通过超快离子迁移谱技术实现液滴的快速化学分析

《Analytical Chemistry》：Fast Chemical Analysis of Droplets Unlocked by Ultra-Fast Ion Mobility Spectrometry

微流控技术与超快速离子迁移谱（IMS）联用实现每秒120次的高通量液体分析，适用于无标记、全谱检测，通过定制电喷雾接口和单晶硅微滴发生芯片，在纳升级反应中实时监测配体比例变化，验证了IMS在微流控高通量分析中的可行性，并计算显示其绿色化学指标达0.86。

　　这项研究首次将高通量微流控技术与超快离子迁移谱仪（IMS）相结合，为实现无标记、全面的液滴内容分析提供了新的方法。微流控系统以其微型化、自动化和高通量的特性，已成为化学过程的重要平台。其中，液滴微流控技术尤为突出，它通过不相容的分段流产生纳升至皮升级别的液滴，能够将反应和分析过程进行有效隔离。这种技术特别适合高通量筛选和高内容分析，因其液滴生成速率可达千赫兹级别，能够快速操控和处理液滴。

然而，当前对化学复杂液滴内容的高频率分析仍然面临挑战。传统的方法如荧光检测虽然具有极高的灵敏度和检测速率，但其化学特异性有限，且依赖于荧光标记，无法用于识别未知或未标记的化合物。其他替代方法，如光热光谱、基于拉曼的光谱技术（包括SERS）或紫外-原生荧光和吸收检测，虽然能在一定程度上扩展分析范围，但仍难以提供全面的化学信息。

在这一背景下，质谱（MS）被认为是与液滴系统兼容的最具有化学信息量的检测技术。MS能够对液滴内容进行详细分析，包括未知化合物和复杂混合物。然而，其在液滴微流控中的应用受到实际限制，尤其是在检测速率（通常不超过50 Hz）、需要在高真空条件下运行以及设备的高复杂性和成本等方面。尽管近年来仪器技术有所进步，但MS在高频率液滴流中的应用仍然受到一定限制。

因此，离子迁移谱仪（IMS）作为一种新兴的检测技术，展现出巨大的潜力。IMS是一种无标记的气体相分离技术，能够根据离子的大小、形状、质量和电荷进行区分。与传统的MS设备相比，IMS设备具有紧凑的体积、坚固的结构和较高的重复率，能够避免高真空系统的复杂性和高昂成本。虽然IMS在安全、环境和过程监测等领域已有广泛应用，但在微流控应用中的快速、高化学敏感性检测潜力才刚刚开始被探索。

本研究基于近期高分辨率IMS设备的发展，包括离子门控、信号处理和多路复用等技术进步，首次实现了液滴微流控与定制IMS设备的直接耦合，证明了其兼容性和分析可行性。结合了一种新型的超快IMS系统，其重复率可达2000 Hz，使得在高频率液滴流中实现化学检测成为可能。这种技术的融合为实时、无标记的液滴化学分析开辟了新的途径，同时保持了高通量和信息含量。

研究中，液滴微流控系统与超快IMS的结合被应用于化学反应的高通量筛选。本研究的目标是评估IMS作为高速液滴流检测器的能力和局限性，为未来在微流控系统中实现实时、无标记分析奠定基础。通过这一技术，可以对液滴内容进行全面分析，包括未知化合物和复杂混合物，从而提高分析的准确性和效率。

在实验部分，研究使用了特定的化学试剂和材料。例如，乙腈（ACN）、甲醇（MeOH）和异丙醇（IPA）等溶剂由VWR Int. GmbH提供，而四己基溴化铵（THA）和醋酸钠（NaAc）则由Merck KGaA提供。5-甲基异吲哚（5-MeI）和苯肼盐酸盐（PhH·HCl）来自TCI Europe N.V.，3M Novec 7500由IoLiTec-Ionic Liquids Technologies GmbH提供，008-FluoroSurfactant由RAN Biotechnologies, Inc.提供。实验用水经过TKA Smart2Pure系统净化，电导率低于0.055 μS/cm。

液滴微流控部分，使用了一种单块熔融石英（FS）液滴生成芯片。该芯片通过选择性激光诱导蚀刻（SLE）技术制造，内部通道直径为100 μm。该芯片设计为Y型结构，使得两个流体流在液滴形成前合并，形成不连续相。液滴生成后，通过PFA材质的转移毛细管传输至定制的电喷雾接口，该接口使用了商用的适配器和管材。电喷雾接口的中心部件是一个380 μm直径的不锈钢毛细管，其中PFA毛细管被同心放置。不锈钢和PFA毛细管在出口端通过手动研磨形成喷嘴，以促进喷雾的形成。该接口的详细信息和性能指标已在其他文献中有所描述。

超快离子迁移谱仪（IMS）的仪器部分，使用了一种紧凑的IMS设备。电喷雾的高压由外部电源提供，应用在喷嘴和接地入口之间。因此，检测器、放大器和ADC（模数转换器）处于高达12.5 kV的高电位。数据采集过程经过隔离处理，详细信息已在其他文献中有所描述。该IMS设备是一个基于印刷电路板（PCB）的漂移管仪器，能够以高达2 kHz的重复率运行，使用氦气作为漂移气体。该设备配备了一个自设计的隔离直流电源，具有50 kV的隔离电压和82.5%的高整体效率。设备的运行参数和照片在表1和图1C中有所描述。进一步的仪器信息和可选设置在其他文献中有所描述。

为了评估生成液滴的频率、大小和间距，使用了高速摄像机在转移毛细管的入口处进行记录。Phantom VEO 410L相机以每秒10,000帧的速度进行拍摄，分辨率为832 × 600像素。通过使用NDPL-1(2x)目镜适配器，将相机安装在显微镜上，显微镜配备了一个4倍物镜，并通过自定义的主动冷却3300 lm COB LED光源进行照明。这些实验的成功表明，液滴微流控与IMS的结合能够实现高质量的液滴生成和检测信号，使得THA的峰面积和峰高残差（RSD）分别为5.2%和4.9%。

在后续实验中，使用了液滴内的反应来进一步验证系统的潜力。例如，5-甲基异吲哚与苯肼之间的缩合反应生成腙产物，作为模型系统。类似反应在以前的高浓度连续样品流中已有研究，但本研究的重点在于评估液滴系统的检测能力。每种反应物分别通过芯片上的Y型结构的通道1和2引入，确保反应物流在液滴形成前合并。为了促进有效的电离，鞘液被调整为8/2（体积比）的MeOH/H2O混合物。同时，进行了直接注入电喷雾（ESI）的比较实验，结果表明直接注入和液滴实验之间的谱信息高度一致，验证了液滴微流控与现有分析过程的兼容性。

通过调整喷雾电压和喷嘴位置，系统能够适应广泛的流速范围。然而，进一步减少毛细管和芯片的内径可能是一个更有前景的路线。尽管这种方法涉及挑战，如保持系统的稳定性和获得合适的毛细管和泵系统，但其能够显著减少样品消耗。同时，检测系统必须能够获取足够的数据点，以确保每个分析峰的准确检测。鉴于液滴轨迹模式与色谱图的相似性，可以借鉴色谱分析的标准准则。最近的文献建议，即使在定量分析中，每个峰仅需六个数据点即可满足需求。这直接影响了适用的采集设置。大多数实验中，最大漂移时间被限制在两毫秒以内，从而实现500 Hz的重复率，理论上足够应对高达83 Hz的液滴流速。为了达到120 Hz的液滴流速，最大漂移时间被缩短至1.6毫秒，重复率提高至625 Hz。尽管这不会降低检测灵敏度，但可能会排除一些大质量离子。通过提高漂移电位，重复率可以进一步增加，使用氦气作为漂移气体时，某些物种的检测速率可达2000 Hz，这可能将本研究中的液滴流速提升三倍。

在实时反应监测和反应物比例控制方面，系统被用于高通量筛选不同反应物组成的液滴。由于反应物在液滴形成前立即混合，通过调整反应物流的相对流速，实现了对单个液滴组成精确控制。分析反应物和产物的信号，使得实时和连续的监测成为可能，从而有望实现反应物比例的无缝优化。为了验证这一点，初始反应物比例为4:1，通过通道1和2的不连续流进行调整，并在10秒内翻转比例，然后恢复原状，同时保持两个通道的总流速恒定。对应的IMS数据使得反应物停留时间和液滴组成能够被精确确定。在29.3秒的停留时间后，反应物比例翻转的影响在0.35秒的短暂时间内变得明显，与泵系统记录的压力读数一致，表明液滴生成系统的快速响应。反应物比例变化的实验在23 Hz的液滴流速下进行，这一速度在保证良好信号质量的同时，实现了非常高的潜在样品通量。例如，在图4所示的35.0至36.2秒的时间段内，液滴峰面积和峰高的残差约为6%。在这一液滴流速下，生成的液滴数量较少，减少了反应物和溶剂的消耗，突显了DHT-IMS在绿色化学方法中的适用性，同时基于AGREE指标系统计算的绿色性评分为0.86。

通过这些实验，DHT-IMS展现出作为高通量反应筛选方法的广阔前景。其能够精确控制液滴组成，并在每个组成下生成大量液滴，同时保持较高的资源和能源效率。这种技术的结合为实时、无标记的液滴化学分析提供了新的途径，同时也为绿色化学方法提供了支持。未来的发展可能进一步提高检测系统的性能，使其能够适应更广泛的流速范围，并实现更高的液滴流速。