專利名稱：用于微流控芯片上樣品直接電噴霧電離的裝置及質(zhì)譜分析方法
用于微流控芯片上樣品直接電噴霧電離的裝置及質(zhì)譜分析 方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于微流控芯片技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可用于微流控芯片上樣品直接電 噴霧電離的裝置及質(zhì)譜分析方法。
背景技術(shù)：
微流控芯片分析是以芯片為操作平臺(tái)，同時(shí)以分析化學(xué)為基礎(chǔ)，以微機(jī)電加工 技術(shù)為依托，以微管道網(wǎng)絡(luò)為結(jié)構(gòu)特征，目標(biāo)是把整個(gè)化驗(yàn)室的功能，包括采樣、稀釋、 加試劑、反應(yīng)、分離、檢測(cè)等集成在微芯片上，且可以多次使用。微流控芯片分析技術(shù)具有 液體流動(dòng)可控、消耗試樣和試劑極少、分析速度快等特點(diǎn)，它可以在幾分鐘甚至更短的時(shí)間 內(nèi)進(jìn)行上百個(gè)樣品的同時(shí)分析，并且可以在線實(shí)現(xiàn)樣品的預(yù)處理和分析的全過(guò)程。由于它 在生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的巨大潛力，已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、流體、電子、材 料、機(jī)械等學(xué)科交叉研究的新熱點(diǎn)。也是基于上述特點(diǎn)，流控分析芯片在美國(guó)被稱為“芯 片實(shí)驗(yàn)室”(lab-on-a-chip),在歐洲被稱為“微整合分析芯片”(micrototal analytical systems)。
現(xiàn)如今，微流控芯片技術(shù)用于生命科學(xué)的研究已然發(fā)展成為分析領(lǐng)域發(fā)展的重 點(diǎn)，而質(zhì)譜作為一種靈敏的檢測(cè)手段也廣泛受到了科學(xué)家的歡迎。微流控芯片和質(zhì)譜的聯(lián) 用技術(shù)結(jié)合了微流控芯片以及質(zhì)譜的優(yōu)點(diǎn)，成為大家研究的熱點(diǎn)。在微流控和質(zhì)譜的接口 方面，已經(jīng)有很多專家學(xué)者做了嘗試。開(kāi)始人們使用在芯片的孔徑中插入毛細(xì)管導(dǎo)出分析 液體，然后經(jīng)過(guò)三通，加上電壓與常規(guī)電噴霧噴針來(lái)進(jìn)行噴霧從而進(jìn)行質(zhì)譜檢測(cè)，這種操作 方式簡(jiǎn)單，但是如果使用的是納升級(jí)流速常規(guī)的噴針噴霧不穩(wěn)定，得到的信號(hào)就很差；大連 化物所的林炳承課題組改進(jìn)了這種噴霧方式，使用了鞘流液體，使噴霧信號(hào)穩(wěn)定，但是鞘流 液在一定程度上稀釋了樣品，犧牲了質(zhì)譜的靈敏度；清華大學(xué)的羅國(guó)安課題組，在微流控芯 片上面加工多孔膜結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)電流導(dǎo)通，作為芯片和質(zhì)譜的接口，但是加工程序復(fù)雜，也不 易大面積推廣；近幾年來(lái)，陸續(xù)有學(xué)者探索將質(zhì)譜的噴頭集成到芯片上，各自有各自的方 式，但是都需要額外的操作相對(duì)復(fù)雜，不易掌握。
在商品化方面，微流控芯片陸續(xù)有各種商業(yè)化的芯片上市，包括凝集素芯片、抗體 芯片等等，在芯片質(zhì)譜聯(lián)用方面，安捷倫公司最先推出了它的芯片質(zhì)譜系統(tǒng)，是將電噴霧噴 針裝置集成在芯片本身上面，雖然靈敏度穩(wěn)定性都很好，但是價(jià)格也比較昂貴。為了解決這 樣一個(gè)問(wèn)題，本發(fā)明一種簡(jiǎn)便的無(wú)需修改芯片通路，即可完成通道內(nèi)樣品電離，并用于質(zhì)譜 分析的技術(shù)裝置，操作簡(jiǎn)單，成本低廉，不需要額外的加工芯片系統(tǒng)就能很好的完成質(zhì)譜檢 測(cè)。發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種用于微流控芯片上樣 品直接電噴霧電離的裝置及其方法，用以解決現(xiàn)有微流控裝置在于質(zhì)譜聯(lián)用中所存在的問(wèn)題。
為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種用于微流控芯片上樣品直接電 噴霧電離的裝置，該裝置至少包括用于放置微流控芯片的三維操作平臺(tái)；提供噴霧電壓的電極；該電極固定在微流控芯片內(nèi)部，或置于芯片外，獨(dú)立設(shè)置；提供噴霧電壓的脈沖高壓電源，用以在充、放電過(guò)程中使微流控芯片的微通道內(nèi)的溶 液中產(chǎn)生感應(yīng)電荷，從而形成噴霧；以及設(shè)置于電離裝置旁的質(zhì)譜，用于質(zhì)譜分析。
該裝置中，所述電極與微流控芯片通道內(nèi)的液體不發(fā)生直接接觸。
該裝置中，所述脈沖高壓電源為直流脈沖電源，輸出模式可以為單次脈沖或連續(xù) 脈沖。
該裝置中，無(wú)需在芯片上加裝噴針或修改芯片通道設(shè)計(jì)。
本發(fā)明還包括用于微流控芯片上樣品直接電噴霧電離的質(zhì)譜分析方法，具體步驟 為(1)將連接有高壓脈沖電源的電極置于微流控芯片微通道出口的背面(芯片正面朝向 質(zhì)譜進(jìn)樣口)，電極與通道內(nèi)溶液間距離為O. 5 2mm；(2)調(diào)節(jié)三維操作平臺(tái)，將微流控芯片出口調(diào)整到距質(zhì)譜進(jìn)樣口5 10mm；(3)將液體樣品通入到微流控芯片內(nèi)；(4)給所述電極提供高壓脈沖信號(hào)，電極與通道內(nèi)溶液間形成電容；在充、放電過(guò)程中， 通道出口處的溶液表面產(chǎn)生大量電荷，發(fā)生電噴霧現(xiàn)象，從而電離微通道內(nèi)的樣品，進(jìn)行質(zhì) 譜分析。
本發(fā)明無(wú)需修改芯片內(nèi)的通路設(shè)計(jì)，即可完成通道內(nèi)樣品的電離并用于質(zhì)譜分 析。操作簡(jiǎn)單，成本低廉，無(wú)需額外的加工芯片就能很好的實(shí)現(xiàn)微流控芯片技術(shù)與質(zhì)譜分析 技術(shù)的聯(lián)用。


圖1為本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)圖示。其中，(a)為本發(fā)明微流控芯片上樣品直接電噴霧 電離的裝置示意圖；(b)為電極置于芯片外，獨(dú)立設(shè)置的示意圖；(C)為電極固定在微流控 芯片內(nèi)部時(shí)的裝置示意圖。
圖2為本發(fā)明另一用于微流控芯片上樣品直接電噴霧電離的裝置示意圖。
圖3為本發(fā)明在微通道出口處未采用樣品池的設(shè)計(jì)時(shí)，用于微流控芯片上樣品直 接電噴霧電離的裝置示意圖。
圖4為本發(fā)明在微通道設(shè)計(jì)為溝槽時(shí)，從溝槽中斷提取樣品電離的用于微流控芯 片上樣品直接電噴霧電離的裝置示意圖。
圖中標(biāo)號(hào)1為高壓脈沖電源，2為電極，3為微流控芯片，4為微通道，5為質(zhì)譜，6 為平臺(tái)，7為絕緣層。
具體實(shí)施方式
以下通過(guò)具體實(shí)例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說(shuō)明書(shū)所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過(guò)另外不同的具體實(shí)施方式
加以實(shí)施或應(yīng)用，本說(shuō)明書(shū)中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒(méi)有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
參閱圖1至圖4所示。需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說(shuō)明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可據(jù)需要隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。
為了實(shí)現(xiàn)一種可以無(wú)需改動(dòng)微流控芯片設(shè)計(jì)，即可較好的實(shí)現(xiàn)微流控技術(shù)與質(zhì)譜技術(shù)聯(lián)用的方法和裝置，本發(fā)明提供了一種利用脈沖電源的，無(wú)需電極與通道內(nèi)液體樣品直接接觸的質(zhì)譜電噴霧電離裝置及其質(zhì)譜分析方法。該裝置操作簡(jiǎn)單、成本低廉，可以較好的完成各種類型的微流控芯片與質(zhì)譜分析技術(shù)的聯(lián)用。
本發(fā)明涉及一種簡(jiǎn)便的無(wú)需修改芯片通路，即可完成通道內(nèi)樣品電離，并用于質(zhì)譜分析的技術(shù)裝置，操作簡(jiǎn)單，成本低廉，不需要額外的加工芯片系統(tǒng)就能很好的完成質(zhì)譜檢測(cè)。本發(fā)明所涉及裝置主要包括放置微流控芯片的三維操作平臺(tái)；提供噴霧電壓的電極和脈沖高壓電源；所述提供噴霧電壓的電極與微流控芯片中的液體不發(fā)生直接接觸；以及設(shè)置在電離裝置旁的質(zhì)譜。
所述微流控芯片可以固定在三維調(diào)節(jié)平臺(tái)上，調(diào)節(jié)其微通道出口處與質(zhì)譜間的位置，使得通道出口處于合適的位置，可以在噴霧形成后使電離的樣品較好的進(jìn)入質(zhì)譜分析。 該裝置使用可以產(chǎn)生脈沖直流的高壓電源，輸出頻率為I Hz 10 kHz，輸出電壓在:Γ15 kV，具體的輸出頻率和輸出電壓需根據(jù)所分析樣品種類及流速等具體調(diào)節(jié)。所述微流控芯片需選用絕緣性較好的材質(zhì)，當(dāng)通道內(nèi)溶液流到出口處附近時(shí)，溶液與電極之間形成電容。
一種用于微流控芯片上樣品直接電噴霧電離的質(zhì)譜分析方法，具體步驟為1)將連接有高壓脈沖電源的電極置于芯片微通道出口的背面(芯片正面朝向質(zhì)譜進(jìn)樣口)，電極與通道內(nèi)溶液間距離為O. 5 2mm；2)調(diào)節(jié)三維操作平臺(tái)，將芯片出口調(diào)整到距質(zhì)譜進(jìn)樣口5 10mm；3)將所述液體樣品通入到微流控芯片內(nèi)；4)給所述電極提供高壓脈沖信號(hào)，電極與通道內(nèi)溶液間形成電容。在充、放電過(guò)程中， 通道出口處的溶液表面產(chǎn)生大量電荷，發(fā)生電噴霧現(xiàn)象，從而電離微通道內(nèi)的樣品，進(jìn)行質(zhì)譜分析。
實(shí)施例1如圖1所示，微流控芯片3，固定在其三維調(diào)節(jié)平臺(tái)6上。調(diào)節(jié)三維調(diào)節(jié)平臺(tái)，使其微通道4的出口位于質(zhì)譜5的進(jìn)樣口前5 IOmm處，以便電離時(shí)可以較好的離子化。將待測(cè)液體通入樣品微通道4，將液體輸送到微通道的出口處。接通脈沖電源1，輸出脈沖直流的高壓電信號(hào)到極板2上，輸出頻率為I Hz 10 kHz，輸出電壓在:Γ15 kV，具體的輸出頻率和輸出電壓需根據(jù)所分析樣品種類及流速等具體調(diào)節(jié)。
當(dāng)電源I處于脈 沖輸出的上升沿時(shí)，溶液會(huì)因充電而形成雙電層(靠近電極處聚集負(fù)電荷，遠(yuǎn)離電極處聚集正電荷)，大量正電荷會(huì)在靠近質(zhì)譜進(jìn)樣口(進(jìn)樣口外殼接地)的微通道出口處聚集，并在表面張力和庫(kù)倫斥力的作用下形成泰勒椎體，發(fā)生電噴霧，從而使溶液中的樣品分子帶正電。當(dāng)電源I處于脈沖輸出的下降沿時(shí)，電極2上積聚的正電荷會(huì)流過(guò)接地的電阻(該裝置中采用500ΜΩ)，完成放電。在放電過(guò)程中，通道中的溶液會(huì)在通道出口處積聚負(fù)電荷。電極板上放電時(shí)間越短，微通道出口處聚集的負(fù)電荷就會(huì)越多。此時(shí)， 就容易使樣品分子帶負(fù)電。
如上所述，該裝置可以以脈沖的方式使待測(cè)樣品交替產(chǎn)生正離子和負(fù)離子。若所聯(lián)用的質(zhì)譜5置于正離子檢測(cè)模式，則可檢測(cè)到通道內(nèi)樣品的正離子信號(hào)；若質(zhì)譜儀置于負(fù)離子檢測(cè)模式，則可檢測(cè)樣品的負(fù)離子信號(hào)。若所聯(lián)用的質(zhì)譜儀具有同時(shí)(或可快速切換)進(jìn)行正、負(fù)離子模式檢測(cè)，則可一并對(duì)樣品產(chǎn)生中正、負(fù)離子進(jìn)行檢測(cè)。
實(shí)施例2本實(shí)施例與實(shí)施例1裝置類似，不同之處僅在于所聯(lián)用的微流控芯片的微通道出口處的設(shè)計(jì)與實(shí)例I所示不同。如圖2所示，微通道出口處的樣品微池在芯片的上、下兩面均有開(kāi)口。此時(shí)需在電極2表面包覆絕緣層7 (厚度O. 5mnT2mm)。將包覆有絕緣層7的電極2 置于微通道出口的一端，另一端指向質(zhì)譜進(jìn)樣口。如實(shí)施實(shí)例I所述，樣品經(jīng)樣品微通道4 流入樣品微池后，在電源2輸出的脈沖高電壓的作用下，產(chǎn)生樣品離子，供質(zhì)譜5檢測(cè)。
實(shí)施例3本實(shí)施例與實(shí)施例1裝置類似，不同之處僅在于所聯(lián)用的微流控芯片的微通道出口處的設(shè)計(jì)與實(shí)例I所示不同。樣品微通道4的出口處的未采用樣品微池的設(shè)計(jì)，樣品在微通道中直接流出。此時(shí)，如圖3所示，電極2需放置在樣品微通道4出口處附近的芯片側(cè)面。 如實(shí)施實(shí)例I所述，樣品經(jīng)樣品微通道4流至通道出口處后，在電源2輸出的脈沖高電壓的作用下，產(chǎn)生樣品離子，供質(zhì)譜5檢測(cè)。
實(shí)施例4 本實(shí)施例與實(shí)施例1裝置類似，不同之處僅在于所聯(lián)用的微流控芯片的微通道的設(shè)計(jì)與實(shí)例I所示不同。如圖3所示，該種芯片上樣品微通道4為敞開(kāi)式溝槽。本發(fā)明也可在該種通道的中段對(duì)通道內(nèi)液體進(jìn)行解吸和電離。此時(shí)，電極2需放置在與采樣段相對(duì)應(yīng)的芯片背面位置。如實(shí)施例一所述，樣品經(jīng)樣品微通道4流經(jīng)采樣段時(shí)，在電源2輸出的脈沖高電壓作用下，產(chǎn)生樣品離子，供質(zhì)譜5檢測(cè)。
如上述實(shí)施例1 例4所述，本發(fā)明可以在微流控芯片出口處附近，利用脈沖高壓的對(duì)電極的充、放電過(guò)程，使溶液樣品無(wú)需與電極直接接觸即可使樣品發(fā)生電噴霧，從而電離樣品，進(jìn)行質(zhì)譜檢測(cè)。該方法中，帶電電極未與待測(cè)溶液直接接觸，不會(huì)因電極上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而影響微流控芯片的原有功能。此外，該裝置可以適應(yīng)多種形式的微流控芯片的通路設(shè)計(jì)，無(wú)需對(duì)微流控芯片的樣品通道進(jìn)行額外的修改，可以較好的實(shí)現(xiàn)微流控芯片技術(shù)與質(zhì)譜分析技術(shù)的聯(lián)用綜上所述，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。
上述實(shí)施例僅例示性說(shuō)明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種用于微流控芯片上樣品直接電噴霧電離的裝置，其特征在于，該裝置至少包括用于放置微流控芯片的三維操作平臺(tái)；提供噴霧電壓的電極；該電極固定在微流控芯片內(nèi)部，或者置于芯片外，獨(dú)立設(shè)置；提供噴霧電壓的脈沖高壓電源，用以在充、放電過(guò)程中使微流控芯片的微通道內(nèi)的溶液中產(chǎn)生感應(yīng)電荷，從而形成噴霧；以及設(shè)置于電離裝置旁的質(zhì)譜，用于質(zhì)譜分析。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于微流控芯片上樣品直接電噴霧電離的裝置，其特征在于所述用于提供噴霧電壓的電極與微流控芯片中的液體不發(fā)生直接接觸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于微流控芯片上樣品直接電噴霧電離的裝置，其特征在于所述電源為直流脈沖高壓電源，輸出模式為單次脈沖或連續(xù)脈沖。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于微流控芯片上樣品直接電噴霧電離的裝置，其特征在于所述直流脈沖高壓電源的輸出頻率為I Hz 10 kHz，輸出電壓為:Γ15 kV。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于微流控芯片上樣品直接電噴霧電離的裝置，其特征在于所述電源為交流電源。
6.一種采用權(quán)利要求1-4之一所述的裝置用于微流控芯片上樣品直接電噴霧電離的質(zhì)譜分析方法，其特征在于具體步驟為(1)將連接有高壓脈沖電源的電極置于微流控芯片微通道出口的背面，微流控芯片正面朝向質(zhì)譜進(jìn)樣口，電極與通道內(nèi)溶液間距離為O. 5 2mm；(2)調(diào)節(jié)三維操作平臺(tái)，將微流控芯片出口調(diào)整到距質(zhì)譜進(jìn)樣口5 10mm；(3)將液體樣品通入到微流控芯片內(nèi)；(4)給所述電極提供高壓脈沖信號(hào)，電極與通道內(nèi)溶液間形成電容；在充、放電過(guò)程中， 通道出口處的溶液表面產(chǎn)生大量電荷，發(fā)生電噴霧現(xiàn)象，從而電離微通道內(nèi)的樣品，進(jìn)行質(zhì)譜分析。
全文摘要
本發(fā)明屬于微流控芯片技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種用于微流控芯片上樣品直接電噴霧電離的裝置及質(zhì)譜分析方法。本發(fā)明裝置至少包括放置微流控芯片的三維操作平臺(tái)；提供噴霧電壓的電極和脈沖高壓電源,所述提供噴霧電壓的電極與微流控芯片中的液體不發(fā)生直接接觸；以及設(shè)置在電離裝置旁的質(zhì)譜。本發(fā)明無(wú)需在微流控芯片上制作或連接噴針或改變芯片微通道的原有設(shè)計(jì)，即可利用脈沖電壓的充、放電過(guò)程，對(duì)芯片微通道內(nèi)的溶液樣品直接電離，進(jìn)行質(zhì)譜分析。此外，該裝置中高壓電機(jī)與溶液無(wú)直接接觸，不會(huì)因電極上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而影響微流控芯片的原有功能。該裝置操作簡(jiǎn)單，方便，適用于微流控芯片上樣品的直接電離、質(zhì)譜分析。
文檔編號(hào)G01N27/68GK103033556SQ201210580139
公開(kāi)日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2012年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月28日
發(fā)明者賈濱, 聶磊, 徐國(guó)賓, 楊芃原 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)