基于三维聚焦技术的微流控芯片-NANO电喷雾质谱新方法

With more and more attentions for microfluidic chips coupled with the nanoelectrospray ionization mass spectrometry, it is of great practical significance to depress the injection losses from the serious diffusion of the electrospray cone. Current researches focused on the preparation of various spray orfices to compress the overall spray. Following this idea, the difficulty to prepare microfluidic chips increased obviously. In this study, by controlling the distribution of the sample micro flow in the overall flow, the analyte distribution in the electrospray cone will be regulated. In this way, analytes will be injected into the mass spectrometer as much as possible, and thus the injection losses will be reduced. Following the new idea, the difficulty to prepare microfluidic chips will be decreased. In addition, it is probable to realize 3D hydrodynamic focusing for the sample flow to depress preceding injection losses and improve its detection sensitivity, as well as to add volatile solvents in order to stabilize the overall electrospray. Based on the optimization for 2D hydrodynamic focusing chips in both vertical and horizontal directions, 3D hydrodynamic focusing chips will be prepared and utilized to realize 3D hydrodynamic focusing and the electrospray ionization for the sample micro flow, based on which a on-line and tandem strategy to couple microfluidic chips with the mass spectrometer will be realized. Thus, a novel and sensitive method based on 3D hydrodynamic focusing for microfluidic chips coupled with the nanoelectrospray ionization mass spectrometry will be established. At last, the preceding method will be used to determine phosphorylated peptides, and its detection limit will be evaluated. Based on this research, it is expected to set up good groundwork for the on-line qualitative determination of trace analytes in samples, which will be pretreated and located in microfluidic chips.

随着微流控芯片-NANO电喷雾质谱方法受到越来越多的关注，如何抑制锥形电喷雾急剧扩散所导致的进样损耗成为颇具实际意义的问题。现有研究侧重于制备各种喷雾口以缩小整体电喷雾。基于这种思路进行芯片制作，难度明显增大。本研究从控制总液流中的样品分布入手，调控锥形电喷雾中的待测物分布，使样品尽可能多的进入质谱。基于此思路，既可降低芯片制作难度，又能在加入挥发性溶剂以稳定电喷雾的同时，对样品液流进行三维聚焦控制，进而抑制进样损耗以提升灵敏度。本研究拟在优化水平方向和垂直方向二维聚焦芯片的基础上，制备三维聚焦芯片，并基于该芯片对样品微液流进行三维聚焦控制和电喷雾电离，以实现芯片和质谱的在线串联，从而建立基于三维聚焦技术的微流控芯片-NANO电喷雾质谱高灵敏度分析新方法。最后，将该方法应用于检测磷酸化多肽并评价其检测限。通过本课题的研究，以期为基于芯片平台对样品中的痕量组分进行在线结构定性打下良好的基础。

为应对芯片-电喷雾质谱方法中电喷雾急剧扩散引致进样损耗的问题，本课题通过控制液流中的样品分布调控电喷雾中的待测物分布，以达到提升信噪比和拓宽分析方法适用范围的目标。主要研究内容如下：.1. 本部分研究通过对样品进行三维聚焦，将样品微流聚焦至整体液流剖面中心区域，从而实现对样品离子扩散的抑制，并制备了一种NANO电喷雾接口芯片。包裹型电喷雾沉积图案有效证明了聚焦液对样品液的包裹。相关数据表明该纳喷接口芯片可以达到抑制进样损耗的目标，且其可适用于对具有更宽流速（从 10 nL/min 到 15 μL/min）和极性范围（从 100%甲醇到100% 水）的待测液流的电喷雾电离。.2. 在前述工作基础上，我们通过对待测离子进行质荷比校准，进而建立一种高精度的在线校准型微流控芯片-质谱检测方法。电喷雾垂直剖面上的待测离子、参比离子及其相应强度比相关数据支持标准参比离子和待测离子之间存在预想的包裹构型。基于该电喷雾芯片实现了对各类待测物的高精度质谱检测，结果表明所建立之方法对十种有机化合物（0.2 ppm和4.5 ppm之间）和四种生物大分子（5.2 ppm和9.2 ppm之间）的精度误差相较于进行质量校准之前明显降低。.3. 我们还在前述工作的基础上引入模块化概念，构建了一种包含有富集、分离和在线电喷雾检测三种功能模块的微流控分析检测平台。定量检测结果表明该平台富集脱盐和在线分离的效率达到预期。该模块化微流控芯片分析平台被用于检测棉铃虫排泄物中的啶虫丙醚农药及其代谢产物及多肽（酪蛋白酶解）溶液，相关结果支持该检测平台的可靠性。.4. 电喷雾过程一般伴随着待测物的快速扩散，如能对两个电喷雾锥重叠区域进行质谱检测，则有望实现对较快反应过程中不同时间状态的表征。因此，我们通过在包含两个薄膜电喷雾锥的芯片上集成在线稀释和电喷雾功能，建立了一种基于该芯片和飞行时间质谱的酶促反应动力学监控分析方法。此外，我们正在探索一种基于微流控三维聚焦的双喷雾微界面反应的质谱监控方法，意图探索对更快反应的中间状态监控。.5. 本小组还将3D打印技术引入到芯片和纳喷电离源的制作中，构建了具有并联结构的在线荧光、紫外和飞行时间质谱检测装置，建立了鳞翅目害虫排泄物中的啶虫丙醚及其代谢物的分析方法，并探索了基于高分辨质谱的农药与生物大分子相互作用的分析方法。这些工作将为后续研究奠定相应的研究基础。