CN111889155B - 一种多通道电喷雾微流控芯片及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多通道电喷雾微流控芯片及其应用，其包括两条第一气相流道以及至少两条液相流道，所述液相流道均设置在所述两条第一气相流道之间；所述第一气相流道的喷口与所述液相流道的喷口间隔设置。本发明在进行电喷雾过程中，由于液相喷口与第一气相喷口的相对位置固定，喷雾条件稳定一致，一方面可以实现宏观电喷雾的萃取功能，并相提高了萃取液对待测液的萃取效率和萃取效果，有利于实现对复杂样品的快速检测；另一方面解决了双液路或多液路难以同时电喷雾的问题，最终为微流控芯片与质谱仪的联用创造更多的应用形式，可以广泛应用在物质快速混合反应、蛋白质折叠伸展分析以及内标测试等诸多方面。
Description
技术领域
本发明涉及用于电喷雾的微流控芯片领域，尤其涉及一种多通道电喷雾微流控芯片及其应用。
背景技术
对质谱分析来说，单路样品离子化已经难以满足相关测试的需求，双路甚至多路的离子化方式已经成为研究热点。双路或者多路喷雾的离子源可以实现多方面的应用，比如通过双路内标精确测定质量数、双路喷雾对复杂样品进行萃取检测以及多路喷雾增强信号强度、提高灵敏度等功能，这些都是单路喷雾无法实现的。
双路喷雾的应用研究中，萃取电喷雾离子源(EESI)在质谱分析中具有重要作用。因为当使用电喷雾离子源将尿液、血清、湖水以及牛奶等复杂样品直接喷雾进入质谱仪进行信号检测时，会迅速导致加合物的形成、样品的残留以及非挥发性物质的堆积，最终使得质谱仪的灵敏度迅速降低，并且难以恢复。EESI可以不需要任何样品前处理过程，实现对复杂样品如尿液、牛奶等物质的快速在线检测。
但是当采用EESI进行双路萃取喷雾时，两个喷嘴的摆放位置与夹角会影响测试的稳定性和灵敏度，通常导致待测液体的萃取效率低，离子化效果差，从而导致测试信号弱，实验操作性与复现性较差。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种多通道电喷雾微流控芯片及其应用，旨在提高质谱测试液体的萃取效率和效果，从而增强质谱仪对待测液体的测试信号。
本发明的技术方案如下：
一种多通道电喷雾微流控芯片，其中，包括：两条第一气相流道以及至少两条液相流道；所述液相流道均设置在所述两条第一气相流道之间；所述第一气相流道的喷口与所述液相流道的喷口间隔设置。
所述的多通道电喷雾微流控芯片，其中，还包括至少一条第二气相流道，位于所述至少两条液相流道之间，所述第二气相流道的喷口与所述液相流道的喷口间隔设置。
所述的多通道电喷雾微流控芯片，其中，每条所述液相流道的另一端设置有液相入口。
所述的多通道电喷雾微流控芯片，其中，所述两条第一气相流道与所述第二气相流道的另一端汇聚形成气相干流道，所述气相干流道的末端设置有气相入口。
所述的多通道电喷雾微流控芯片，其中，相邻两个所述液相流道的喷口间隔设置。
所述的多通道电喷雾微流控芯片，其中，所述第一气相流道的喷口与所述液相流道的喷口间隔以及所述第二气相流道的喷口与所述液相流道的喷口间隔均为10-100μm。
所述的多通道电喷雾微流控芯片，其中，所述液相流道、所述第一气相流道以及所述第二气相流道的喷口的中心轴线平行，且所述喷口都在同一平面上。
所述的多通道电喷雾微流控芯片，其中，所述第一气相流道和所述第二气相流道的深度大于所述液相流道的深度。
所述的多通道电喷雾微流控芯片，其中，所述多通道电喷雾微流控芯片采用PDMS或PMMA制作而成。
一种如上所述的多通道电喷雾微流控芯片的应用，其中，所述多通道电喷雾萃取微流控芯片用于液体的萃取电喷雾或用于多液路同时电喷雾。
有益效果：本发明提供了一种多通道电喷雾微流控芯片，其包括两条第一气相流道以及至少两条液相流道，所述液相流道均设置在所述两条第一气相流道之间；所述第一气相流道的喷口与所述液相流道的喷口间隔设置。本发明在进行电喷雾过程中，由于液相喷口与第一气相喷口的相对位置固定，喷雾条件稳定一致，一方面可以实现宏观电喷雾的萃取功能，并相提高了萃取液对待测液的萃取效率和萃取效果，有利于实现对复杂样品的快速检测；另一方面解决了双液路或多液路难以同时电喷雾的问题，最终为微流控芯片与质谱仪的联用创造更多的应用形式，可以广泛应用在物质快速混合反应、蛋白质折叠伸展分析以及内标测试等诸多方面。
附图说明
图1为本发明一种多通道电喷雾微流控芯片的第一实施例结构示意图。
图2为本发明一种多通道电喷雾微流控芯片的第二实施例结构示意图。
图3为本发明一种多通道电喷雾微流控芯片的第三实施例结构示意图。
图4为本发明一种多通道电喷雾微流控芯片的第四实施例结构示意图。
图5为混合泰勒锥喷雾形成示意图。
图6为分离泰勒锥喷雾形成示意图。
图7a为使用EESI离子源测试的罗丹明B的尿液溶液质谱图。
图7b为使用本发明第一实施例测试的罗丹明B的尿液溶液质谱图。
图8为使用本发明第三实施例的喷雾的总离子流稳定性图。
图9a为单液路电喷雾的罗丹明B溶液的质谱图。
图9b为单液路电喷雾的利血平溶液的质谱图。
图9c为本发明第三实施例的双液路同时电喷雾的罗丹明B和利血平溶液的质谱图。
具体实施方式
本发明提供一种多通道电喷雾微流控芯片及其应用，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在质谱分析过程中，待测液体的萃取和离子化效果对质谱的测试效果有很大的影响，但由于宏观电喷雾萃取离子化(EESI)装置的两个独立喷嘴的相对位置不固定，因此在实验之前需要调整两个独立喷嘴的相对位置，这样的操作往往降低的实验的操作性和复现性，且采用EESI装置进行液体电喷雾萃取的萃取效率不高，易导致质谱测试信号低，影响测试结果。
本发明提供的一种多通道电喷雾微流控芯片的较佳实施例，请参见1和图2，所述多通道电喷雾微流控芯片包括：两条第一气相流道10以及至少两条液相流道20；所述液相流道20均设置在所述两条第一气相流道10之间；所述第一气相流道10的喷口与所述液相流道20的喷口间隔设置
本发明可以对复杂待测液体的萃取电喷雾离子化，复杂待测液体指的是还未经过萃取的具有多种组成的复杂液体，如含有待测物的尿液。请参见图5，在微流控芯片的使用过程中，液相流道20用于导流液体，其中至少一条液相流道20用于导流待测液，其余的液相流道20用于导流萃取液，且只需要对萃取液施加高电压。由于液相流道20间隔较小，在萃取电喷雾过程中，待测液和萃取液能够在液相流道20的喷口混合，实现萃取液对待测液的萃取与离子化，并形成一个混合泰勒锥喷雾，同时进行雾化。由于微流控芯片的集成度高，待测液流道与萃取液流道的相对位置固定且喷口间隔小，使得两种液体的喷雾条件稳定一致，雾化效果好。较好的，位于较中间的液相流道20用于导流待测液，这样可以在液相流道20的喷口处形成萃取液与待测液混合的泰勒锥喷雾形式，使两种液体均匀混合的同时，也进一步提高了萃取液对待测液的萃取效率和萃取效果，增强后续的测试信号。第一气相流道10用于导流气体，第一气相流道10分布在液相流道20的两侧，可以防止混合液体在液相流道20的喷口处向两侧蔓延而影响喷雾效果，同时可以使混合液体进一步雾化，提高离子化效率。第一间隔的设置可以得到合适大小的混合泰勒锥，从而进一步提高了微流控芯片的喷雾效果。本发明有效实现对复杂待测液的检测，减少待测液的前处理过程，提升复杂待测液的萃取效率，增强待测液离子化能力。
在一种实施方式中，相邻两个所述液相流道20的喷口间隔设置，较好的，液相流道20的喷口间隔的宽度为20μm，间隔设置较小，有助于待测液与萃取液的混合。
在另一种实施方式中，还包括至少一条第二气相流道30，位于所述至少两条液相流道20之间，也就是说第二气相流道30用于将液相流道20间隔开来，并且所述第二气相流道30的喷口与所述液相流道20的喷口间隔设置，这样可形成多个独立喷嘴并排设置的结构，独立喷嘴指的是由两条气相流道(包括第一气相流道10和/或第二气相流道30)之间设置至少一条液相流道20而组成的喷嘴。举例来说，可采用两条第一气相流道10、三条液相流道20和一条第二气相流道30，其中，第二气相流道30设置在任意一对相邻的液相流道20之间，则形成两个独立喷嘴，其中一个独立喷嘴具有两个液相流道20的喷口，另一个独立喷嘴只有一个液相流道20的喷口；也可以设置成如图4的结构，采用两条第一气相流道10、三条液相流道20和两条第二气相流道30，其中，两条第二气相流道30设置在相邻的液相流道20之间，形成三个都只有一个液相流道20的喷口的独立喷嘴。
在一种优选的实施方式中，请参见图3和图4，第二气相流道30将相邻的液相流道20均间隔开来，形成第二气相流道30与液相流道20交错间隔设置的结构，也就是说，形成的独立喷嘴中的液相流20的喷口只有一个。这样在萃取电喷雾过程中，多个独立喷嘴形成多个较小的分离泰勒锥喷雾，如图6所示。在对复杂待测液体萃取电喷雾过程中，同样只对萃取液施加电压，待测液与萃取液在各自所在的液相流道20的喷口形成分离泰勒锥喷雾，分别进行雾化。在雾化状态下，萃取液液滴与待测液液滴相互碰撞，从而实现萃取液对待测液的萃取与离子化。需要说明的是，可根据需要和喷雾效果进行萃取液与待测液的流道选择。这样设置还可以用于双液路或多液路电喷雾离子化，一般来说，双路或多路电喷雾离子化可以减轻离子抑制效应，从而通过内标精确测定质量数，可以增强质谱信号强度，提高灵敏度，并实现对大分子样品的高效率和高通量分析。但是，当两个喷嘴同时进行电喷雾时，由于喷嘴尖端相互之间的强电场干扰，导致通常很难实现双路或多路喷嘴的同时电喷雾。由于本发明在相邻的液相流道20之间均设置了一条气相流道，使得液相流道20均是相互独立的，几乎不存在一般喷嘴尖端的形状，所以相互之间的电场干扰很小，可以实现双路或多路喷嘴的同时电喷雾，且喷雾稳定性较高。需要说明的是，在进行双液路或多液路电喷雾时，由于在喷雾过程中没有对待测液进行萃取，因此需要预先对待测液进行萃取或提纯，再进行电喷雾。在进行双液路或多液路电喷雾时，液相流道20均用于导流待测液，并且对待测液均施加高电压进行电喷雾，其中，待测液可以相同也可以不相同，对不同的待测液进行同时电喷雾可以同时得到不同待测物的质谱图，提高了检测效率。
本发明的多通道电喷雾微流控芯片进一步扩展了微流控芯片与质谱仪的联用范围，可以广泛应用在物质快速混合反应、蛋白质折叠伸展分析以及内标测试等诸多方面，真正有利于实现对复杂样品的快速检测，摆脱实验室繁琐的样品前处理流程，为质谱仪小型化、便携式的发展做出一定贡献。
请参见图1至图4，每条液相流道20的另一端均设置有液相入口21，并且不同的液相流道20的液相入口21不相同，液体从液相入口21进入液相流道20，在液相流道20的喷口形成泰勒锥喷雾。两条第一气相流道10的另一端与第二气相流道30的另一端汇聚形成气相干流道40，所述气相干流道40的末端设置有气相入口41，也就是说，两条第一气相流道10与所有的第二气相流道30共用一个气相入口41，气体从气相入口41进入气相干流道40并在设置位置分开经过各个第一气相流道10和第二气相流道30。
在一种实施方式中，所述第一气相流道10的喷口与所述液相流道20的喷口间隔以及所述第二气相流道30的喷口与所述液相流道20的喷口间隔均为10-100μm，优选的，该间隔为15-25μm。液相流道20出口与气相流道(包括第一气相流道10或第二气相流道30)的喷口之间需要具有一定的间隔以形成合适大小的泰勒锥喷雾，该间隔较大导致形成的泰勒锥较大，喷雾不稳定，影响喷雾效果；该间隔较小易导致芯片的制备过程中由于上下两半片键合不牢固而出现气相流道与液相流道混合的现象。
在一种实施方式中，所述液相流道20、所述第一气相流道10以及所述第二气相流道30的喷口的中心轴线平行，且所述喷口都在同一平面上。也就是说，所有流道靠近所述喷口的一段均相互平行分布，且气相和液相均同时喷出。平行分布能够使每条液相流道20或者所有液相流道20两边的第一气相流道10和第二气相流道30完全对称分布，这样可以使液体能够完全平行同时喷出，将液相喷口正对质谱仪入口时，平行喷出的液相能尽可能多且更准确地进入质谱仪，保证信号不会因喷雾方向不准确导致的检测信号降低。
在一种实施方式中，第一气相流道10和第二气相流道30的深度大于液相流道20的深度。第一气相流道10和第二气相流道30较深一些，有助于液体的雾化，并防止液相流道20的喷口处的液体蔓延。
在一种实施方式中，所述多通道电喷雾微流控芯片采用PDMS或PMMA制作而成。本发明采用多层套刻的软光刻方法加工微流控芯片，聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)或聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA)作为加工材料。多通道电喷雾微流控芯片的软光刻工艺流程主要包括甩胶、曝光、显影、入模、固化、揭模、切割、打孔、键合等工序，该工艺非常成熟，本发明不做赘述。具体可先分别形成微流控芯片的上半片和下半片，上下半片都具有微流道结构，因此采用PDMS与PDMS键合的形式使上下半片结合加工成完整芯片。根据微流控芯片的不同应用需求，加工工艺会有所变化。该方法具有加工工艺简单、易于键合、成本低廉、便于大规模制备等优势。
本发明还提供一种多通道电喷雾微流控芯片的应用，所述多通道电喷雾萃取微流控芯片主要用于液体的萃取电喷雾或用于多液路同时电喷雾，产生微小雾化液滴，供质谱仪进行检测。
如图7a和图7b所示，从图可知，采用EESI离子源所得的罗丹明信号强度和信噪比都远低于微流控芯片离子源测试的信号强度和信噪比。使用EESI离子源测试的罗丹明溶液(3μM)的总离子流(质荷比443-444)信号强度。如图8所示，可以看出，采用双路电喷雾过程中，两种样品的总离子流强度相对标准偏差(RSD)仅为1.6％，这充分证明了这种双路同时电喷雾的稳定性。如图9a、图9b和图9c所示，从图可见，在分别进行两次单路喷雾时，罗丹明和利血平的平均信号强度分别为1.1×105和4.8×105。然而，保持条件不变，在微流控芯片双路上同时添加两种样品并施加高电压，进行同时独立喷雾时，罗丹明的信号强度几乎没有受到影响，而利血平的信号强度稍微降低。这表明同时喷雾时，两路同时电喷雾会有一定的影响，包括电场强度干扰以及离子抑制作用等，但是总的影响较小，基本不会影响质谱信号测试。
综上所述，本发明提供了一种多通道电喷雾微流控芯片，其包括两条第一气相流道以及至少两条液相流道，所述液相流道均设置在所述两条第一气相流道之间；所述第一气相流道的喷口与所述液相流道的喷口间隔设置。本发明在进行电喷雾过程中，由于液相喷口与第一气相喷口的相对位置固定，喷雾条件稳定一致，一方面可以实现宏观电喷雾的萃取功能，并相提高了萃取液对待测液的萃取效率和萃取效果，有利于实现对复杂样品的快速检测；另一方面解决了双液路或多液路难以同时电喷雾的问题，最终为微流控芯片与质谱仪的联用创造更多的应用形式，可以广泛应用在物质快速混合反应、蛋白质折叠伸展分析以及内标测试等诸多方面。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种多通道电喷雾微流控芯片，其特征在于，包括：两条第一气相流道、至少两条液相流道以及至少一条第二气相流道；所述液相流道均设置在所述两条第一气相流道之间；所述第二气相流道设置在至少两条液相流道之间，所述第一气相流道的喷口与所述液相流道的喷口间隔以及所述第二气相流道的喷口与所述液相流道的喷口间隔均为10-100μm；
所述液相流道的喷口、所述第一气相流道的喷口以及所述第二气相流道的喷口的中心轴线平行，且在同一平面上。
2.根据权利要求1所述的多通道电喷雾微流控芯片，其特征在于，每条所述液相流道的另一端设置有液相入口。
3.根据权利要求1所述的多通道电喷雾微流控芯片，其特征在于，所述两条第一气相流道与所述第二气相流道的另一端汇聚形成气相干流道，所述气相干流道的末端设置有气相入口。
4.根据权利要求1所述的多通道电喷雾微流控芯片，其特征在于，所述第一气相流道和所述第二气相流道的深度大于所述液相流道的深度。
5.根据权利要求1-4任一所述的多通道电喷雾微流控芯片，其特征在于，所述多通道电喷雾微流控芯片采用PDMS或PMMA制作而成。
6.一种如权利要求5所述的多通道电喷雾微流控芯片的应用，其特征在于，所述多通道电喷雾萃取微流控芯片用于液体的萃取电喷雾或用于多液路同时电喷雾。
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