CN105424792B - 芯片电泳分离和等离子体质谱检测的芯片分析系统 - Google Patents

Abstract

芯片电泳分离和等离子体质谱检测的芯片分析系统，微流控芯片以中心通孔为圆心，向边缘辐射出至少2条相同的径向分流通道，且均与中心通孔连通；分离通道包括对称设置的两块微流控芯片，分别为始端微流控芯片和终端微流控芯片，且相对的径向分流通道均通过连接毛细管一一连通，始端微流控芯片的径向分流通道内均设有多孔塞；始端微流控芯片的中心通孔与高压电极相连，终端微流控芯片的中心通孔与接地电极相连，高压电极和接地电极分别与高压电源的两端相连；流出通道的转移毛细管通过雾化器与等离子体质谱仪相连。具有分离效率高、检测灵敏度高、结构简单、操作方便、成本低廉的特点。

Description

芯片电泳分离和等离子体质谱检测的芯片分析系统

(一)技术领域

本发明涉及一种芯片电泳分离和等离子体质谱检测的芯片分析系统。

(二)背景技术

环境和生物样品中的元素形态信息有助于人们了解它的毒性、迁移性和生物可利用性。原子光谱分析技术，特别是等离子体质谱技术，是目前痕量元素总量分析的强有力工具，但难以对环境、生物和食品等复杂基体中痕量元素的存在形态及其含量进行分析。色谱分析模式种类多样，适用范围广，是分析复杂基体中痕量元素的不同形态物种的高效手段，特别是毛细管电泳技术，具有分离效率高、速度快和样品消耗小等优点。毛细管电泳与等离子体质谱联用技术结合两者的优点，即毛细管电泳的高分离效率与等离子体质谱的高灵敏度与高元素选择性，是一种具有很大潜力的形态分析技术。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。毛细管电泳和等离子体质谱联用接口中的连接管路和接头可以方便地集成在芯片上，节约了制作这些管路和接头的时间和成本，并且降低了它们的连接部位的死体积，也简化联用装置。但是，毛细管电泳与等离子体质谱联用必先设计一个有效的接口，这个接口必须兼容两者的流量，保证电泳分离与等离子体质谱测定互不干扰，同时还要使电泳流出物高效传输到等离子体质谱。设计这样的接口，需要解决的一个问题是如何降低等离子体质谱仪所使用的气动雾化器产生的自吸效应。雾化器的自吸效应会在分离毛细管中产生层流，干扰不同物种的电泳分离甚至导致分离失败。为了最大程度的降低自吸效应，一种简单有效的方法是引入补充液流。但是，由于气动雾化器的自吸流量受雾化气流量、样品溶液粘度和液体被垂直提升的距离等因素的影响，很难通过补充液流来完全匹配雾化器的自吸流量，两者间的微小差异将会对分离毛细管内的电泳过程不利。另一种方法是使用交叉流雾化器来减小自吸效应，此情况下，雾化气出口方向与样品溶液管路是垂直的，雾化器的自吸流量大大降低，因而自吸效应也大为减轻。然而，交叉流雾化器的雾化效率不高，只有10％。最近，Yang,G.,Xu,X.,Wang,W.,et al.,A new interface used to couple capillary electrophoresiswith inductively coupled plasma mass spectrometry for speciation analysis[J],Electrophoresis,2008,29(13):2862-2868中公开了一个毛细管电泳与等离子体质谱联用的新接口，它完全消除了雾化器自吸造成的分离毛细管内的层流现象。分离毛细管内的电泳流出物被离线收集，再由蠕动泵转移到三通接头，接着被另一蠕动泵输送的补充液流传输到雾化器并最终被等离子体质谱检测。当第一个电泳流出物转移到三通接头后，第一个蠕动泵停止运行，直至第二个电泳流出物收集完毕。由于分离毛细管和雾化器被第一个蠕动泵隔离开，当它停止运行时，完全消除了雾化器的自吸效应对电泳分离的影响。但是该联用接口仅适用于迁移时间差异大于20s的物种，否则两种分析物的电泳峰会发生重叠。

除了自吸效应，毛细管电泳与等离子体质谱联用须考虑的另一个问题是接口的灵敏度。等离子体质谱所用的常规雾化器的进样流量一般为0.5-2mL/min，采用微量雾化器的进样流量一般为5-100μL/min，这都远远超过毛细管电泳的流速(亚μL/min水平)，因此绝大部分的接口使用大流量的鞘流液来平衡两者的流量差。然后在分离毛细管后引入鞘流液会大量稀释分析物的浓度，使联用接口的灵敏度显著下降。另一方面，毛细管电泳的进样量一般为数纳升至数十纳升，而等离子体质谱又是一个质量型检测器(即灵敏度与进样量相关)，这也导致联用方法的灵敏度雪上加霜。由于金属形态物种在生物、环境等基体中含量较低，使用传统毛细管电泳与等离子体质谱联用系统直接检测它们十分困难。为降低联用系统的检出限，可采用改进联用接口、离线或在线样品富集、增加进样量等方法。改进联用接口的手段有氢化物发生进样，但其应用范围有限(仅限于As、Sn、Hg等能形成氢化物的元素)。离线或在线样品富集方法效果较好，但是装置相对复杂，耗时较长。增加进样量可以成比例地改善灵敏度，但是会牺牲分离度；而且毛细管电泳分离的样品带一般不能超过分离通道的1/10，否则将导致分离失败，这限制了增加进样量方法的效果。

此外，毛细管电泳与等离子体质谱联用须考虑的另一个问题是接口的死体积。接口的死体积越大，分析物在此停留的时间越长，电泳峰的扩宽越严重，降低分离效率和检测灵敏度。现有的毛细管电泳与等离子体质谱联用接口一般采用两通、三通或者四通来连接高压电极、分离毛细管、鞘流液管路及雾化器，它们的死体积少则数十纳升，多则数微升，易导致电泳峰的扩宽。

(三)发明内容

为解决上述问题，本发明的目的是提供一种芯片电泳分离和等离子体质谱检测的芯片分析系统。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

芯片电泳分离和等离子体质谱检测的芯片分析系统，包括相配合的电泳分离部和检测部，所述电泳分离部包括分离通道、进样通道、缓冲液废液通道、补充液通道和流出通道，所述检测部包括等离子体质谱仪和雾化器，

所述分离通道包括微流控芯片，所述的微流控芯片的中心开有中心通孔，所述的微流控芯片以中心通孔为圆心，向边缘辐射出至少2条径向分流通道，所述径向分流通道均相同，且所述的径向分流通道均与中心通孔连通；

所述分离通道包括对称设置的两块微流控芯片，分别为始端微流控芯片和终端微流控芯片，所述始端流控芯片和终端流控芯片相对的径向分流通道均通过连接毛细管一一连通，且所述始端微流控芯片的径向分流通道内均设有多孔塞；

始端微流控芯片的中心通孔与高压电极相连，终端微流控芯片的中心通孔与接地电极相连，所述高压电极和接地电极分别与高压电源的两端相连；

所述的进样通道包括与始端微流控芯片的中心通孔依次连通的进液毛细管、六通进样阀和高压输液泵；

所述的缓冲液废液通道包括与始端微流控芯片的中心通孔依次连通的废液毛细管和废液瓶；

所述的补充液通道包括与终端微流控芯片的中心通孔依次连通的鞘流液毛细管和注射泵；

所述的流出通道包括与终端微流控芯片的中心通孔连通的转移毛细管；

所述转移毛细管依次通过雾化器、加热雾化室与等离子体质谱仪相连。

进一步，第一毛细管的一端与所述始端微流控芯片的中心通孔连通，另一端插设有高压电极。

更进一步，所述第一毛细管和所述废液毛细管分别设置在始端微流控芯片的两侧。

进一步，第二毛细管的一端与所述终端微流控芯片的中心通孔连通，另一端插设有接地电极。

更进一步，所述第二毛细管和所述鞘流液毛细管分别设置在终端微流控芯片的两侧。

再进一步，所述高压电极和接地电极都是铂电极。

进一步，所述分流通道沿所述微流控芯片均匀分布。

本发明设有n(n≥2)条径向分流通道，径向分流通道完全相同且相互并联，每条径向分流通道内的进样量、电场强度、电渗流速等均相等，各径向分流通道能同时进行电泳分离，电泳分离的总流量为单条径向分流通道的n倍，提高了电泳分离的效率，且每条径向分流通道内能同时流出相同的试样，避免了柱后汇集引起电泳峰扩宽；总进样量为单条径向分流通道的n倍，试样总量增加，减少了补充液的流量，提高了等离子体质谱检测的灵敏度。

本发明的始端微流控芯片的分流毛细管内内设有多孔塞。多孔塞对压力流的阻力很大，而对电渗流阻力很小，因此被分析的试样可以在电渗流的驱动下，进入分离通道内电泳分离，而雾化器的自吸不会在分离通道内形成一股层流，一方面保证电泳分离的有效进行；另一方面也防止了注射泵驱动的鞘流液流进入分离通道内，影响分离效率。

本发明分离后的样品分子经终端微流控芯片的径向分流通道在终端微流控芯片的中心通孔处汇合，样品由一条转移毛细管进入等离子质谱检测仪，减小了电泳分离部和检测部之间的接口的死体积，减少了样品在接口处的停留时间，提高了分离效率和检测灵敏度。

本发明采用进样阀结合电动进样，在进液毛细管和高压输液泵之间连接有六通进样阀，通过平头液相微量进样针将试样装入六通进样阀的样品环，然后将六通进样阀的阀位切换至注射(inject)状态，高压输液泵输送的电泳缓冲液将定量环中的试样注射到进液毛细管内，并在在始端微流控芯片的中心通孔处分流，一部分在压力流和电渗流的作用下同时进入各分流毛细管内内进行电泳分离，另一部分则经废液毛细管流出芯片进入到废液瓶内。改变废液毛细管的液流阻力(如改变废液毛细管的尺寸)，可以调节进入径向分流通道的试样量，防止单条径向分流通道内的试样量超载。更改六通进样阀的定量环体积及平头液相微量进样针的吸液量，可以改变进入径向分流通道内的进样体积。

本发明的分析过程由进样、分离和检测三个阶段组成；在进样阶段，启动注射泵输送鞘流液，启动高压电源施加+10kV高压，开启高压输液泵输送电泳缓冲液，用平头液相进样针吸入试样，将样品手动注入到六通进样阀的样品环后，手动将六通进样阀切换至Inject(注射)状态，此时高压输液泵输送电泳缓冲液将试样注入到充满电泳缓冲液的分离通道内；进入分离阶段，试样带在电场力和电渗流的共同作用下向分离通道的终端运动，由于样品中各组分因其分子大小、所带电荷数的不同，在电场中电泳速度不同实现分离；在检测阶段，分离后的样品分子经终端微流控芯片的径向分流通道在终端微流控芯片的中心通孔处汇合，并在鞘流液驱动下由转移毛细管进入微量雾化器，雾化形成气溶胶后，通过加热雾化室部分去溶，最后进入等离子体质谱进行分析检测。

本发明的有益效果是：电泳分离和等离子体质谱检测互不干扰，总进样量和电泳总流速均提高至n倍，保证了毛细管电泳的高分离效率和等离子体质谱检测的高灵敏度。具有分离效率高、检测灵敏度高、结构简单、操作方便、成本低廉的特点。

(四)附图说明

图1是始端微流控芯片本发明结构示意图；

图2是分离通道结构示意图；

图3是本发明结构示意图；

图4是用本发明检测由汞离子、甲基汞离子、苯基汞离子组成的混合水样所得的电泳图。

图中：1－始端微流控芯片，2－终端微流控芯片，3－废液毛细管，4－鞘流液毛细管，5－进液毛细管，6－转移毛细管，7－高压电极，8－接地电极，9－连接毛细管，10－高压电源，11－高压输液泵，12－六通进样阀，13－废液瓶，14－注射泵，15－雾化器，16－等离子体质谱仪，17－径向分流通道，18－中心通孔，19－多孔塞，20-加热雾化室。

(五)具体实施方式

本说明书的实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

实施例1

参照图1-图4：

芯片电泳分离和等离子体质谱检测的芯片分析系统，包括相配合的电泳分离部和检测部，所述电泳分离部包括分离通道、进样通道、缓冲液废液通道、补充液通道和排样通道，所述检测部包括等离子体质谱仪和雾化器；

所述分离通道包括微流控芯片，所述的微流控芯片的中心开有中心通孔18，所述的微流控芯片以中心通孔18为圆心，向边缘辐射出至少2条径向分流通道17，所述径向分流通道17均相同，且所述的径向分流通道17均与中心通孔18连通；

所述分离通道包括对称设置的两块微流控芯片，分别为始端微流控芯片1和终端微流控芯片2，所述始端流控芯片1和终端流控芯片2相对的径向分流通道17均通过连接毛细管9一一连通，且所述始端微流控芯片1的径向分流通道17内均设有多孔塞19；

始端微流控芯片1的中心通孔18与高压电极7相连，终端微流控芯片2的中心通孔18与接地电极8相连，所述高压电极7和接地电极8分别与高压电源10的两端相连；

所述的进样通道包括与始端微流控芯片1的中心通孔18依次连通的进液毛细管5、六通进样阀12和高压输液泵11；

所述的六通进样阀12接地，防止在进样过程中发生触电。

所述的缓冲液废液通道包括与始端微流控芯片1的中心通孔18依次连通的废液毛细管3和废液瓶13；

所述的补充液通道包括与终端微流控芯片2的中心通孔18依次连通的鞘流液毛细管4和注射泵14；

所述的流出通道包括与终端微流控芯片2的中心通孔18连通的转移毛细管6；

所述转移毛细管6依次通过雾化器15、加热雾化室20与等离子体质谱仪16相连。

第一毛细管的一端与所述始端微流控芯片片1的中心通孔18连通，另一端插设有高压电极7。

所述第一毛细管和所述废液毛细管3分别设置在始端微流控芯片1的两侧。

第二毛细管的一端与所述终端微流控芯片2的中心通孔18连通，另一端插设有接地电极8。

所述第二毛细管和所述鞘流液毛细管4分别设置在终端微流控芯2的两侧。

所述高压电极7和接地电极8都是铂电极。

进一步，所述分流通道17沿微流控芯片均匀分布。

废液毛细管3内径为0.05mm，外径为0.35mm，长度为50cm；

进液毛细管5内径为0.05mm，外径为0.35mm，长度为50mm；

鞘流液毛细管4内径为0.05mm，外径为0.35mm，长度为25cm；

转移毛细管6内径为0.075mm，外径为0.35mm，长度为10cm；

连接毛细管内径为0.075mm，外径为0.35mm，长度为50cm；

径向分流通道深30μm，宽100μm，长5mm。

始端微流控芯片1和终端微流控芯片2上均设有17条径向分流通道17，17条径向分流通道17的一端相交于与中心通孔18，另一端上设有开孔20，中心通孔的直径是0.35mm，开孔20的直径为0.35mm，径向分流通道17通过开孔20与连接毛细管9相连接，并通过环氧树脂胶密封连接间隙。

转移毛细管6、鞘流液毛细管4均与终端微流控芯片2的中心通孔18连通，并通过环氧树脂胶密封连接间隙。

始端微流控芯片1的中心通孔内侧与进液毛细管5、废液毛细管3连通，外侧与第一毛细管7连通，间隙均以环氧树脂胶密封。

始端微流控芯片1的中心通孔内侧与转移毛细管6、鞘流液毛细管4连通，外侧与第二毛细管8连通，间隙均以环氧树脂胶密封。

芯片1末端的小孔插入进液毛细管5，进液毛细管5与六通进样阀12的其中一孔相连，始端微流控芯片1的中心通孔的外侧与第一毛细管的一端连通，第一毛细管的另一端插入高压铂电极7，始端微流控芯片1的中心通孔18的内侧与废液毛细管3的一端连通，废液毛细管3的另一端与废液瓶13连接；终端微流控芯片2的中心通孔的外侧与第二毛细管的一端连通，第二毛细管的另一端插入接地铂电极7，终端微流控芯片2的中心通孔的内侧与鞘流液毛细管4的一端连通，鞘流液毛细管4的另一端与注射泵14上的注射器针头相连连接；高压电源的两极分别与高压铂电极7和接地铂电极8相连。

转移毛细管6通过四氟管无缝连接雾化器15，雾化器15再与等离子体质谱仪16连接。

本发明的分析过程由进样、分离和检测三个阶段组成：

(1)进样阶段

将注射泵14的注射器装满鞘流液(1％HNO3)并以5μL/min推液，启动高压输液泵以60μL/min的流速输送电泳缓冲液(5mM硼砂+1mM半胱氨酸，pH 8.5)至分离通道，在高压铂电极7上施加+10kV高电压，接地铂电极8接地，用平头液相进样针吸入三种汞形态离子(即汞离子、甲基汞离子、苯基汞离子)的混合水样约15μL，将样品手动注入到六通进样阀12的样品环(10μL)后，手动将六通进样阀12切换至Inject(注射)状态，高压输液泵11输送的电泳缓冲液将样品环中的试样经进液毛细管5注入到充满电泳缓冲液的分离通道内。

(2)分离阶段

试样在电场力和电渗流的共同作用下，按各组分的分子大小、所带的电荷数、电泳速度的不同在分离通道内实现分离；试样从始端微流控芯片1经连接毛细管9向终端微流控芯片2运动，并经终端微流控芯片2的径向分流通道17在终端微流控芯片2的中心通孔18处汇合，分离样品形成。

径向分流通道17内的样品带长度相等，且与六通进样阀12的进样量及高压场强成正比。

(3)检测阶段

在终端微流控芯片2的中心通孔18处汇合的分离样品在鞘流液驱动下由转移毛细管6进入雾化器15，雾化形成气溶胶并在加热雾化室20内去溶，最后进入等离子体质谱仪16进行分析检测，检测得到²⁰²Hg质量数信号强度对时间的电泳峰，如图4所示。

设有17条径向分流通道17，径向分流通道17完全相同且相互并联，每条径向分流通道17内的进样量、电场强度、电渗流速等均相等，各径向分流通道17能同时进行电泳分离，电泳分离的总流量为单条径向分流通道的17倍，提高了电泳分离的效率，且每条径向分流通道17内能同时流出相同的试样，避免了柱后汇集引起电泳峰扩宽；总进样量为单条径向分流通道的17倍，试样总量增加，减少了补充液的流量，提高了等离子体质谱检测的灵敏度。

始端微流控芯片1的分流毛细管内17内设有多孔塞19。多孔塞19对压力流的阻力很大，而对电渗流阻力很小，因此被分析的试样可以在电渗流的驱动下，进入分离通道内电泳分离，而雾化器15的自吸不会在分离通道内形成一股层流，一方面保证电泳分离的有效进行；另一方面也防止了注射泵14驱动的鞘流液流进入分离通道内，影响分离效率。

分离后的样品分子经终端微流控芯片2的径向分流通道17在终端微流控芯片2的中心通孔18处汇合，样品仅由一条转移毛细管6进入等离子质谱检测仪16，减小了电泳分离部和检测部之间的接口的死体积，减少了样品在接口处的停留时间，提高了分离效率和检测灵敏度。

本发明采用进样阀结合电动进样，在进液毛细管5和高压输液泵11之间连接有六通进样阀12，通过平头液相微量进样针将试样装入六通进样阀12的样品环，然后将六通进样阀12的阀位切换至注射(inject)状态，高压输液泵11输送的电泳缓冲液将定量环中的试样注射到进液毛细管5内，并在在始端微流控芯片1的中心通孔处分流，一部分在压力流和电渗流的作用下同时进入各分流毛细管内17内进行电泳分离，另一部分则经废液毛细管3流出芯片进入到废液瓶内。改变废液毛细管3的液流阻力(如改变废液毛细管3的尺寸)，可以调节进入径向分流通道17的试样量，防止单条径向分流通道17内的试样量超载。更改六通进样阀12的定量环体积及平头液相微量进样针的吸液量，可以改变进入径向分流通道17内的进样体积。

Claims (7)

1.芯片电泳分离和等离子体质谱检测联用的芯片分析系统，包括相配合的电泳分离部和检测部，所述电泳分离部包括分离通道、进样通道、缓冲液废液通道、补充液通道和流出通道，所述检测部包括等离子体质谱仪和雾化器，其特征在于：

所述分离通道包括微流控芯片，所述的微流控芯片的中心开有中心通孔，所述的微流控芯片以中心通孔为圆心，向边缘辐射出至少2条径向分流通道，所述径向分流通道均相同，且所述的径向分流通道均与中心通孔连通；

所述分离通道包括对称设置的两块微流控芯片，分别为始端微流控芯片和终端微流控芯片，所述始端微流控芯片和终端微流控芯片相对的径向分流通道均通过连接毛细管一一连通，且所述始端微流控芯片的径向分流通道内均设有多孔塞；

始端微流控芯片的中心通孔与高压电极相连，终端微流控芯片的中心通孔与接地电极相连，所述高压电极和接地电极分别与高压电源的两端相连；

所述的进样通道包括与始端微流控芯片的中心通孔依次连通的进液毛细管、六通进样阀和高压输液泵；

所述的缓冲液废液通道包括与始端微流控芯片的中心通孔依次连通的废液毛细管和废液瓶；

所述的补充液通道包括与终端微流控芯片的中心通孔依次连通的鞘流液毛细管和注射泵；

所述的流出通道包括与终端微流控芯片的中心通孔连通的转移毛细管；

所述转移毛细管依次通过雾化器、加热雾化室与等离子体质谱仪相连。

2.如权利要求1所述的芯片电泳分离和等离子体质谱检测联用的芯片分析系统，其特征在于：第一毛细管的一端与所述始端微流控芯片的中心通孔连通，另一端插设有高压电极。

3.如权利要求2所述的芯片电泳分离和等离子体质谱检测联用的芯片分析系统，其特征在于：所述第一毛细管和所述废液毛细管分别设置在始端微流控芯片的两侧。

4.如权利要求3所述的芯片电泳分离和等离子体质谱检测联用的芯片分析系统，其特征在于：第二毛细管的一端与所述终端微流控芯片的中心通孔连通，另一端插设有接地电极。

5.如权利要求4所述的芯片电泳分离和等离子体质谱检测联用的芯片分析系统，其特征在于：所述第二毛细管和所述鞘流液毛细管分别设置在终端微流控芯片的两侧。

6.如权利要求5所述的芯片电泳分离和等离子体质谱检测联用的芯片分析系统，其特征在于：所述高压电极和接地电极都是铂电极。

7.如权利要求6所述的芯片电泳分离和等离子体质谱检测联用的芯片分析系统，其特征在于：所述分流通道沿所述微流控芯片均匀分布。