一、引言

      光化學(xué)反應(yīng)儀是化學(xué)、材料、生物等領(lǐng)域進(jìn)行光化學(xué)研究和實驗的重要設(shè)備，其性能直接影響實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。隨著 LED 技術(shù)的不斷發(fā)展，基于 LED 光源的平行光化學(xué)反應(yīng)儀因其能耗低、壽命長、波長可調(diào)等優(yōu)勢，逐漸成為研究熱點。然而，當(dāng)前此類儀器在光照均勻性、反應(yīng)效率、穩(wěn)定性等方面仍存在一定不足，因此對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計與性能評估具有重要的現(xiàn)實意義。

二、優(yōu)化設(shè)計

（1）光源系統(tǒng)優(yōu)化

      LED 光源的選擇和排布是影響儀器性能的關(guān)鍵因素之一。在選擇 LED 時，應(yīng)綜合考慮其波長范圍、發(fā)光強度、穩(wěn)定性等參數(shù)。針對不同的光化學(xué)反應(yīng)需求，選用特定波長的 LED，以提高反應(yīng)的選擇性和效率。例如，對于某些需要紫外光激發(fā)的反應(yīng)，選用紫外 LED；對于可見光參與的反應(yīng)，則選用相應(yīng)波長的可見光 LED。

      在 LED 的排布方式上，為了實現(xiàn)平行光輸出和提高光照均勻性，采用矩陣式排布。通過合理設(shè)計 LED 的間距和排列方式，確保在反應(yīng)區(qū)域內(nèi)形成均勻的光照場。同時，為了減少 LED 之間的相互干擾，在每個 LED 之間設(shè)置遮光板，避免光線的散射和疊加導(dǎo)致光照不均勻。

      此外，為了提高 LED 光源的穩(wěn)定性，設(shè)計了恒流驅(qū)動電路。恒流驅(qū)動能夠保證 LED 的工作電流穩(wěn)定，從而避免因電流波動導(dǎo)致的發(fā)光強度變化，提高儀器的可靠性和重復(fù)性。

（2）光路系統(tǒng)優(yōu)化

      光路系統(tǒng)的設(shè)計直接影響平行光的質(zhì)量和傳輸效率。為了獲得高質(zhì)量的平行光，采用了準(zhǔn)直透鏡組。準(zhǔn)直透鏡組由多個透鏡組成，能夠?qū)?LED 發(fā)出的發(fā)散光進(jìn)行準(zhǔn)直，使其成為平行光。通過優(yōu)化透鏡的參數(shù)和排列方式，提高平行光的準(zhǔn)直度，減少光線的發(fā)散角。

      同時，在光路中設(shè)置濾光片，以過濾掉不必要的波長成分，提高光的單色性。根據(jù)反應(yīng)所需的波長，選擇合適的濾光片，確保只有特定波長的光到達(dá)反應(yīng)區(qū)域，減少雜散光對反應(yīng)的干擾。

      另外，為了減少光路中的能量損失，對光學(xué)元件進(jìn)行了鍍膜處理。鍍膜能夠提高光學(xué)元件的透光率，減少反射損失，從而提高光的利用效率。

（3）反應(yīng)室設(shè)計優(yōu)化

      反應(yīng)室是光化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的場所，其設(shè)計應(yīng)考慮反應(yīng)體系的特性和實驗需求。反應(yīng)室采用耐腐蝕材料制作，以適應(yīng)不同的反應(yīng)介質(zhì)。同時，反應(yīng)室的形狀和尺寸應(yīng)根據(jù)平行光的照射范圍進(jìn)行設(shè)計，確保反應(yīng)區(qū)域能夠被均勻照射。

      為了提高反應(yīng)的傳質(zhì)效率，在反應(yīng)室中設(shè)置了攪拌裝置。攪拌裝置能夠使反應(yīng)體系充分混合，避免局部濃度過高或過低，從而提高反應(yīng)效率。此外，反應(yīng)室還配備了溫度控制裝置，能夠精確控制反應(yīng)溫度，確保反應(yīng)在適宜的溫度條件下進(jìn)行。

（4）控制系統(tǒng)優(yōu)化

      控制系統(tǒng)是儀器的核心部分，能夠?qū)崿F(xiàn)對光源、溫度、攪拌等參數(shù)的精確控制。采用微處理器作為控制核心，通過傳感器實時采集反應(yīng)室的溫度、光照強度等參數(shù)，并根據(jù)設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。

      控制系統(tǒng)還具備人機交互界面，操作人員可以通過界面設(shè)置反應(yīng)參數(shù)、查看實驗數(shù)據(jù)等。同時，系統(tǒng)還具有數(shù)據(jù)存儲和導(dǎo)出功能，能夠?qū)嶒灁?shù)據(jù)進(jìn)行存儲和導(dǎo)出，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理。

三、性能評估

（1）光照均勻性評估

      采用光照度計對反應(yīng)區(qū)域內(nèi)的光照強度進(jìn)行測量，評估光照均勻性。在反應(yīng)區(qū)域內(nèi)選取多個測量點，分別測量其光照強度，計算光照強度的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）。RSD 越小，表明光照均勻性越好。經(jīng)過測試，優(yōu)化后的平行光化學(xué)反應(yīng)儀在反應(yīng)區(qū)域內(nèi)的光照強度 RSD 小于 5%，表明其具有良好的光照均勻性。

（2）反應(yīng)效率評估

       選取典型的光化學(xué)反應(yīng)作為模型反應(yīng)，比較優(yōu)化前后儀器的反應(yīng)效率。以亞甲基藍(lán)的光催化降解反應(yīng)為例，在相同的實驗條件下，分別使用優(yōu)化前后的儀器進(jìn)行實驗，測量亞甲基藍(lán)的降解率。實驗結(jié)果表明，優(yōu)化后的儀器能夠顯著提高亞甲基藍(lán)的降解率，反應(yīng)效率提高了 20% 以上。

（3）穩(wěn)定性評估

      對優(yōu)化后的儀器進(jìn)行長時間連續(xù)運行測試，評估其穩(wěn)定性。在連續(xù)運行 100 小時的過程中，定期測量反應(yīng)室的溫度、光照強度等參數(shù)，觀察其變化情況。測試結(jié)果表明，儀器的各項參數(shù)均保持穩(wěn)定，溫度波動小于 ±0.5℃，光照強度波動小于 ±2%，表明其具有良好的穩(wěn)定性。

（4）能耗評估

      測量優(yōu)化前后儀器的功耗，評估其能耗情況。實驗結(jié)果表明，優(yōu)化后的儀器由于采用了高效的 LED 光源和優(yōu)化的電路設(shè)計，功耗較優(yōu)化前降低了 30% 以上，具有良好的節(jié)能效果。

四、結(jié)論

       通過對基于 LED 光源的平行光化學(xué)反應(yīng)儀進(jìn)行光源系統(tǒng)、光路系統(tǒng)、反應(yīng)室和控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，顯著提高了儀器的光照均勻性、反應(yīng)效率、穩(wěn)定性和節(jié)能性。性能評估結(jié)果表明，優(yōu)化后的儀器在光照均勻性方面，反應(yīng)區(qū)域內(nèi)光照強度的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于 5%；在反應(yīng)效率方面，能使典型光化學(xué)反應(yīng)的效率提高 20% 以上；在穩(wěn)定性方面，長時間運行時各項參數(shù)波動較小；在能耗方面，功耗降低 30% 以上。

      該優(yōu)化設(shè)計方案為提高平行光化學(xué)反應(yīng)儀的性能提供了有效的參考，有助于推動光化學(xué)研究和實驗的發(fā)展。未來可以進(jìn)一步研究如何提高儀器的自動化程度和多功能性，以滿足更多復(fù)雜的實驗需求。

產(chǎn)品展示

      SSC-PPCR300平行光化學(xué)反應(yīng)儀，是一款光催化平行反應(yīng)儀，為光化學(xué)合成方法學(xué)研究中催化劑及反應(yīng)條件篩選、底物擴展等過程提供多通道平行反應(yīng)，保證結(jié)果平行可靠的前提下提高反應(yīng)效率。將300WLED光源置于10位反應(yīng)器中心，LED光源旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對任一反應(yīng)器同等光功率密度下的照射。輸出波長覆蓋紫外到紅外光區(qū)，光源波長可定制，滿足不同光化學(xué)合成反應(yīng)的需求，反應(yīng)器具備控溫、進(jìn)氣、出氣、實時取樣、磁力攪拌等功能，可以同時10個樣品平行實驗。

      平行光化學(xué)反應(yīng)儀可應(yīng)用到光催化劑的篩選，提高光催化的效率，實現(xiàn)了平行樣品的分析。主要用于研究氣、液、固相介質(zhì)，固定或流動體系，紫外光、單色光、可見光或模擬太陽光光照，恒溫，同一光強等條件下的光化學(xué)反應(yīng)。

      主要應(yīng)用光化學(xué)催化、光化學(xué)合成、光催化污染物降解（如染料、苯及苯系物）、光催化新污染物降解（如抗生素、酚類）、環(huán)境化學(xué)以及生命科學(xué)、光催化分解水制氫/氧(可控溫)、光催化全分解水(可控溫)等研究領(lǐng)域。 

產(chǎn)品優(yōu)勢：

1)高通量平行反應(yīng)裝置，可實現(xiàn)1～10反應(yīng)位的平行實驗，側(cè)面大面積受光，無遮擋，保證入射光的利用率。

2)模塊化設(shè)計，更新300WLED燈盤簡單便捷。

3)多波長可選，波長組合可定制。

4)水冷或油冷控溫，用于篩選溫度對實驗結(jié)果的影響。

5)標(biāo)配反應(yīng)管具備控溫、進(jìn)氣、出氣、實時取樣、磁力攪拌等功能。

6)300WLED光源可以圍繞軸心自旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)均勻平行照射。

7)LED光源可以在線熱插拔更換不同波長的光源。

8)實現(xiàn)了從365nm-940nm可選的15個單色波長和可見光白光。

9)LED光源功率30W—300W連續(xù)可調(diào)，實現(xiàn)寬范圍功率變化。

10)LED光源系統(tǒng)光功率、旋轉(zhuǎn)、磁力攪拌分別獨立控制。