CN112768338B - 一种基于微流控技术的质谱成像高空间分辨率表面采样头及采样方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于微流控技术的质谱成像高空间分辨率表面采样头及采样方法。一种基于微流控技术的质谱成像高空间分辨率表面采样头，包括采样头本体，采样头本体的底部设有采样空腔，采样头本体内部设有第一流道和第二流道，所述第一流道用于注入萃取溶剂，所述第二流道用于样本缓存与喷出；所述第一流道和第二流道均包括第一接口和第二接口，第一流道和第二流道的第一接口分别与采样空腔连通，第一流道和第二流道的第二接口分别与采样头本体外部连通。本发明通过对其采样空腔及流道进行设计，使其具有结构紧凑的特点，同时提升采样空间分辨率及采样效果，并具有平面化设计与气液路接口，可方便地与机器人等外部运动设备联用。

Description

一种基于微流控技术的质谱成像高空间分辨率表面采样头及 采样方法

技术领域

本发明涉及一种基于微流控技术的质谱成像高空间分辨率表面采样头及采样方法。

背景技术

质谱技术是一种基于质荷比检测的分析方法，是唯一能够确定化学分子结构的分析方法。

现有的质谱技术采用质谱笔来实现样本的提取，然而，现有的质谱笔存在以下缺点：

1)尺度大，空间分辨率低：质谱笔探针(采样头)与待采样表面的接触面积较大，采样区域直径在2-5mm，采样面积明显大于10mm²，因此空间分辨率较低。前述发明由于工艺所限，分辨率大于1mm，无法继续提升。

2)长管传输损失及污染：质谱笔探针(采样头)和前述专利所采集的样本需经过长管传输至质谱分析仪器，样本长距离传输会引起残余损失及污染，影响分析效果。

3)采样过程与分析过程高度耦合：由于质谱笔技术样本转移需要质谱仪器提供真空吸力并直接进样，因此采样过程与分析过程高度耦合，系统集成难度大，且样本分析后全部损失，无法保存复验。前述专利也许将送样的蠕动泵控制与质谱仪器进样配合起来，难以解耦。

4)无法阵列化自动化整合：目前的质谱笔技术手持式采样方式与采样头设计，难以与自动化技术与设备进行整合，无法实现自动采样与分析。因此难以提升效率或实现离人操作。

发明内容

本发明提出一种基于微流控技术的质谱成像高空间分辨率表面采样头，通过对其采样空腔及流道进行设计，使其具有结构紧凑的特点，同时提升采样空间分辨率及采样效果，并具有平面化设计与气液路接口，可方便地与机器人等外部运动设备联用。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种基于微流控技术的质谱成像高空间分辨率表面采样头，其特殊之处在于，

包括采样头本体，

采样头本体的底部设有采样空腔，采样头本体内部设有第一流道和第二流道，所述第一流道用于注入萃取溶剂，所述第二流道用于样本缓存与喷出；

所述第一流道和第二流道均包括第一接口和第二接口，第一流道和第二流道的第一接口分别与采样空腔连通，第一流道和第二流道的第二接口分别与采样头本体外部连通。

进一步地，上述采样头本体的侧面设有两个圆孔，第一流道和第二流道的第二接口分别与两个圆孔连通。

进一步地，上述第一流道靠近圆孔处的横截面积大于其靠近采样空腔处的横截面积。

进一步地，上述第二流道靠近圆孔处的横截面积大于其靠近采样空腔处的横截面积。

进一步地，上述第一流道的第二接口尺寸小于第二流道的第二接口的尺寸。

进一步地，上述第一流道包括第一垂直段、过渡段和第二垂直段，第一垂直段、过渡段和第二垂直段依次连通；

所述第一垂直段直径为1mm，过渡段为倾斜设置，第二垂直段连通采样空腔处的尺寸为：长150μm，宽200μm。

进一步地，上述第二流道包括第一垂直段、过渡段和第二垂直段，第一垂直段、过渡段和第二垂直段依次连通；

所述第一垂直段直径为1mm，过渡段为倾斜设置，第二垂直段连通采样空腔处的尺寸为：长为150μm、宽为200μm。

进一步地，上述采样空腔为一底面开口的空腔，其底面的截面为一长度为500μm宽度为200μm的长方形，深度为200μm，与被采样表面接触面积为0.1mm²，采样空腔总容积为0.02mm³，即20nL。

进一步地，上述采样头本体采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成，第一流道和第二流道通过软光刻及复制成型技术加工制造。

一种采样系统，其特殊之处在于，包括上述的基于微流控技术的质谱成像高空间分辨率表面采样头。

一种采样方法，其特殊之处在于，包括：

将采样头底面平行接触被采样表面，完全接触后保持不动；

将萃取溶剂由第一流道注入采样空腔，使萃取溶剂与被采样表面接触，通过流动产生清洗作用实现萃取，并进入第二流道；

停止注入萃取剂，抬起采样头并移动到样本分配位置；

在第二流道中通入脉冲气体，将样本由流道中喷出到指定分配位置。

本发明的优点：

本发明通过有针对性的采样空腔及流道设计，应用微流控技术，将表面采样装置的空间分辨率提升到1毫米以内，并解决了采样表面高浓度样本残余量大等问题，同时，可以有效提升成像质谱表面采样的质量与效果。本发明采样头PDMS材质较软，并具有很好的生物兼容性，也保证了在体应用的适用性与安全性；本发明采样头可以与机器人等运动设备进行集成，实现自动化、高定位精度以及高重复性的采样；本发明样本喷出转移方案也使采样与分析解耦，对于离子源的选择有了更大灵活性。

附图说明

图1为本发明基于微流控技术的质谱成像高空间分辨率表面采样头的结构图；

图2为图1的正视图；

图3为图2的仰视图；

图4为图3中A处放大图；

图5为图2的左视图；

图6为本发明的工作原理图；

图7为本发明的采样方法流程图。

其中：1、采样头本体，2、采样空腔；3、第一流道，31、第一垂直段Ⅰ，32、过渡段Ⅰ，33、第二垂直段Ⅰ33，4、第二流道，41、第一垂直段Ⅱ，42、过渡段Ⅱ，43、第二垂直段Ⅱ，5、第一流道的第一接口，6、第二流道的第一接口，7、第一流道的第二接口，8、第二流道的第二接口，9、第一圆孔，10、第二圆孔。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

一种基于微流控技术的质谱成像高空间分辨率表面采样头，包括采样头本体1，采样头本体1的底面设有采样空腔2，采样头本体1内部设有第一流道3和第二流道4，所述第一流道3用于注入萃取溶剂，所述第二流道4用于样本缓存与喷出；所述第一流道3和第二流道4均包括第一接口和第二接口，第一流道的第一接口5和第二流道的第一接口6分别与采样空腔2连通，第一流道的第二接口7、和第二流道的第二接口8分别与采样头本体1外部连通。

作为本发明的一个优选实施例，上述采样头本体1的侧面设有两个圆孔，第一流道的第二接口7和第二流道的第二接口8分别与两个圆孔连通。

作为本发明的一个优选实施例，上述第一流道3靠近圆孔处的横截面积大于其靠近采样空腔2处的横截面积。

作为本发明的一个优选实施例，上述第二流道4靠近圆孔处的横截面积大于其靠近采样空腔2处的横截面积。

作为本发明的一个优选实施例，上述第一流道的第二接口7尺寸小于第二流道的第二接口8的尺寸。

作为本发明的一个优选实施例，上述第一流道3包括第一垂直段Ⅰ31、过渡段Ⅰ32和第二垂直段Ⅰ33，第一垂直段Ⅰ31、过渡段Ⅰ32和第二垂直段Ⅰ33依次连通。

作为本发明的一个优选实施例，上述第二流道4包括第一垂直段Ⅱ41、过渡段Ⅱ42和第二垂直段Ⅱ43，第一垂直段Ⅱ41、过渡段Ⅱ42和第二垂直段Ⅱ43依次连通。

本发明一种基于微流控技术的质谱成像高空间分辨率表面采样头是为质谱和质谱成像分析服务的采样装置，其功能是实时在体通过液滴萃取方式获得组织表面物质样本，其设计特点是通过有针对性的采样空腔2及流道设计，获得结构紧凑的采样头，提升采样空间分辨率及采样效果，并具有平面化设计与气液路接口，可方便地与机器人等外部运动设备联用。

实施例：

参见图1-图5，一种基于微流控技术的质谱成像高空间分辨率表面采样头，为一个具有双流道连接的半开放空腔结构，整体如图1所示。采样头本体1整体呈片状结构，在底部有微小开口，为采样空腔2；采样头本体1的正面有两个圆孔：第一圆孔9和第二圆孔10，分别联通内部两条流道。采样头本体1内部两条流道分别为第一流道3和第二流道4，所述第一流道3用于注入萃取溶剂，所述第二流道4用于样本缓存与喷出。

采样空腔2为扁长方体状结构，当采样头底面水平接触被采样物体表面时，采样头与被采样表面共同构成底面封闭的采样区域(空间)。采样空腔2上表面，于长方体两端分别联通两条流道。两条流道在采样头内部向上延伸，与正面的圆孔处联通外部。

其中，第一圆孔9和第二圆孔10直径均为1mm，开孔深度真到与两个流道的第二接口连通；第一流道的第二接口7直接为为1mm，第一流道3的第二垂直段Ⅰ33，宽度为150μm，长度为200μm。第二流道的第二接口8直径为1mm，第二流道4的第二垂直段Ⅱ43宽度为200μm，长度为200μm，从采样空腔2上表面延伸至内部，第一流道3的第二垂直段Ⅰ33、第二流道4的第二垂直段Ⅱ43平行，长度为5mm，中间夹有一梁，宽度为150μm。采样空腔2于底面的截面为一长度为500μm宽度为200μm的长方形，深度为200μm，与被采样表面接触面积为0.1mm²，采样空腔2总容积为0.02mm³，即20nL。

参见图6，第一流道3，即萃取溶剂注入流道中流动的介质为萃取溶剂，通过外部注入设备经由第一圆孔9注入采样头内部，充满萃取溶剂注入流道，由采样空腔2的顶部进入采样空腔2。采样前，注入设备不工作，萃取溶剂流道内的萃取溶剂停止流动，保持液面位置位于采样空腔2上表面不变。采样时，注入设备开始工作，萃取溶剂被定量定速注入采样空腔2，填充采样空腔2与被采样表面围成的封闭空间，流过被采样表面，并被挤入样本缓存与喷出流道，采样结束时，注入设备停止工作，样本被暂存于样本缓存与喷出流道中。狭窄的采样空腔2中，萃取液在被采样表面的流动会产生活跃的互动，保证了较好的萃取效果。采样空腔2体积远小于单次采样萃取液体积，保证了萃取液流动的持续性，也避免了Mas-SpecPen采样头等方案中可能会出现的采样表面高浓度样本残余量大等问题。

采样后，样本的排出方式是以通过脉冲气体驱动以液滴形式被喷出，气体采用压缩空气即可。脉冲气体通过第二流道4(即样本缓存与喷出流道)上端的圆孔导入，通过一路电磁阀控制，电磁阀平时将样本缓存与喷出流道与大气导通，当需要喷出样本时，将样本缓存与喷出流道与高压气源短暂导通，形成气脉冲将样本推出。由于样本缓存与喷出流道在连接采样空腔2段被设计为垂直向下的长流道，样本液滴喷出时，方向也会垂直向下。

以上两条流道与采样空腔2的接口都位于采样空腔2的顶部，因为这两条流道中介质(萃取液及空气)的流动方向都是单向向下的。以上两条流道还有一个共同点，就是其中的介质都是连续的，没有间断或混合的情况出现，有利于控制污染。

外部运动设备，如机械臂等，可通过夹持装置抓持采样头，并通过带有内径大于圆形开孔的密封圈等密封接口的连接件分别导通萃取液与压缩芯片进入芯片，以实现自动化、高定位精度以及高重复性的采样。

本发明中采样头中流道尺度较小，精度较高，采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)通过软光刻及复制成型技术加工制造。

一种采样系统，包括上述的基于微流控技术的质谱成像高空间分辨率表面采样头。由于上述采样头具有以上有益效果，包括该采样头的采样系统也具有相应的效果，此处不再赘述。

一种采样方法，过程的步骤如下：

1)将采样头底面平行接触被采样表面(图7中①)，完全接触并一定压紧后保持不动，此时采样空腔2中仅有空气；

2)将萃取溶剂由萃取溶剂进入流道注入采样空腔2(图7中②)，控制注入量与注入速度，此过程中萃取溶剂与被采样表面接触，通过流动产生清洗作用实现萃取，并进入样本缓存与喷出流道(图7中③)；

3)在萃取剂注入结束后，抬起采样头并移动到样本分配位置(图7中④)；

4)通过控制电磁阀在样本缓存与喷出流道中产生脉冲气体，将样本由流道中喷出到指定分配位置(图7中⑤)。分配后的样本可以进入下一级分析设备，可反复按阵列采样多次后，通过分析得到被采样表面物质的空间分布信息。

本发明采用双流道采样腔设计，分别为萃取溶剂注入流道以及样本缓存与喷出流道，两流道通过采样腔连接，采样腔在组织表面的有效采样面积小于0.25mm²，保证了高空间分辨率。为了加强萃取溶剂在组织表面的流动以获得更好的采样效果，采样腔高度被设计为200微米，萃取溶剂经过狭窄流道充分流过萃取表面，加强了萃取溶剂与采样表面的相互作用，采样后的样本被挤入样本缓存与喷出流道，减少了扩散与污染，并随后被脉冲气体喷出，形成样本液滴。外观设计上采用平面化设计，并在表面预留接口，可方便地与机器人等设备联用。

以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于微流控技术的质谱成像高空间分辨率表面采样头，其特征在于：

包括采样头本体，

采样头本体的底部设有采样空腔，采样头本体内部设有第一流道和第二流道，所述第一流道用于注入萃取溶剂，所述第二流道用于样本缓存与喷出；

所述第一流道和第二流道均包括第一接口和第二接口，第一流道和第二流道的第一接口分别与采样空腔连通，第一流道和第二流道的第二接口分别与采样头本体外部连通；

所述采样头本体的侧面设有两个圆孔，第一流道和第二流道的第二接口分别与两个圆孔连通；

所述第一流道靠近圆孔处的横截面积大于其靠近采样空腔处的横截面积；

所述第二流道靠近圆孔处的横截面积大于其靠近采样空腔处的横截面积；

第一流道的第二接口尺寸小于第二流道的第二接口的尺寸；

所述第一流道包括第一垂直段、过渡段和第二垂直段，第一垂直段、过渡段和第二垂直段依次连通；所述第一垂直段直径为1mm，过渡段为倾斜设置，第二垂直段连通采样空腔处的尺寸为：长150μm，宽200μm；

所述第二流道包括第一垂直段、过渡段和第二垂直段，第一垂直段、过渡段和第二垂直段依次连通；

所述第一垂直段直径为1mm，过渡段为倾斜设置，第二垂直段连通采样空腔处的尺寸为：长为150μm、宽为200μm；

采样空腔为一底面开口的空腔，其底面的截面为一长度为500μm宽度为200μm的长方形，深度为200μm，与被采样表面接触面积为0.1mm²，采样空腔总容积为0.02mm³，即20nL。

2.根据权利要求1所述的一种基于微流控技术的质谱成像高空间分辨率表面采样头，其特征在于：

采样头本体采用聚二甲基硅氧烷制成，第一流道和第二流道通过软光刻及复制成型技术加工制造。

3.一种采样系统，其特殊之处在于，包括如权利要求1-2任一所述的基于微流控技术的质谱成像高空间分辨率表面采样头。

4.一种采样方法，应用权利要求1-2任一所述的基于微流控技术的质谱成像高空间分辨率表面采样头，其特征在于：

将采样头底面平行接触被采样表面，完全接触后保持不动；

将萃取溶剂由第一流道注入采样空腔，使萃取溶剂与被采样表面接触，通过流动产生清洗作用实现萃取，并进入第二流道；

停止注入萃取剂，抬起采样头并移动到样本分配位置；

在第二流道中通入脉冲气体，将样本由流道中喷出到指定分配位置。

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