نظام قياس زمن التبخّر باستخدام موصل-أكسيد-مكمل (CMOS) لمراقبة المركبات الكيميائية الثنائية

لماذا يهم توقيت القطرات الصغيرة

من فحص محتوى الكحول في المشروبات إلى التحقق من جودة الوقود أو مراقبة الملوثات، تحتاج صناعات عديدة إلى معرفة تركيبة عينات سائلة صغيرة بدقة. تقنيات المختبر الحالية القياسية قوية لكنها غالبًا ما تكون بطيئة وكبيرة ومكلفة. تقدم هذه الورقة أداة جديدة مبنية على شريحة تقرأ «بصمة التبخر» للقطرات المجهرية لتكشف تركيبتها. الهدف هو ضم جزء من مختبر الكيمياء على شريحة إلكترونية منخفضة التكلفة، ما يفتح الباب أمام فحوصات كيميائية سريعة ومتنقلة في المصانع والعيادات وحتى الأجهزة القابلة للارتداء.

طرق قديمة وجديدة لقراءة سائل

هناك عدة طرق لقياس الكحول وغيرها من المواد الكيميائية في السوائل. تقنيات كلاسيكية مثل التقطير وأجهزة متقدمة مثل عمود الكروماتوغرافيا الغازية أو المطيافات يمكن أن تكون دقيقة للغاية، لكنها تتطلب مشغلين مهرة، وعينات كبيرة، ومعدات ثابتة. أدوات أبسط مثل موازين الكثافة أرخص وأسهل استخدامًا، لكنها تتأثر بالأخطاء الناجمة عن تغيرات الحرارة أو الشوائب. يقارن المؤلفون هذا المشهد ويبرزون فجوة: لا توجد بعد طريقة صغيرة جدًا ومنخفضة التكلفة يمكنها قياس التركيب بسرعة من أقل من ميكرولتر واحد من العينة، مع تحضير ضئيل والعمل خارج المختبر الكامل. هنا تنطبق مقاربتهم القائمة على CMOS، مستفيدة من نفس التكنولوجيا المستخدمة في تصنيع رقائق الكمبيوتر.

شريحة تستمع إلى اختفاء القطرة

اللب الجديد للنظام، المسمى ITEMS (نظام قياس زمن التبخر المتكامل)، هو مجموعة من أقطاب معدنية على شكل مشط مدمجة على شريحة CMOS قياسية. عندما تُوضع قطرة صغيرة من خليط ماء–كحول على هذه الأقطاب، فإنها تغير السعوية الكهربائية للشريحة، وهي مقياس لقدرة القطرة على تخزين الشحنة الكهربائية. أثناء تبخر القطرة ترتفع هذه السعوية، ثم تبقى ثابتة نسبيًا لفترة (هضبة)، ثم تنخفض مرة أخرى. يتتبع الباحثون ثلاث فترات زمنية في هذا الإشارة والوقت الكلي حتى اختفاء القطرة. لأن الكحولات مثل الإيثانول والميثانول تتبخر أسرع من الماء، فإن الخلائط ذات المحتوى الأكبر من الكحول تعطي فترات هضبة وزمن تبخر كلي أقصر، مما يمنح كل تركيبة نمط توقيت مميز.

من الإشارات الخام إلى أنماط ذات معنى

لتحويل هذه التغيرات الطفيفة إلى قياسات موثوقة، تشتمل الشريحة على دائرة على اللوح تحول انزياحات السعوية الصغيرة إلى إشارة رقمية يمكن للميكروكنترولر قراءتها. اختبر الفريق خلائط الإيثانول–ماء والميثانول–ماء والإيثانول–ميثانول عبر نطاق كامل من التركيزات، وعند درجات حرارة من درجة حرارة الغرفة حتى 60 °م. وجدوا أن زمن التبخر وتغير السعوية لا يتغيران بطريقة خطية بسيطة مع التركيز، خصوصًا عند درجات الحرارة الأعلى حيث يتسارع التبخر. لالتقاط هذه الاتجاهات المنحنية، قارنوا ملاءمة الخط المستقيم الأساسية مع طريقة أكثر مرونة تعرف باسم LOESS، التي تتبع البيانات بسلاسة دون افتراض صيغة بسيطة. طابقت LOESS باستمرار المنحنيات التجريبية بشكل أفضل، مؤكدة أن استجابة المستشعر غنية لكنها غير خطية بشكل متوقع.

ضبط الحرارة وقراءة الخلائط المعقدة

من خلال مسح العديد من تركيبات الحرارة ونوع الخليط، رسم الباحثون خريطة لكيفية تصرف كل معلمة رئيسية. بالنسبة لقطرات ماء–إيثانول، كانت التغيرات في السعوية وزمن التبخر قوية بشكل خاص، مما سهل التمييز بين التركيزات المتقاربة. أظهرت قطرات ماء–ميثانول تأثيرات مماثلة ولكن أخف قليلًا، بينما تصرفت خلائط الإيثانول والميثانول بدون ماء بلطف أكبر. أدى رفع درجة الحرارة إلى تضخيم الاختلافات وتقصير زمن التبخر الكلي، وهو أمر مفيد للحصول على قراءات أسرع لكنه يتطلب نمذجة دقيقة. تُظهر الدراسة أنه باختيار درجات حرارة مناسبة واستخدام تحليل غير خطي، يمكن لنفس المستشعر الصغير أن يغطي نطاقًا واسعًا من الخلائط ويعطي قراءات متكررة وعالية الحساسية من قطرات أصغر من رأس الدبوس.

من منضدة المختبر إلى الميدان والسرير

بعبارات بسيطة، يبرهن العمل أنه يمكنك «الاستماع» إلى كيفية اختفاء قطرة لمعرفة ما بداخلها. من خلال دمج أقطاب الاستشعار وإلكترونيات التوقيت وواجهة رقمية على شريحة CMOS واحدة، يقدم ITEMS منصة مدمجة ومنخفضة الطاقة للمراقبة الكيميائية. مع حاجة نحو ميكرولتر واحد فقط من العينة وبدون علامات أو مواد كيميائية مضافة، يمكن تكييفه لفحوصات بيئية، ومراقبة جودة صناعية، أو حتى مراقبة كميات ضئيلة من سوائل الجسم مثل العرق أو اللعاب للتشخيص الصحي. يجادل المؤلفون أنه مع مزيد من الصقل وبرمجيات ذكية، يمكن أن تتطور هذه البصمة القائمة على التبخر إلى أدوات محمولة أو قابلة للارتداء عملية تنقل تحليل السوائل المتقدم بعيدًا عن المختبر المركزي وتقربه إلى مكان اتخاذ القرار.

الاستشهاد: Ghafar-Zadeh, E., Forouhi, S., Osouli Tabrizi, H. et al. Complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) time of evaporation measurement system for binary chemical monitoring. Sci Rep 16, 5542 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35322-x

الكلمات المفتاحية: استشعار التبخر, مستشعر حيوي CMOS, خليطات سائلة ثنائية, تركيز الكحول, مستشعر سعوي