集成化的聚苯乙烯电喷雾微流控芯片分析系统的研制

摘要

微流控芯片分析是微全分析(micro total analytical systems，μTAS)的重要组成部分，其特点是集成度高，在微芯片上集成试样前处理、混合、反应、分离等重要功能模块；试样／试剂消耗量低；分析速度快。微流控芯片分析的这些特点正在生化分析应用领域逐步展现其巨大潜力。生物质谱(Bio-Mass Spectrometry,Bio-MS)能够提供试样组分中生物大分子的基本结构及定量信息，是生物化学分析的重要技术。微流控芯片与生物质谱的有效接口是两者联用的关键，也是目前限制微流控与生物质谱联用的重要瓶颈之一。开发一种制作简单、集成度高的一体化的微流控芯片-生物质谱分析系统是当前微全分析系统发展的重点之一。
　　 与其他高聚物材质相比，聚苯乙烯（polystyrene， PS）具有价廉，生物兼容性好、表面改性技术成熟等优点，使其大量的应用于生物领域，也是高聚物微流控芯片常用的基材之一。据调研，用于质谱分析的PS微流控芯片尚很少有文献报道。本文旨在研制一种基于PS材质的微流控芯片与电喷雾质谱（electrospray ionization mass spectrometry， ESI-MS）的有效接口，通过在PS芯片上集成酶解反应器、微电极、电喷雾探针，实现蛋白质芯片上酶解-在线电喷雾质谱的快速检测。
　　 全文共分两部分。
　　 第一章，综述了近年来微流控芯片与质谱分析联用技术的研究进展，包括微流控芯片与介质辅助激光解析离子源质谱( matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry, MALDI-MS)、电喷雾离子源质谱(ESI-MS)的接口技术、电喷雾方式以及微流控芯片中的集成化模式和功能。
　　 第二章，研究建立了集成固定化酶解反应器-金膜微电极-一体化探针的聚苯乙烯电喷雾质谱微流控芯片分析系统。利用化学镀技术在PS片上加工用于电喷雾的金膜微电极；利用微加工技术在芯片通道末端微加工形成一体化电喷雾喷嘴；采用紫外光表面修饰固定化胰蛋白酶，研制了集成化蛋白酶解微流控电喷雾质谱芯片，实现蛋白质的在线酶解和质谱检测。系统考察了样品流速对酶解效率的影响、溶剂流速对喷雾稳定性的影响以及固定化酶反应器的稳定性。实验结果表明，当施加2.8～3.0kV的喷雾电压，甲醇溶剂流速为400～600nL/min时，电喷雾较稳定。以细胞色素c为分析对象，0.5mg/mL细胞色素c(2mmol/LNH4HCO3缓冲液中)以100～400nL/min的流速流经芯片蛋白酶解反应器(反应时间2.5～10min)时，可以得到很好的酶解效果，MALDI-MS检测结果表明，其氨基酸肽段序列覆盖度为97～70％。在优化条件下，研究建立了蛋白质的在线酶解-nanoESI-MS分析检测系统。该系统性能稳定，酶反应器使用寿命长，样品消耗量少。

目录

文摘

英文文摘

致谢

1．绪论

1.1 概述

1.2 芯片材质

1.2.1 硅(silicon)

1.2.2 玻璃和石英(fused silica)

1.2.3 高聚物

1.3 微流控芯片与MS接口

1.3.1 微流控芯片与MALDI的接口

1.3.2 芯片与ESI的接口

1.3.3 电喷雾电极

1.4 微流控芯片的集成化模式和功能

1.4.1 样品纯化

1.4.2 在线酶解

1.4.3 分离

1.5 结论

1.6 参考文献

2．一体化聚苯乙烯电喷雾质谱微流控芯片分析系统的研制

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 仪器

2.2.2 主要材料和试剂

2.2.3 热压法在PS基片上加工微通道

2.2.4 化学镀法在PS盖片上加工金膜微电极

2.2.5 外接毛细管型PS电喷雾质谱芯片的制备

2.2.6 一体化喷嘴式PS电喷雾质谱芯片的制备

2.2.7 一体化蛋白酶解反应器-金微电极-电喷雾探针微流控芯片制作

2.2.8 芯片中(on-chip)酶解-脱线(off-line) MALDI-MS检测

2.2.9 芯片上(on-chip)酶解-在线(on-line)ESI-MS检测

2.3 结果与讨论

2.3.1 电喷雾接口的设计与优化

2.3.2 集成化电喷雾电极的加工

2.3.3 酶反应器的制备

2.3.4 蛋白质样品流速对酶解效率的影响

2.3.5 一体化酶解反应器-薄膜微电极-电喷雾喷针的PS微流控ESI-MS芯片分析系统的建立

2.3.6 溶剂流速对电喷雾稳定性和信号强度的影响

2.3.7 芯片上(on-chip)酶解-在线(on-line) nanoESI-MS检测系统分析性能

2.4 结论

2.5 展望

2.6 参考文献

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