微流控芯片——等离子体质谱的联用研究

摘要

微流控分析芯片具有分析效率高、试样消耗少、易于微型化和便携化等特点，是当前化学和生物的研究热点。等离子体质谱(ICP-MS)具有灵敏度高、线性范围宽（7～9个数量级）、多元素同时测定、谱线简单和背景低等特点，是金属元素分析的最佳方法之一。两者的联用集合了各自的优点，可解决微量样品的金属总量与形态分析。实现两者的联用，首先要解决它们的接口，即将芯片的纳流水平样品高效传输到等离子体，这需要通过一个在微纳水平高效工作的微量雾化器来实现。
　　 本文第一章综述了影响气动雾化器雾化效率的因素、用于等离子体光谱的微量雾化器和微型雾化室、毛细管电泳和ICP-MS的联用接口、短柱毛细管电泳及微流控芯片电泳与ICP-MS的联用等几方面。
　　 第二章研制了一种简单的可拆卸式的毛细管微流量雾化器，它由雾化器器体、拉尖毛细管和聚四氟乙烯材质的雾化器适配器组装而成。该毛细管微流量雾化器喷嘴处的气体出口孔径、溶液毛细管的内径和壁厚分别为200、30和5μm。实验结果表明:毛细管微流量雾化器在较低样品提升量时的分析性能可达到或超过常规同心雾化器(820μL/min)和微液滴雾化器(200μL/min)的水平。拉尖的溶液毛细管能比较重现地由商品熔融石英毛细管(外径370μm，内径250μm)采用火焰加热两步拉制法制作而成，并具有自吸流量低、雾化效率高等特点，非常适合微流控芯片与等离子体质谱的联用体系。其可拆卸式的结构使得堵塞或损坏进样毛细管的更换十分方便。
　　 第三章设计了多采样体积的亚微升试样引入系统，由微流控芯片、八通阀、注射泵和蠕动泵组成，并用于ICP-MS直接测定黄酒中的金属元素。研究了直接引入的亚微升黄酒体积对等离子体稳定性和信号强度的影响。结果表明:引入0.8μL的100g/L葡萄糖的20％乙醇溶液时，离子提取接口上无碳沉积现象;继续减小引入量至0.4μL，配制于纯水和三种黄酒基体的标准溶液的信号强度无明显差异。这说明少量的黄酒基体对测定无显著干扰。而ICP-MS的信号强度与进样体积正相关，在此基础上我们选择进样体积为0.4μL，将该亚微升进样系统用于黄酒的直接分析，并采用纯水标准溶液外标校准。大大节省了样品预处理和分析需要的时间。Cd和Pb的检出限分别为19.8和10.4ng/L，分析通量可达45次/时。用本法测定了10个黄酒中的Cd和Pb，与采用微波消解处理—等离子体质谱常规进样系统测定的结果无明显差异。
　　 第四章在芯片上采用电动流结合静压力流实现了纳升级试样引入ICP-MS。样品池中的样品在静压力作用下自动流经交叉口P1并流到样品回收池，样品池和缓冲液池之间施加高压电场，样品在电动力作用下穿过计量通道前端的多孔塞C1进入计量通道，关闭高压电场，注射泵将计量通道的样品塞注入雾化器形成气溶胶引入等离子体质谱检测。在计量通道和缓冲液池前端各自光聚合了一段多孔塞C1和C2，可阻止压力流的通过而允许电动迁移发生。控制高压施加时间可以控制样品塞的长度，最小可实现0.18nL试样的引入。该纳升进样系统具有试样消耗低、精密度好、进样死体积和死时间小(0.38nL和0.42s)等优点，已成功用于顺铂治疗的癌症病人血清中的铂含量测定。一次测定的试样消耗为1.8nL，样品通量为112h-1，检出限为64ng/L。该法测定血清中的Pt含量为8.4±0.3μg/L，与采用ICP-MS常规进样系统测定的结果(8.5±0.3μg/L)一致。
　　 第五章提出了一种芯片电泳和ICP-MS的无自吸的联机系统，在微通道中光聚合的多孔塞可消除ICP-MS气动雾化器在分离通道中产生的层流，保证补充液流向雾化器，实现了真正意义的芯片电泳分离。以10mmol/L的硼砂(pH9.2)为电泳缓冲液，分离场强为857V/cm，在15mm的分离通道内实现了碘离子和碘酸根离子的完全电泳分离，分离度为1.3，它们的绝对检出限分别为0.12和0.13fg。10次电泳分离I-和IO3-的峰高和峰面积的相对标准偏差分别为1.1-1.6％和2.5-2.8％。该联用方法用于两种加碘盐的分析，测得碘酸根的含量在标注值范围内，加标回收率在92-105％之间。

目录

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致谢

摘要

第一章 文献综述

1．1 引言

1．2 用于ICP-MS的微量雾化系统

1．2．1 影响气动雾化器雾化效率的因素

1．2．2 配雾化室的气动微量雾化器

1．2．3 直接注入型微量雾化系统

1．2．4 非气动微量雾化系统

1．2．5 微型雾化室

1．3 毛细管电泳-等离子体质谱联用接口

1．3．1 毛细管电泳-等离子体质谱联用接口设计原则

1．3．2 分离毛细管出口端的电流导通

1．3．3 自吸效应的消除及CE与雾化器的流量匹配

1．3．4 CE-ICP-MS联用中的雾化器和雾化室

1．3．5 短柱毛细管电泳-等离子体光谱联用

1．3．6 芯片电泳-等离子体光谱联用

1．4 小结

1．5 参考文献

第二章 等离子体质谱可更换拉尖毛细管微量雾化器的研制

2．1．引言

2．2．实验部分

2．2．1 自制微流量雾化器(d-CMN)的设计与制作

2．2．2 等离子体质谱仪

2．2．3 试剂

2．3．结果与讨论

2．3．1 自制微流量雾化器(d-CMN)的结构特点

2．3．2 自制微流量雾化器的条件优化

2．3．3 自制微流量雾化器的分析性能

2．4．结论

2．5 参考文献

第三章 微流控芯片亚微升试样引入系统用于ICP-MS直接测定黄酒中重金属的研究

3．1．引言

3．2．实验部分

3．2．1 实验试剂与材料

3．2．2 芯片制作与处理

3．2．3 仪器装置

3．2．4 实验过程

3．2．5 黄酒样品的前处理

3．3．结果与讨论

3．3．1 基于芯片的亚微升试样引入系统的设计

3．3．2 黄酒的基体效应

3．3．3 载流流速的优化

3．3．4 黄酒中Cd和Pb的测定

3．4．结论

3．5 参考文献

第四章 用于将纳升样品引入ICP-MS的微流控芯片系统

4．1．引言

4．2．实验部分

4．2．1 实验试剂与材料

4．2．2 芯片制作与处理

4．2．3 仪器装置

4．2．4 实验过程

4．3．结果与讨论

4．3．1 纳升试样引入系统的设计

4．3．2 纳升试样引入系统的条件优化

4．3．3 纳升试样引入系统的性能

4．3．4 应用：血清中Pt的测定

4．4．结论

4．5 参考文献

第五章 芯片电泳和等离子体质谱联用进行形态分析的研究

5．1．引言

5．2．实验部分

5．2．1 实验试剂与材料

5．2．2 芯片制作与处理

5．2．3 芯片电泳-等离子体质谱联用装置

5．2．4 实验过程

5．3．结果与讨论

5．3．1 芯片电泳-等离子体质谱联用的接口设计

5．3．2 多孔塞对进样类型的影响

5．3．3 芯片电泳分离条件的优化

5．3．4 芯片电泳和等离子体质谱联机系统的性能

5．3．5 应用：食盐中碘的形态分析

5．4．结论

5．5 参考文献

攻读博士学位期间完成的论文和工作