用于二元化学监测的互补金属氧化物半导体（CMOS）蒸发时间测量系统

为何测量微小液滴的时间很重要

从检测饮品的酒精含量到检查燃料质量或监测污染物，许多行业都需要精确了解微量液体样本中溶解了哪些成分。当前实验室的金标准方法功能强大，但通常速度较慢、设备体积大且成本高。本文介绍了一种新的基于芯片的工具，它通过读取微小液滴的“蒸发指纹”来揭示其成分。该方法旨在将化学检测的部分功能缩减到低成本电子芯片上，从而为工厂、诊所乃至可穿戴设备提供快速、便携的化学检测可能性。

读懂液体的传统与新途径

测量液体中酒精和其他化学物质有多种方法。像蒸馏这样的经典技术以及气相色谱或光谱仪等高端设备可以非常精准，但它们需要熟练操作人员、大量样本和固定设备。更简单的工具如密度计更便宜、更易使用，但容易受温度变化或杂质影响而产生误差。作者对这些方法进行了比较，并指出了一个空白：目前尚无一种既非常小巧又低成本、能从小于一微升的样品中快速测出成分、且能在实验室外使用的方法。他们的基于CMOS的方案正是为填补这一空白而来，利用了制造计算机芯片的同一技术。

一枚能“听见”液滴消失的芯片

该系统的核心称为ITEMS（Integrated Time-of-Evaporation Measurement System，集成蒸发时间测量系统），由一组梳状金属电极构建在标准CMOS芯片上。当一滴水-酒精混合液置于这些电极上时，会改变芯片的电容——即液滴储存电荷的能力。随着液滴蒸发，这个电容会先上升、保持相对平稳的阶段然后再次下降。研究人员在该信号中追踪三个时间段以及液滴完全消失的总时间。由于乙醇和甲醇等酒精比水蒸发得更快，含酒精比例更高的混合物会产生更短的平台期和更短的总蒸发时间，从而为每种成分组合提供独特的时间模式。

从原始信号到有意义的模式

为了将这些微弱变化转换为可靠的测量值，芯片包含了一个板载电路，将细微的电容变化转换为微控制器可读的数字信号。团队测试了乙醇-水、甲醇-水和乙醇-甲醇混合物的全浓度范围，并在室温到60°C的温度下进行了实验。他们发现蒸发时间和电容变化并不随浓度以简单线性关系变化，特别是在温度较高、蒸发加速时。为捕捉这些弯曲趋势，他们将基本的直线拟合与一种更灵活的方法LOESS进行了比较，LOESS能在不假定简单公式的情况下平滑跟随数据。LOESS始终能更好地拟合实验曲线，证实了传感器响应虽复杂但具有可预测的非线性特征。

调节温度与读取复杂混合物

通过扫描多种温度和混合类型的组合，研究人员绘制了各关键参数的行为图谱。对于水-乙醇液滴，电容和蒸发时间的变化尤其明显，使得区分相近浓度更为容易。水-甲醇液滴呈现出类似但略微温和的效应，而不含水的乙醇与甲醇混合物变化则更平缓。升高温度会放大这些差异并缩短总蒸发时间，这有利于加快读数，但也要求更精确的建模。研究表明，通过选择合适的温度并使用非线性分析，同一小型传感器可以覆盖广泛的混合物范围，并从小于针尖大小的液滴中提供可重复、高灵敏度的读数。

从实验台到现场与床边

简而言之，这项工作证明你可以通过“听”液滴如何消失来判断其内部成分。通过在一块CMOS芯片上集成传感电极、计时电子学和数字接口，ITEMS提供了一个紧凑、低功耗的化学监测平台。仅需约一微升样本且无需标记或添加化学试剂，该技术可被改造用于环境检测、工业质量控制，甚至用于监测少量体液如汗液或唾液以进行健康诊断。作者认为，随着进一步改进和智能软件的加入，这种基于蒸发的指纹识别有望发展成实用的手持或可穿戴工具，把复杂的液体分析从中央实验室带到更靠近决策点的场景中。

引用: 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

关键词: 蒸发传感, CMOS 生物传感器, 二元液体混合物, 酒精浓度, 电容传感器