一种基于微流控三维聚焦技术的氮气吹扫型高分辨质谱电喷雾电离源及质谱检测方法

摘要

本发明属于质谱检测领域，具体涉及一种基于微流控三维聚焦技术的氮气吹扫型高分辨质谱电喷雾电离源及质谱检测方法。所述电离源包括芯片和薄膜喷嘴，所述芯片由刻有氮气吹扫通道1的第一厚质层，刻有样品液通道、水平聚焦液通道、垂直聚焦液通道、氮气吹扫通道2、氮气吹扫通道3的薄膜层，空白薄膜层和刻有氮气吹扫通道4的第二厚质层由下到上顺次粘合而成。本发明选用适当的聚焦液在三维方向对待测样品液流进行聚焦，在抑制样品离子扩散的同时实现对待测样品离子的高分辨率质谱分析；采用四道氮气吹扫待测样品液，可以有效提升待测样品离子化效率，提升质谱的检测灵敏度。

说明书

技术领域

本发明属于质谱检测领域，具体涉及一种基于微流控三维聚焦技术的氮气吹扫型高分辨质谱电喷雾电离源及质谱检测方法。

背景技术

质谱是近年来发展迅速的一种分析方法，基于电离源对待测组分实现离子化，再经过电场或磁场的作用予以分离和鉴定。在各类型的质谱中，电喷雾质谱(ESI-MS)具有灵敏度高、定性能力强、分析重现性好等优点，广泛应用于生物和化学等各领域，并已成为一种重要的分析技术。

ESI-MS具有较高的灵敏度和分辨率，是因为其离子化效率较高。经典的电喷雾离子源一般基于喷雾针实现对待测液流的加速扩散，与此同时，由于待测液流已带上大量电荷，因此在干燥的热氮气作用下所形成的小液滴中的中性溶剂会不断挥发，进而使得液滴收缩。在上述过程中，液滴表面电荷会不断靠近，进而产生较大的静电排斥力，引起液滴的进一步扩散(即库伦爆炸)。在经过充分的喷雾扩散后，分析物变为气态，进而进入质谱的离子传输通道。为实现对纳升液流的电喷雾电离，通常通过制备具有极小尺寸液流通道或特殊结构的喷雾嘴予以解决。但以上的两种策略均存在加工困难、容易堵塞等弊端。

现有电喷雾离子源可实现对待测物的高分辨检测。一般通过在质谱检测过程中加入标准质量参比液实现对待测离子质荷比的校正功能，进而达到对分辨率提升的目的。在现行标准中一般认为，待测离子质量的漂移小于3ppm，即已实现高分辨检测，通过对高分辨质谱所得到的质荷比进行分子拟合，即可确定待测样品的分子组成。

聚二甲基硅氧烷(PDMS)是种常见的制备微流控芯片的基质材料，其具有较好的弹性、生物相容性、透气性、光学通透性，但作为一种聚合物，容易析出寡聚单体，引致较高的质谱背景干扰，因此直接将基于PDMS的微流控芯片应用于质谱存在较大困难。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，目的在于提供一种基于微流控三维聚焦技术的氮气吹扫型高分辨质谱电喷雾电离源及质谱检测方法。

一种基于微流控三维聚焦技术的氮气吹扫型高分辨质谱电喷雾电离源，其特征在于，包括芯片和薄膜喷嘴，所述芯片由刻有氮气吹扫沟道1的第一厚质层，刻有样品液沟道、水平聚焦液沟道、垂直聚焦液沟道、氮气吹扫沟道2和氮气吹扫沟道3的薄膜层，空白薄膜层和刻有氮气吹扫沟道4的第二厚质层由下到上顺次粘合而成，第一厚质层和薄膜层粘合后形成氮气吹扫通道1，薄膜层和空白层粘合后形成样品液通道、水平聚焦液通道、垂直聚焦通道、氮气吹扫通道2和氮气吹扫通道3，空白薄膜层和第二厚质层粘合后形成氮气吹扫通道4，在所述第二厚质层上由下向上直线排列样品液通道入口、垂直聚焦液通道入口、水平聚焦液通道入口和氮气吹扫通道入口，分别与样品液通道、水平聚焦液通道、垂直聚焦液通道和四道氮气吹扫通道连通，所述垂直聚焦液通道与样品液通道在垂直方向汇合，所述水平聚焦液通道分为两路，分别从样品液通道的两侧与样品液通道在水平方向上汇合，所述氮气吹扫通道2、氮气吹扫通道3的出口位于样品液通道的左右两侧，所述氮气吹扫通道1的出口位于样品液通道的正下方，所述氮气吹扫通道4的出口位于样品液通道的正上方；所述薄膜喷嘴内设有薄膜喷嘴通道，薄膜喷嘴通道一端与样品液通道连通。

上述方案中，所述芯片和薄膜喷嘴都是由聚二甲基硅氧烷为基质材料制备而成，所述样品液通道、水平聚焦液通道、垂直聚焦液通道、四道氮气吹扫通道及薄膜喷嘴通道上均涂覆有一层硅烷类钝化涂层。

上述方案中，所述样品液通道、水平聚焦液通道、垂直聚焦液通道、四道氮气吹扫通道及薄膜喷嘴通道的横截面水平宽度均为100μm，横截面高度均为50μm。

上述方案中，所述两路水平聚焦液通道在样品液通道的两侧向下延伸成90°角交汇。

一种采用上述基于微流控三维聚焦技术的氮气吹扫型高分辨质谱电喷雾电离源进行质谱检测的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)首先通过注射泵将水平聚焦液、垂直聚焦液注射入水平聚焦液通道和垂直聚焦液通道，样品液经过高压直流电源带上电荷后流入样品液通道；

(2)当垂直聚焦液与样品液汇合时，样品液在垂直方向上被垂直聚焦液聚焦，当样品液再与水平聚焦液汇合时，样品液在水平方向上被水平聚焦液聚焦；

(3)由氮气发生器产生的氮气进入四道氮气吹扫通道后，由位于样品液通道上下左右方向的氮气吹扫通道出口喷出，经垂直聚焦液和水平聚焦液聚焦后的样品液从薄膜喷嘴喷出时被上下左右的四道氮气吹扫，随后进入质谱的离子传输通道进行质谱检测。

上述方案中，所述水平聚焦液和垂直聚焦液均为质谱检测标准质量参比液。

上述方案中，所述垂直聚焦液与样品液的流速比为1:2-4:1，所述水平聚焦液与样品液的流速比为5:4-10:1。

上述方案中，所述样品液的流速为10-3000nL/min(纳升/分钟)。

上述方案中，所述四道氮气吹扫通道的氮气吹扫强度及流速相同。

本发明所述基于微流控三维聚焦技术的氮气吹扫型高分辨质谱电喷雾电离源的工作原理为：样品液流入样品液通道进入电喷雾电离源，其后依次在垂直、水平方向上被聚焦液聚焦(即三维聚焦)，此后被聚焦液所裹挟的样品液(见图3)被位于整体液流通道外围且强度相等的来自于上下左右方向的四道氮气通道所吹扫，从而实现对纳升级微小液流的高离子化效率电离和高分辨率的质谱检测。

本发明的有益效果如下：(1)选用适当的聚焦液在三维方向对待测样品液流进行聚焦，控制了电喷雾构型中样品的离子分布，在抑制样品离子扩散的同时实现对待测样品离子的高分辨率质谱分析；(2)采用四道氮气吹扫待测样品液，可以有效提升待测样品离子化效率；(3)采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基质材料，这种材料具有很好的可塑性、生物相容性和光学通透性，可以制造出微米以及亚微米尺度的微通道，实现对纳升级液流的稳定电喷雾电离；(4)本发明中所有通道内层均涂覆一层稳定的硅烷类钝化涂层，彻底隔绝基质(PDMS)与通道中的样品液流，从而有效抑制PDMS聚合物中寡聚单体的析出，进而降低质谱检测过程中的背景离子干扰，进而提升质谱的检测灵敏度。

附图说明

图1为基于微流控三维聚焦技术的氮气吹扫型高分辨质谱电喷雾电离源的结构示意图，其中A为刻有样品液通道、水平聚焦液通道、垂直聚焦液通道、氮气吹扫通道2、氮气吹扫通道3的薄膜层，B为第二厚质层，C为第一厚质层；图中为1为氮气吹扫通道1，2为氮气吹扫通道2，3为氮气吹扫通道3，4为氮气吹扫通道4，5为水平聚焦液通道，6为垂直聚焦液通道，7为样品液通道，8为薄膜喷嘴通道，9为氮气通道入口，10为水平聚焦液通道入口，11为垂直聚焦液通道入口，12为样品液通道入口，13为氮气吹扫通道2出口，14为氮气吹扫通道3出口，15为氮气吹扫通道1出口，16为氮气吹扫通道4出口。

图2为基于微流控三维聚焦技术的氮气吹扫型高分辨质谱电喷雾电离源的结构实物图，其中9为氮气通道入口，10为水平聚焦液通道入口，11为垂直聚焦液通道入口，12为样品液通道入口，17为薄膜喷嘴，18为芯片。

图3为质谱检测装置示意图。

图4为电喷雾薄膜喷嘴通道的显微放大图，显示横截面水平宽度为100μm。

图5为电喷雾薄膜喷嘴通道的显微放大图，显示横截面高度为50μm。

图6-A为使用有机溶剂浸泡过的电喷雾电离源用于利血平检测的质谱图；图6-B为涂覆过硅烷类惰性表面涂层的电喷雾电离源用于利血平检测的质谱图。

图7为实施例1检测得到的质谱图。

图8为实施例2检测得到的质谱图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

如图1和图2所示，基于微流控三维聚焦技术的氮气吹扫型高分辨质谱电喷雾电离源，包括芯片(18)和薄膜喷嘴(17)，所述芯片由刻有氮气吹扫沟道1的第一厚质层，刻有样品液沟道、水平聚焦液沟道、垂直聚焦液沟道、氮气吹扫沟道2和氮气吹扫沟道3的薄膜层，空白薄膜层和刻有氮气吹扫沟道4的第二厚质层由下到上顺次粘合而成，第一厚质层和薄膜层粘合后形成氮气吹扫通道1(1)，薄膜层和空白层粘合后形成样品液通道(7)、水平聚焦液通道(5)、垂直聚焦液通道(6)、氮气吹扫通道2(2)、氮气吹扫通道3(3)，空白薄膜层和第二厚质层粘合后形成氮气吹扫通道4(4)，在所述第二厚质层上由下向上直线排列样品液通道入口(12)、垂直聚焦液通道入口(11)、水平聚焦液通道入口(10)和氮气吹扫通道入口(9)，分别与样品液通道、水平聚焦液通道、垂直聚焦液通道和四道氮气吹扫通道连通，所述垂直聚焦液通道与样品液通道在垂直方向汇合，所述水平聚焦液通道分为两路，分别从样品液通道的两侧与样品液通道在水平方向上汇合，所述氮气吹扫通道2出口(13)、氮气吹扫通道3(14)出口位于样品液通道的左右两侧，所述氮气吹扫通道1出口(15)位于样品液通道的正下方，所述氮气吹扫通道4出口(16)位于样品液通道的正上方；所述薄膜喷嘴内设有薄膜喷嘴通道(8)，薄膜喷嘴通道一端与样品液通道连通。所述电喷雾电离源是由聚二甲基硅氧烷为基质材料制备而成，所述样品液通道、水平聚焦液通道、垂直聚焦液通道、四道氮气吹扫通道及薄膜喷嘴的内部通道上均涂覆有一层硅烷类钝化涂层。所述样品液通道、水平聚焦液通道、垂直聚焦液通道、四道氮气吹扫通道及薄膜喷嘴的内部通道的横截面水平宽度均为100μm，横截面高度均为50μm。

如图3所示，采用该高分辨质谱电喷雾电离源进行质谱检测的装置示意图，其中包括高压直流电源，高分辨质谱电喷雾电离源，质谱检测器。质谱检测的工作原理是：首先样品液经过高压直流电源带电，接着带电的样品液流由样品液通道进入高分辨质谱电喷雾电离源，其后以依次在垂直和水平方向上被质谱检测标准质量参比液进行聚焦(即三维聚焦)，此后被质谱检测标准质量参比液所裹挟的样品液被位于整体液流通道外围且强度相等的来自于上下左右方向的四道氮气通道所吹扫，再进入质谱的离子传输通道，从而实现对待测样品液流高离子化效率和高分辨率质谱检测。

本发明采用所述的基于微流控三维聚焦技术的氮气吹扫型高分辨质谱电喷雾电离源进行检测试验，具体地试验过程如下：

1.基于质谱检测标准质量参比液提升质谱检测分辨率：在乙腈的水溶液中加入适量标准质量校正液即为质谱检测标准质量参比液，设置水平聚焦液、样品液流速比为5:3，垂直聚焦液、样品液流速比为1:1，利血平浓度5ppm。相同检测条件下，使用质谱检测标准质量参比液为聚焦液时和没使用参比液为聚焦液(仅为乙腈的水溶液，未加入质量校正液)时分别对利血平进行检测，结果如下：没使用参比液测得利血平的质核比为609.3074，对比标准化高分辨质谱检测理论值609.2804，只能精确到整数位；使用参比液测得利血平的质核比为609.2801，与商品化高分辨质谱检测理论值609.2804相对比，可以精确千分之一质量数。这表明使用质谱检测标准质量参比液时，参比液通过对待测离子质荷比的校正，进而达到高分辨检测的目的。

2.基于氮气吹扫提升待测样品离子化效率：选取聚焦液为甲醇和水的混合溶液，水平设置聚焦液、样品液流速比为3:1，垂直聚焦液、样品液流速比为3:1，利血平、罗丹明B浓度为5ppm。相同检测条件下，没通氮气和通氮气时利血平和罗丹明B进行检测，结果如下：氮气吹扫通道无氮气通过时测得利血平、罗丹明B的离子强度分别为5×10⁵、3.5×10⁵，而有氮气通过时测得利血平、罗丹明B的离子强度分别为1.0×10⁶、2.0×10⁶，由此可见，利血平、罗丹明B的离子强度分别提升了一倍与一个数量级，进而表明氮气吹扫可以提升纳升级样品液流的离子化效率。

3.涂覆硅烷类惰性表面涂层对PDMS寡聚单体渗出的隔绝效果优于有机溶剂解离的方法：设置水平聚焦参比液、样品液流速为5:1，垂直聚焦参比液、样品液流速为为3:1，利血平浓度5ppm。相同检测条件下，使用有机溶剂浸泡过的电喷雾电离源对利血平检测时，质谱图(见图6-A)中出现了质荷比相差74的一系列杂质序列峰：536、610、684、758、832、906，而聚二甲基硅氧烷(PDMS)的一个链节的质量数为74，由此可见这些序列峰来自未完全聚合的PDMS。采用本发明所述涂覆过硅烷类惰性表面涂层的电喷雾电离源对利血平检测后发现质谱图(见图6-B)中原有的杂质序列峰离子强度明显降低，同时利血平的离子强度却显著增强。由此可见涂覆硅烷类惰性表面涂层的芯片可以将芯片基质与孔道中的液流隔绝，进而明显降低背景信号。

实施例1

一种采用基于微流控三维聚焦技术的氮气吹扫型高分辨质谱电喷雾电离源进行质谱检测的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)首先通过注射泵将水平聚焦液、垂直聚焦液注射入水平聚焦液通道和垂直聚焦液通道，样品液(利血平，浓度5ppm)经过高压直流电源带上电荷后流入样品液通道；

(2)当垂直聚焦液与样品液汇合时，样品液在垂直方向上被垂直聚焦液聚焦，当样品液再与垂直聚焦液汇合时，样品液在水平方向上被水平聚焦液聚焦；

(3)由氮气发生器产生的氮气进入四道氮气吹扫通道后，由位于样品液通道上下左右方向的氮气吹扫通道出口喷出，经垂直聚焦液和水平聚焦液聚焦后的样品液从薄膜喷嘴喷出时被上下左右的四道氮气吹扫，随后进入质谱的离子传输通道进行质谱检测。

其中，所述水平聚焦液和垂直聚焦液均为质谱检测标准质量参比液；所述垂直聚焦液与样品液的流速比为2:1，所述水平聚焦液与样品液的流速比为5:2；所述样品液的浓度为5ppm；样品液流速为0.5μL/min所述四道氮气吹扫通道的氮气吹扫强度45sig，流速均为11ml/min，温度为325℃。

本实施例中样品的离子强度检测结果为1.0×10⁷，质谱检测利血平的质荷比为609.28031，质谱检测结果见图7，从图中可以看出，杂质峰较少，背景信号干扰较少，实现了检测的高分辨的目的。

实施例2

一种采用基于微流控三维聚焦技术的氮气吹扫型高分辨质谱电喷雾电离源进行质谱检测的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)首先通过注射泵将水平聚焦液、垂直聚焦液注射入水平聚焦液通道和垂直聚焦液通道，样品液(具体名称罗丹明B，浓度5ppm)经过高压直流电源带上电荷后流入样品液通道；

(2)当垂直聚焦液与样品液汇合时，样品液在垂直方向上被垂直聚焦液聚焦，当样品液再与垂直聚焦液汇合时，样品液在水平方向上被水平聚焦液聚焦；

(3)由氮气发生器产生的氮气进入四道氮气吹扫通道后，由位于样品液通道上下左右方向的氮气吹扫通道出口喷出，经垂直聚焦液和水平聚焦液聚焦后的样品液从薄膜喷嘴喷出时被上下左右的四道氮气吹扫，随后进入质谱的离子传输通道进行质谱检测。

其中，所述水平聚焦液和垂直聚焦液均为质谱检测标准质量参比液；所述垂直聚焦液与样品液的流速比为7:2，所述水平聚焦液与样品液的流速比为10:7；所述样品液的浓度为5ppm，样品液流速为1.5μL/min，所述四道氮气吹扫通道的氮气吹扫强度均为45sig，流速均为11ml/min，温度为325℃。

本实施例中样品的离子强度检测结果如下：4.5×10⁶，质谱检测的质荷比为443.23251，与商品化高分辨质谱检测理论值443.23298相对比，可以精确千分之一质量数，质谱检测结果见图8，从图中可以看出，杂质峰较少，背景信号干扰较少，实现了检测的高分辨的目的。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。