具有重要意义。此外，该系统可进一步改进，以适应不同类型的光催化反应的需求，例如更换其他波长的光源或尝试其他类型的反应，如光催化交叉偶联反应，以扩大其应用范围。该系统在提高光催化底物的浓度方面表现出独特潜力，除了有机合成外，还可以扩展到其他合成领域，如光诱导材料合成或生物分子合成。

本文来源： 机器之心【阅读原文】