专利名称：用于微流控芯片上样品直接电喷雾电离的装置及质谱分析方法
用于微流控芯片上样品直接电喷雾电离的装置及质谱分析 方法技术领域
本发明属于微流控芯片技术领域，具体涉及一种可用于微流控芯片上样品直接电 喷雾电离的装置及质谱分析方法。
背景技术：
微流控芯片分析是以芯片为操作平台，同时以分析化学为基础，以微机电加工 技术为依托，以微管道网络为结构特征，目标是把整个化验室的功能，包括采样、稀释、 加试剂、反应、分离、检测等集成在微芯片上，且可以多次使用。微流控芯片分析技术具有 液体流动可控、消耗试样和试剂极少、分析速度快等特点，它可以在几分钟甚至更短的时间 内进行上百个样品的同时分析，并且可以在线实现样品的预处理和分析的全过程。由于它 在生物、化学、医学等领域的巨大潜力，已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材 料、机械等学科交叉研究的新热点。也是基于上述特点，流控分析芯片在美国被称为“芯 片实验室”(lab-on-a-chip),在欧洲被称为“微整合分析芯片”(micrototal analytical systems)。
现如今，微流控芯片技术用于生命科学的研究已然发展成为分析领域发展的重 点，而质谱作为一种灵敏的检测手段也广泛受到了科学家的欢迎。微流控芯片和质谱的联 用技术结合了微流控芯片以及质谱的优点，成为大家研究的热点。在微流控和质谱的接口 方面，已经有很多专家学者做了尝试。开始人们使用在芯片的孔径中插入毛细管导出分析 液体，然后经过三通，加上电压与常规电喷雾喷针来进行喷雾从而进行质谱检测，这种操作 方式简单，但是如果使用的是纳升级流速常规的喷针喷雾不稳定，得到的信号就很差；大连 化物所的林炳承课题组改进了这种喷雾方式，使用了鞘流液体，使喷雾信号稳定，但是鞘流 液在一定程度上稀释了样品，牺牲了质谱的灵敏度；清华大学的罗国安课题组，在微流控芯 片上面加工多孔膜结构来实现电流导通，作为芯片和质谱的接口，但是加工程序复杂，也不 易大面积推广；近几年来，陆续有学者探索将质谱的喷头集成到芯片上，各自有各自的方 式，但是都需要额外的操作相对复杂，不易掌握。
在商品化方面，微流控芯片陆续有各种商业化的芯片上市，包括凝集素芯片、抗体 芯片等等，在芯片质谱联用方面，安捷伦公司最先推出了它的芯片质谱系统，是将电喷雾喷 针装置集成在芯片本身上面，虽然灵敏度稳定性都很好，但是价格也比较昂贵。为了解决这 样一个问题，本发明一种简便的无需修改芯片通路，即可完成通道内样品电离，并用于质谱 分析的技术装置，操作简单，成本低廉，不需要额外的加工芯片系统就能很好的完成质谱检 测。发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于微流控芯片上样 品直接电喷雾电离的装置及其方法，用以解决现有微流控装置在于质谱联用中所存在的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于微流控芯片上样品直接电 喷雾电离的装置，该装置至少包括用于放置微流控芯片的三维操作平台；提供喷雾电压的电极；该电极固定在微流控芯片内部，或置于芯片外，独立设置；提供喷雾电压的脉冲高压电源，用以在充、放电过程中使微流控芯片的微通道内的溶 液中产生感应电荷，从而形成喷雾；以及设置于电离装置旁的质谱，用于质谱分析。
该装置中，所述电极与微流控芯片通道内的液体不发生直接接触。
该装置中，所述脉冲高压电源为直流脉冲电源，输出模式可以为单次脉冲或连续 脉冲。
该装置中，无需在芯片上加装喷针或修改芯片通道设计。
本发明还包括用于微流控芯片上样品直接电喷雾电离的质谱分析方法，具体步骤 为(1)将连接有高压脉冲电源的电极置于微流控芯片微通道出口的背面(芯片正面朝向 质谱进样口)，电极与通道内溶液间距离为O. 5 2mm；(2)调节三维操作平台，将微流控芯片出口调整到距质谱进样口5 10mm；(3)将液体样品通入到微流控芯片内；(4)给所述电极提供高压脉冲信号，电极与通道内溶液间形成电容；在充、放电过程中， 通道出口处的溶液表面产生大量电荷，发生电喷雾现象，从而电离微通道内的样品，进行质 谱分析。
本发明无需修改芯片内的通路设计，即可完成通道内样品的电离并用于质谱分 析。操作简单，成本低廉，无需额外的加工芯片就能很好的实现微流控芯片技术与质谱分析 技术的联用。
图1为本发明装置结构图示。其中，(a)为本发明微流控芯片上样品直接电喷雾 电离的装置示意图；(b)为电极置于芯片外，独立设置的示意图；(C)为电极固定在微流控 芯片内部时的装置示意图。
图2为本发明另一用于微流控芯片上样品直接电喷雾电离的装置示意图。
图3为本发明在微通道出口处未采用样品池的设计时，用于微流控芯片上样品直 接电喷雾电离的装置示意图。
图4为本发明在微通道设计为沟槽时，从沟槽中断提取样品电离的用于微流控芯 片上样品直接电喷雾电离的装置示意图。
图中标号1为高压脉冲电源，2为电极，3为微流控芯片，4为微通道，5为质谱，6 为平台，7为绝缘层。
具体实施方式
以下通过具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式
加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
参阅图1至图4所示。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可据需要随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
为了实现一种可以无需改动微流控芯片设计，即可较好的实现微流控技术与质谱技术联用的方法和装置，本发明提供了一种利用脉冲电源的，无需电极与通道内液体样品直接接触的质谱电喷雾电离装置及其质谱分析方法。该装置操作简单、成本低廉，可以较好的完成各种类型的微流控芯片与质谱分析技术的联用。
本发明涉及一种简便的无需修改芯片通路，即可完成通道内样品电离，并用于质谱分析的技术装置，操作简单，成本低廉，不需要额外的加工芯片系统就能很好的完成质谱检测。本发明所涉及装置主要包括放置微流控芯片的三维操作平台；提供喷雾电压的电极和脉冲高压电源；所述提供喷雾电压的电极与微流控芯片中的液体不发生直接接触；以及设置在电离装置旁的质谱。
所述微流控芯片可以固定在三维调节平台上，调节其微通道出口处与质谱间的位置，使得通道出口处于合适的位置，可以在喷雾形成后使电离的样品较好的进入质谱分析。 该装置使用可以产生脉冲直流的高压电源，输出频率为I Hz 10 kHz，输出电压在:Γ15 kV，具体的输出频率和输出电压需根据所分析样品种类及流速等具体调节。所述微流控芯片需选用绝缘性较好的材质，当通道内溶液流到出口处附近时，溶液与电极之间形成电容。
一种用于微流控芯片上样品直接电喷雾电离的质谱分析方法，具体步骤为1)将连接有高压脉冲电源的电极置于芯片微通道出口的背面(芯片正面朝向质谱进样口)，电极与通道内溶液间距离为O. 5 2mm；2)调节三维操作平台，将芯片出口调整到距质谱进样口5 10mm；3)将所述液体样品通入到微流控芯片内；4)给所述电极提供高压脉冲信号，电极与通道内溶液间形成电容。在充、放电过程中， 通道出口处的溶液表面产生大量电荷，发生电喷雾现象，从而电离微通道内的样品，进行质谱分析。
实施例1如图1所示，微流控芯片3，固定在其三维调节平台6上。调节三维调节平台，使其微通道4的出口位于质谱5的进样口前5 IOmm处，以便电离时可以较好的离子化。将待测液体通入样品微通道4，将液体输送到微通道的出口处。接通脉冲电源1，输出脉冲直流的高压电信号到极板2上，输出频率为I Hz 10 kHz，输出电压在:Γ15 kV，具体的输出频率和输出电压需根据所分析样品种类及流速等具体调节。
当电源I处于脉 冲输出的上升沿时，溶液会因充电而形成双电层(靠近电极处聚集负电荷，远离电极处聚集正电荷)，大量正电荷会在靠近质谱进样口(进样口外壳接地)的微通道出口处聚集，并在表面张力和库伦斥力的作用下形成泰勒椎体，发生电喷雾，从而使溶液中的样品分子带正电。当电源I处于脉冲输出的下降沿时，电极2上积聚的正电荷会流过接地的电阻(该装置中采用500ΜΩ)，完成放电。在放电过程中，通道中的溶液会在通道出口处积聚负电荷。电极板上放电时间越短，微通道出口处聚集的负电荷就会越多。此时， 就容易使样品分子带负电。
如上所述，该装置可以以脉冲的方式使待测样品交替产生正离子和负离子。若所联用的质谱5置于正离子检测模式，则可检测到通道内样品的正离子信号；若质谱仪置于负离子检测模式，则可检测样品的负离子信号。若所联用的质谱仪具有同时(或可快速切换)进行正、负离子模式检测，则可一并对样品产生中正、负离子进行检测。
实施例2本实施例与实施例1装置类似，不同之处仅在于所联用的微流控芯片的微通道出口处的设计与实例I所示不同。如图2所示，微通道出口处的样品微池在芯片的上、下两面均有开口。此时需在电极2表面包覆绝缘层7 (厚度O. 5mnT2mm)。将包覆有绝缘层7的电极2 置于微通道出口的一端，另一端指向质谱进样口。如实施实例I所述，样品经样品微通道4 流入样品微池后，在电源2输出的脉冲高电压的作用下，产生样品离子，供质谱5检测。
实施例3本实施例与实施例1装置类似，不同之处仅在于所联用的微流控芯片的微通道出口处的设计与实例I所示不同。样品微通道4的出口处的未采用样品微池的设计，样品在微通道中直接流出。此时，如图3所示，电极2需放置在样品微通道4出口处附近的芯片侧面。 如实施实例I所述，样品经样品微通道4流至通道出口处后，在电源2输出的脉冲高电压的作用下，产生样品离子，供质谱5检测。
实施例4 本实施例与实施例1装置类似，不同之处仅在于所联用的微流控芯片的微通道的设计与实例I所示不同。如图3所示，该种芯片上样品微通道4为敞开式沟槽。本发明也可在该种通道的中段对通道内液体进行解吸和电离。此时，电极2需放置在与采样段相对应的芯片背面位置。如实施例一所述，样品经样品微通道4流经采样段时，在电源2输出的脉冲高电压作用下，产生样品离子，供质谱5检测。
如上述实施例1 例4所述，本发明可以在微流控芯片出口处附近，利用脉冲高压的对电极的充、放电过程，使溶液样品无需与电极直接接触即可使样品发生电喷雾，从而电离样品，进行质谱检测。该方法中，带电电极未与待测溶液直接接触，不会因电极上发生化学反应而影响微流控芯片的原有功能。此外，该装置可以适应多种形式的微流控芯片的通路设计，无需对微流控芯片的样品通道进行额外的修改，可以较好的实现微流控芯片技术与质谱分析技术的联用综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
权利要求
1.一种用于微流控芯片上样品直接电喷雾电离的装置，其特征在于，该装置至少包括用于放置微流控芯片的三维操作平台；提供喷雾电压的电极；该电极固定在微流控芯片内部，或者置于芯片外，独立设置；提供喷雾电压的脉冲高压电源，用以在充、放电过程中使微流控芯片的微通道内的溶液中产生感应电荷，从而形成喷雾；以及设置于电离装置旁的质谱，用于质谱分析。
2.根据权利要求1所述的用于微流控芯片上样品直接电喷雾电离的装置，其特征在于所述用于提供喷雾电压的电极与微流控芯片中的液体不发生直接接触。
3.根据权利要求1所述的用于微流控芯片上样品直接电喷雾电离的装置，其特征在于所述电源为直流脉冲高压电源，输出模式为单次脉冲或连续脉冲。
4.根据权利要求1所述的用于微流控芯片上样品直接电喷雾电离的装置，其特征在于所述直流脉冲高压电源的输出频率为I Hz 10 kHz，输出电压为:Γ15 kV。
5.根据权利要求1所述的用于微流控芯片上样品直接电喷雾电离的装置，其特征在于所述电源为交流电源。
6.一种采用权利要求1-4之一所述的装置用于微流控芯片上样品直接电喷雾电离的质谱分析方法，其特征在于具体步骤为(1)将连接有高压脉冲电源的电极置于微流控芯片微通道出口的背面，微流控芯片正面朝向质谱进样口，电极与通道内溶液间距离为O. 5 2mm；(2)调节三维操作平台，将微流控芯片出口调整到距质谱进样口5 10mm；(3)将液体样品通入到微流控芯片内；(4)给所述电极提供高压脉冲信号，电极与通道内溶液间形成电容；在充、放电过程中， 通道出口处的溶液表面产生大量电荷，发生电喷雾现象，从而电离微通道内的样品，进行质谱分析。
全文摘要
本发明属于微流控芯片技术领域，具体为一种用于微流控芯片上样品直接电喷雾电离的装置及质谱分析方法。本发明装置至少包括放置微流控芯片的三维操作平台；提供喷雾电压的电极和脉冲高压电源,所述提供喷雾电压的电极与微流控芯片中的液体不发生直接接触；以及设置在电离装置旁的质谱。本发明无需在微流控芯片上制作或连接喷针或改变芯片微通道的原有设计，即可利用脉冲电压的充、放电过程，对芯片微通道内的溶液样品直接电离，进行质谱分析。此外，该装置中高压电机与溶液无直接接触，不会因电极上发生化学反应而影响微流控芯片的原有功能。该装置操作简单，方便，适用于微流控芯片上样品的直接电离、质谱分析。
文档编号G01N27/68GK103033556SQ201210580139
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月28日 优先权日2012年12月28日
发明者贾滨, 聂磊, 徐国宾, 杨芃原 申请人:复旦大学
专业数控铣床产品供应商
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