通过使用定制的低噪声、高增益电流放大器记录的电喷雾电流，实现液滴微流控技术与离子迁移谱技术的同步

《Talanta》：Synchronizing droplet microfluidics and ion mobility spectrometry via the electrospray current recorded with a tailored low-noise, high-gain current amplifier

离子迁移谱与微流控技术结合，利用电喷雾电离实现液滴离子化，通过高增益低噪声电流放大器检测ESI电流变化，同步触发离子迁移谱数据采集，抑制油相干扰提升信噪比。

　　在现代科学与技术的发展中，分析技术的进步对于提高检测精度和效率具有重要意义。本文探讨了一种将离子迁移谱（Ion Mobility Spectrometry, IMS）与液滴微流控技术（Droplet Microfluidics）相结合的方法，并提出了一种基于电喷雾离子化（Electrospray Ionization, ESI）电流触发模块（ESI Current Trigger Module, ECTM）的设计，以实现两者之间的同步，从而提升检测信号的信噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR）并优化数据采集过程。这项研究对于提高分析精度、减少数据冗余、提升检测效率等方面具有重要价值。

### 离子迁移谱与电喷雾离子化技术的结合

离子迁移谱是一种广泛应用的分析技术，尤其在快速检测挥发性痕量化合物方面表现出色。在常规操作中，样品通常通过大气压化学电离（Atmospheric Pressure Chemical Ionization, APCI）进行电离，并在气相中进行离子分离。由于其快速响应和高灵敏度，离子迁移谱常用于安全与安保领域，例如化学战剂、有毒工业化合物和爆炸物的检测，以及生物分析、药物检测和医学诊断等。然而，当处理液态样品时，电喷雾离子化技术（ESI）成为重要的手段，它能够将液体样品转化为气相并同时实现离子化。这一过程涉及高电场作用下液滴的蒸发与分裂，最终形成可检测的离子。

与传统的连续液态样品流不同，液滴微流控技术通过将样品封装在油相中，形成独立的液滴。这种方式能够实现对每个液滴的独立处理，从而提升反应效率和数据的准确性。然而，这种结构也带来了新的挑战：在液滴微流控中，电喷雾电流的产生是间断的，因为液滴与油相交替出现。在常规的离子迁移谱中，通常通过平均化处理来降低噪声并提高检测灵敏度。但这种方式在液滴微流控中并不适用，因为油相本身并不含有任何信息，其电流信号被错误地包含在平均化过程中，反而会降低信噪比。

因此，为了在液滴微流控与离子迁移谱的结合中实现有效信号检测，必须引入一种触发机制，以确保在液滴出现时才进行数据采集。这种触发机制的核心在于对电喷雾电流的实时监测，以便在液滴出现时启动离子迁移谱的检测流程。这一策略不仅提高了检测精度，还减少了不必要的数据采集，从而提升了整体效率。

### ECTM的设计原理

本文提出了一种专门设计的电流触发模块（ECTM），其主要功能是监测电喷雾电流的变化，并在液滴出现时触发离子迁移谱的数据采集。ECTM由三个关键组件构成：电流-电压转换器（Transimpedance Amplifier, TIA）、整流器（Rectifier, RECT）和比较器（Comparator, COMP）。这些组件协同工作，以确保在液滴存在期间能够准确地捕捉到电喷雾电流的变化。

电流-电压转换器（TIA）负责将微弱的电喷雾电流信号转化为可处理的电压信号。由于电喷雾电流通常在数百纳安（nA）范围内，因此需要一个高增益、低噪声的放大器来保证信号的完整性。随后，整流器将转换后的信号进行处理，使其能够同时监测正负离子。这一过程对于保持信号的完整性和减少噪声至关重要。

比较器则负责根据预设的参考电压和偏移电压生成触发信号。当电喷雾电流上升至设定阈值时，比较器将发送触发信号，启动离子迁移谱的数据采集过程。为了确保触发信号的及时性，整个系统的设计需要考虑电子延迟问题，确保其能够在毫秒级时间内响应液滴的出现。

### ESI电流的理论估算与模型建立

在设计ECTM之前，需要对电喷雾电流的理论值进行估算。根据Pfeifer等人提出的模型，电喷雾电流的大小取决于流速、电场强度和电导率等参数。此外，溶剂的介电常数和表面张力也会影响电流的生成。这些参数的组合构成了一个数学模型，能够预测电喷雾电流的变化趋势。

然而，模型中的指数项并非固定不变，而是依赖于具体的实验条件，因此在实际应用中需要进行适当的调整。为了提高模型的准确性，本文还引入了一个体积依赖项，该项考虑了液滴在喷嘴中体积变化的过程。通过这一模型，研究人员能够更精确地预测电喷雾电流的变化，并据此设计触发机制。

在实验中，研究人员使用了甲醇与水的混合溶剂（80:20），并添加了0.1%和1%的甲酸以增强电导率。这些溶剂的物理和化学性质被详细记录，并用于后续的实验验证。通过比较理论值与实际测量值，研究人员发现模型在某些条件下存在一定的偏差，但总体上仍能提供可靠的预测。

### 实验验证与结果分析

在实验部分，研究人员首先对ECTM的放大器进行了频率响应测试，以验证其性能。测试结果表明，放大器的截止频率与模拟结果非常接近，仅存在微小的偏差。这一结果证明了ECTM在信号处理方面的可靠性。

随后，研究人员对电喷雾电流的触发机制进行了验证。通过使用不同比例的溶剂和添加剂，他们发现电喷雾电流的大小与溶剂的电导率密切相关。当溶剂中加入更多的甲酸时，电流显著增加，这表明甲酸在电喷雾过程中的重要作用。

在与液滴微流控技术结合的实验中，研究人员观察到，当液滴出现时，电喷雾电流会迅速上升，并在随后的微秒级时间内达到峰值。这一现象为触发机制提供了可靠的依据。通过使用ECTM，研究人员能够在液滴出现时立即启动离子迁移谱的检测，从而显著提高信噪比。

实验数据显示，触发后的离子迁移谱信号强度明显高于未触发的情况。例如，在相同的检测时间段内，触发后的信号强度提高了5.46倍。这表明，ECTM在提升检测精度方面具有显著优势。此外，触发机制还使得数据存储更加高效，因为只有在液滴存在时才记录数据，避免了大量空白数据的采集。

### 应用前景与未来方向

ECTM的应用不仅限于离子迁移谱与液滴微流控的同步，还可能拓展到其他分析技术的优化中。例如，该模块可以用于实时监测电喷雾电流，从而实现对电喷雾过程的主动控制。这种控制方式能够进一步提升分析效率，减少不必要的能耗，并提高实验的可重复性。

此外，ECTM的设计也为未来的研究提供了新的思路。例如，研究人员可以探索不同类型的液滴生成方式，以优化电喷雾电流的变化规律。同时，通过改进触发信号的生成方式，可以进一步提高系统的响应速度和准确性。

总之，本文提出了一种基于电喷雾电流的触发模块（ECTM），实现了离子迁移谱与液滴微流控技术的高效同步。这一设计不仅提高了检测精度，还优化了数据采集过程，为未来的分析技术发展提供了重要的参考。