CN116183705A - 生物样品的微射流分析 - Google Patents

生物样品的微射流分析 Download PDF

Info

Publication number
CN116183705A
CN116183705A CN202310117704.6A CN202310117704A CN116183705A CN 116183705 A CN116183705 A CN 116183705A CN 202310117704 A CN202310117704 A CN 202310117704A CN 116183705 A CN116183705 A CN 116183705A
Authority
CN
China
Prior art keywords
channel
sample
reservoir
electrolyte solution
background electrolyte
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202310117704.6A
Other languages
English (en)
Inventor
J·斯科特·梅勒斯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
908 Devices Inc
Original Assignee
908 Devices Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 908 Devices Inc filed Critical 908 Devices Inc
Publication of CN116183705A publication Critical patent/CN116183705A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416—Systems
    • G01N27/447—Systems using electrophoresis
    • G01N27/44756—Apparatus specially adapted therefor
    • G01N27/44791—Microapparatus
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502715—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by interfacing components, e.g. fluidic, electrical, optical or mechanical interfaces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L7/00—Heating or cooling apparatus; Heat insulating devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416—Systems
    • G01N27/447—Systems using electrophoresis
    • G01N27/44704—Details; Accessories
    • G01N27/44717—Arrangements for investigating the separated zones, e.g. localising zones
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416—Systems
    • G01N27/447—Systems using electrophoresis
    • G01N27/44704—Details; Accessories
    • G01N27/44717—Arrangements for investigating the separated zones, e.g. localising zones
    • G01N27/44721—Arrangements for investigating the separated zones, e.g. localising zones by optical means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416—Systems
    • G01N27/447—Systems using electrophoresis
    • G01N27/44704—Details; Accessories
    • G01N27/44717—Arrangements for investigating the separated zones, e.g. localising zones
    • G01N27/4473—Arrangements for investigating the separated zones, e.g. localising zones by electric means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/06—Auxiliary integrated devices, integrated components
    • B01L2300/0627—Sensor or part of a sensor is integrated
    • B01L2300/0645—Electrodes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0809—Geometry, shape and general structure rectangular shaped
    • B01L2300/0816—Cards, e.g. flat sample carriers usually with flow in two horizontal directions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/14—Means for pressure control
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/04—Moving fluids with specific forces or mechanical means
    • B01L2400/0403—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces
    • B01L2400/0415—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces electrical forces, e.g. electrokinetic
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N30/00—Investigating or analysing materials by separation into components using adsorption, absorption or similar phenomena or using ion-exchange, e.g. chromatography or field flow fractionation
    • G01N30/02—Column chromatography
    • G01N30/62—Detectors specially adapted therefor
    • G01N30/72—Mass spectrometers
    • G01N30/7233—Mass spectrometers interfaced to liquid or supercritical fluid chromatograph
    • G01N30/724—Nebulising, aerosol formation or ionisation
    • G01N30/7266—Nebulising, aerosol formation or ionisation by electric field, e.g. electrospray

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Clinical Laboratory Science (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Automatic Analysis And Handling Materials Therefor (AREA)

Abstract

本公开涉及生物样品的微射流分析。本公开以用于处理样品的方法和系统为特征，方法包括将在第一电解质溶液中的以一种或更多种组分为特征的样品引入到射流设备的分离通道中；使用电极用于在样品两端施加电势差以引起至少一种样品组分朝向分离通道的末端的迁移；以及调整在包括第二电解质溶液的储器中的气体压力和位于分离通道的末端处的孔外部的气体压力中的至少一个，使得储器中的气体压力大于孔外部的气体压力；以及响应于气体压力而引导第二电解质溶液的流通过泵送通道并从孔流出以通过孔从分离通道和泵送通道排出包括背景电解质溶液的至少一种样品组分。

Description

生物样品的微射流分析
本申请是申请日为2018年3月29日，申请号为201880034439.2，发明名称为“生物样品的微射流分析”的申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求享有2017年3月30日提交的美国临时专利申请第62/478,689号的优先权，该专利申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开涉及质谱法和用于使用微射流样品处理系统来测量质谱信息的方法。
背景
质谱法广泛用于化学物质的检测。在典型的质谱法中，分子或粒子被激发或离子化，这些被激发的物质往往分解形成更小质量的离子或与其他物质反应形成其他特征离子。离子形成图案可以被系统操作员解译以推断出化合物的身份。
生物分子对于用质谱方法进行分析有时可能是具有挑战性的。特别是，在质谱分析之前的某些大生物分子的输送和离子化可能表现为重大障碍。射流输送技术可用于处理这样的样品，而专门的离子化方法如电喷雾离子化已被开发以产生随后可被分析的离子。
概述
在专门设计的射流芯片上输送生物样品提供用于处理这样的样品的方便且可再现的方法。这种芯片可以包括一个或更多个集成电喷雾发射器，用于有效地排出这样的样品，形成可被注入到质谱装置内的均匀的、精细地分散的样品蒸汽。用于使这样的样品流过射流通道的常规技术涉及例如电渗泵送，其中在流动通道的末端处施加电势以引起流体通过通道迁移。
在实现电渗泵送的常规芯片中，谨慎地控制流动通道壁的化学环境以确保通过通道的适当的样品流。对通道壁的化学环境的控制连同施加在通道的末端之间的电势差一起用于调整通道中分析物和样品基质组分的电渗和电泳迁移率。
本公开以使用压力差而不是电渗泵送来产生样品流并为在微射流芯片和其他射流输送系统中的样品组分的分离做准备的系统和方法为特征。压力差的使用允许在施加的电势差下样品组分通过流动通道进行输送，否则在没有压力差的情况下，施加的电势差太小以至于不能实现组分输送。本文公开的方法和系统甚至可以允许在流动通道两端没有任何施加的电势差的情况下输送样品。
通过将施加的电势差与通过射流芯片或系统的样品组分的流速解耦，可以独立于在通道两端的施加的电势差来控制在流动通道内的流速。这允许样品组分的分离在通过流动通道的期望流速的范围内被执行。实际上，在流动通道内的样品组分的流速和分离程度可以独立地被修改，允许对样品分离和在质谱系统内的分析进行明显更大的程度的控制。
通常，在第一方面中，本公开以用于处理样品的方法为特征，该方法包括将在第一电解质溶液中的以一种或更多种组分为特征的样品引入到射流设备的分离通道中；在样品两端施加电势差以引起至少一种样品组分朝向分离通道的末端的迁移；调整在包括第二电解质溶液的储器中的气体压力和位于分离通道的末端处的孔外部的气体压力中的至少一个，使得储器中的气体压力大于孔外部的气体压力，其中储器连接到泵送通道并且其中泵送通道靠近分离通道的末端连接到分离通道；以及响应于储器中的气体压力大于孔外部的气体压力而引导第二电解质溶液的流通过泵送通道并从孔流出以通过孔排出至少一种样品组分。
该方法的实施例可以包括下列特征中的任一个或更多个。
调整储器中的气体压力可以包括下列中的任一个或更多个：将气体引入到储器内、压缩储器中的气体和加热储器。调整孔外部的气体压力可以包括激活相邻于孔的真空源。在储器中的气体压力可以比孔外部的气体压力大至少0.5psi(例如，大至少2.0psi)。
在泵送通道中的第二电解质溶液的流速可以是50nL/min或更大(例如，200nL/min或更大)。第一和第二电解质溶液可以具有共同的组成。可选地，第二电解质溶液的组成可以不同于第一电解质溶液的组成。在第二电解质溶液中的一种或更多种有机改性剂的浓度可以大于在第一电解质溶液中的所述一种或多种有机改性剂的浓度。
电势差的幅度可以在0V和20kV之间(例如在0V和10kV之间)。至少一种样品组分可以在从孔中排出之前穿过500pL或更小(例如，100pL或更小)的死体积(dead volume)迁移。
方法可以包括获得关于由包括第二电解质溶液的流体通过孔的排出所产生的排放羽流的信息。方法可以包括测量通过排放羽流透射的光、从排放羽流反射的光、由排放羽流散射的光和由排放羽流吸收的光中的一个或更多个以获得该信息。方法可以包括基于所获得的信息来将第二电解质溶液的流的一部分转向到排出通道中以调整排放羽流。
方法可以包括：调整在包括第三溶液的辅助储器中的气体压力，使得在辅助储器中的气体压力大于孔外部的压力，其中辅助储器连接到辅助通道，并且其中辅助通道靠近分离通道的末端连接到分离通道；以及响应于辅助储器中的气体压力大于孔外部的压力而引导第三溶液的流通过辅助通道并进入分离通道内。第三溶液可以包括质谱校准化合物，其中校准化合物从孔中排出。第三溶液可以包括质谱偶联剂，其中偶联剂从孔中排出。
方法可以包括：获得关于在分离通道中的至少一种样品组分的实际或预期迁移时间的信息；以及基于实际或预期迁移时间，调整施加的电势差，使得第一电势差在至少一种样品组分的迁移的第一部分期间被施加并且第二电势差在至少一种样品组分的迁移的第二部分期间被施加，其中第一电势差和第二电势差的幅度是不同的。第一电势差可以在10kV和20kV之间。第二电势差可以小于10kV(例如，小于5.0kV)。第二电势差可以是0V。
方法可以包括通过检测通过孔排出的至少一种样品组分的一部分来获得关于至少一种样品组分的实际迁移时间的信息。方法可以包括使用质谱检测系统来检测至少一种样品组分的该部分。
方法可以包括从至少一种样品组分的参考信息的数据库中获得关于至少一种样品组分的预期迁移时间的信息。至少一种样品组分可以包括多种样品组分，并且方法可以包括对于每种样品组分或组分的组，调整施加的电势差，使得不同的电势差在该组分或该组分的组的迁移的不同部分期间被施加。施加的电势差可以在多种样品组分的迁移期间在连续地更大和更小幅度的值之间交替。
方法的实施例还可以包括本文公开的其他特征中的任一个，除非另有明确规定，否则包括在任何组合中的关于不同的实施例公开的特征。
在另一方面中，本公开以射流分析系统为特征，射流分析系统包括：在平面衬底上形成的射流芯片，该芯片以在分离通道的第一端处连接到分离通道的样品储器、连接到泵送通道的背景电解质储器、其中泵送通道靠近与第一端相对的分离通道的第二端连接到分离通道、从第二端延伸到芯片的外表面的孔、从芯片的外表面延伸到样品储器中的第一电极以及从芯片的外表面延伸到背景电解质储器中的第二电极为特征；连接到背景电解质储器的加压机构；以及电子处理器，其连接到第一和第二电极以及加压机构，并且被配置成使得在系统的操作期间，电子处理器：在第一电极和第二电极之间施加电势差以引起布置在分离通道中的样品的至少一种组分朝向第二端的迁移，并激活加压机构以调整在背景电解质储器中的气体压力，使得在背景电解质储器中的气体压力大于孔外部的气体压力，产生背景电解质溶液从背景电解质储器通过泵送通道并从孔出来的流动，其中当样品的至少一种组分到达第二端时，至少一种组分通过背景电解质溶液的流动通过孔排出。
系统的实施例可以包括下列特征中的任一个或更多个。
加压机构可以包括气体源、活塞、隔膜(diaphragm)和加热装置中的至少一种。在背景电解质储器中的气体压力可以比孔外部的气体压力大至少0.5psi。在泵送通道中的背景电解质溶液的流速可以是50nL/min或更大。电势差的幅度可以在0V和20kV之间。
系统可以包括在分离通道和泵送通道之间靠近第二端的接合部，该接合部限定分离通道的死体积，其中死体积可以是500pL或更小(例如，100pL或更小)。
系统可以包括连接到电子处理器并且被配置为获得关于由包括背景电解质溶液的流体通过孔的排出所产生的排放羽流的信息的至少一个检测器。至少一个检测器可以被配置成测量通过排放羽流透射的光、从排放羽流反射的光、由排放羽流散射的光和由排放羽流吸收的光中的一个或更多个以获得该信息。
系统可以包括通过排出阀连接到泵送通道的排出通道，其中电子处理器连接到排出阀，并且被配置为接收来自至少一个检测器的信息，并且基于所获得的信息来选择性地激活排出阀以将背景电解质溶液的流的一部分转向到排出通道中。
射流芯片可以包括连接到辅助加压机构的辅助储器以及连接到辅助储器并靠近第二端连接到分离通道的辅助通道，并且电子处理器可以连接到辅助加压机构，并且被配置为激活辅助加压机构以调整在辅助储器中的气体压力，使得在辅助储器中的气体压力大于孔外部的气体压力，产生辅助溶液从辅助储器通过辅助通道并进入分离通道内的流动。辅助溶液可以包括质谱校准化合物，其中校准化合物从孔中排出。辅助溶液可以包括质谱偶联剂，其中偶联剂从孔中排出。
电子处理器可以被配置成获得关于在分离通道中的至少一种样品组分的实际或预期迁移时间的信息，并且基于实际或预期迁移时间来调整施加的电势差，使得第一电势差在至少一种样品组分的迁移的第一部分期间被施加并且第二电势差在至少一种样品组分的迁移的第二部分期间被施加，其中第一电势差和第二电势差的幅度是不同的。第一电势差可以在10kV和20kV之间。第二电势差可以小于10kV(例如，小于5.0kV)。第二电势差可以是0V。
电子处理器可以被配置成从检测系统获得关于至少一种样品组分的实际迁移时间的信息，该检测系统被配置成检测通过孔排出的至少一种样品组分的一部分。电子处理器可以连接到质谱检测系统，并且被配置为从质谱检测系统接收对应于至少一种样品组分的检测信息。电子处理器可以被配置成从至少一种样品组分的参考信息的数据库中获得关于至少一种样品组分的预期迁移时间的信息。
至少一种样品组分可以包括多种样品组分，并且对于每种样品组分或组分的组，电子处理器可以被配置为调整施加的电势差，使得不同的电势差在该组分或该组分的组的迁移的不同部分期间被施加。电子处理器可以被配置成调整施加的电势差，使得施加的电势差在多种样品组分的迁移期间在连续地更大和更小幅度的值之间交替。
系统的实施例还可以包括本文公开的其他特征中的任一个，除非另有明确规定，否则包括在任何组合中的关于不同的实施例公开的特征。
除非另有限定，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的相同意思。尽管类似或等效于本文所述的方法和材料的方法和材料可以被用于本文中主题的实践或试验，但是下面将描述合适的方法和材料。本文提及的所有出版物、专利申请、专利和其他参考文献通过引用以其整体被并入。在冲突的情况下，将以本说明书(包括定义)为主。另外，材料、方法和示例仅是示例性的，且并没有被规定为限制性的。
一个或更多个实施例的细节在附图和下面的描述中阐述。从所述描述、附图和权利要求，其他特征和优点将变得明显。
附图说明
图1是毛细管电泳系统的示意图。
图2是使用背景电解质溶液的基于压力的输送的电泳分离系统的示意图。
图3是射流芯片的示意图。
图4是示出分离通道的一部分的示意图。
图5是示出图3的射流芯片的一部分的示意图。
图6是示出图3的射流芯片的另一部分的示意图。
图7是连接到电子处理器的射流芯片的示意图。
图8是另一射流芯片的示意图。
图9是另一射流芯片的示意图。
图10是示出用于在射流芯片中分离样品组分的一系列步骤的流程图。
图11是射流芯片的发射的示意图像。
图12是从射流芯片发射的羽流的示意图像。
图13是耦合到质谱检测系统的射流芯片的示意图。
图14是包括连接到流体储器的位移机构的射流芯片的示意图。
图15是包括靠近发射器的真空源的射流芯片的示意图。
在各个附图中的相似参考标号表示相似的元件。
详细描述
由于生物分子和样品组分的复杂性质、它们在一些情况下的相对脆弱性以及这种分子和组分存在于的环境，这种分子和组分的分析可能是具有挑战性的。感兴趣的生物分析物(例如蛋白质、核酸、脂质和碳水化合物)常常与不感兴趣的各种其他物质(被统称为“基质”或“基质组分”)一起存在于样品中。
如果分子和组分在它们经受定量分析技术之前至少部分地与基质分离，那么分子和组分分析的准确性和再现性可以显著提高。这确保从基质得到的分析信号的混杂效应(混杂效应往往使从感兴趣的分析物得到的信号模糊)被减少或消除。
许多技术可用于将生物样品分离成感兴趣的分析物和不准备进行分析的基质组分。在这些技术中，毛细管电泳由于其可普遍应用于各种样品以及甚至对于相对小的总体积的样品也可能实现感兴趣的分析物的良好质量分离而是特别有用的。毛细管电泳也是一种相对温和的技术，非常适合于保持分析物的生化和立体化学性质。
在接下来的章节中，将讨论经由电泳技术进行的射流处理和样品分离的一些一般特征，然后将描述经由压力驱动的流动来实现样品输送和电喷雾离子化的方法和系统。
I.射流样品处理和输送
毛细管电泳是一种技术，在该技术中，样品的组分在存在电场的情况下基于它们迁移的差异沿着分离柱或通道的长度与彼此分离。样品组分的电泳迁移率μEP如下确定它在电场E中的电泳速度νEP：
νEP＝μEPE (1)
组分迁移的总速度还取决于电渗流的速度νEO，电渗流的速度νEO又取决于电渗迁移率μEO。在毛细管电泳系统中，
νEO＝μEOE (2)
组分的电渗迁移率取决于组分与组分移动所通过的通道(通过zeta电势)的相互作用以及缓冲溶液的相对介电常数。组分通过通道迁移的总速度还取决于缓冲溶液流过通道的电渗流。
在电泳系统中，缓冲溶液的电渗流朝向带负电的阴极，带正电的样品组分也将向阴极迁移，在与电渗流相同的方向上移动。相反，带负电的样品组分将倾向于在与电渗流相反的方向上向带正电的阳极移动。如果电渗流的速度的幅度大于电泳速度的幅度，那么所有样品组分将在与电渗流相同的方向上迁移。
在传统的毛细管电泳系统中，样品组分的分离出现在组分通过分离通道的迁移中。施加在通道两端的电场调整通道内组分的电泳速度和电渗速度。此外，可以控制通道壁的表面化学性质以调整每种组分的电渗迁移率，并且可以选择所使用的缓冲溶液以控制电渗流的方向。通过明智地选择这些因素中的每一个因素，可以将感兴趣的样品组分(即，分析物)与基质组分分离，并且可以将分析物彼此分离用于分析。
图1是包括样品储器102、分离通道104、背景电解质储器106、泵送通道108和发射器110的毛细管电泳系统100的示意图。发射器110通常被实现为在分离通道104和泵送通道108的交叉处附近的小孔，并且起电喷雾发射器的作用，用于产生包括样品组分的蒸汽。
在系统100的操作期间，电势V1通过电极116施加到样品储器102中的背景电解质溶液112，样品储器102还包括感兴趣的样品。电势V2通过电极118施加到背景电解质储器106中的背景电解质溶液114。储器102中的背景电解质溶液112和储器106中的背景电解质溶液114之间的电势差ΔVsep＝V1-V2在储器102和106之间建立电场。电场穿过接合部120延伸，分离通道104和泵送通道108在接合部120处相交。
如上面关于等式(1)和(2)所述的，离子和偶极样品组分响应于在分离通道104中建立的电场而以不同的速度迁移。因此，不同的样品组分在不同的时间到达接合部120。一旦以这种方式分离，不同的样品组分就可以使用诸如质谱法的技术来分析。为了发起样品组分的质谱分析，组分首先通过发射器110从分离通道104中喷出，然后被引入到质谱系统内。
通过发射器110的电喷雾发射是特别好地适合于可能难以使用其它方法引入质谱系统内的生物样品组分的技术。许多生物样品组分包括不太适合于直接蒸发成气相的大分子，例如蛋白质、肽和核酸。相反，蒸发这样的组分所需的热量可能导致不期望的副作用(例如蛋白质的变性)，使这样的组分的分析变得不准确或无效。电喷雾发射允许许多生物样品组分在相对温和的条件下被转换为气相，从而避免不期望地改变组分的结构。
在图1中，通过发射器110的所分离的样品组分的电喷雾通过将背景电解质溶液114从背景电解质储器106泵送至通过发射器110的电渗泵送来实现。当如上面所讨论的经由电极116和118施加电压V1和V2时，出现背景电解质溶液114从背景电解质储器106流出并流过泵送通道108和接合部120的电渗流。为了促进背景电解质溶液114的电渗流，泵送通道108的内表面可以包括与背景电解质溶液114相互作用以驱动电渗流的表面涂层。
当背景电解质溶液114经过接合部120时，彼此分离并通过分离通道104传送的样品组分被背景电解质溶液114的电渗流掠过并通过发射器110排出。以这种方式，可以产生每种组分的精细的、蒸气相空间分布，用于随后的(例如使用质谱方法的)分析。
流过泵送通道108的电渗流和随后通过发射器110的电喷雾的产生和速率取决于在电极116和118之间施加的电势差以及泵送通道108的内表面化学性质。通常，当泵送通道108的内表面是带电的并且施加电势差ΔVsep＝V1-V2使得电极116为阳极的(即带正电的)而电极118为阴极的(即带负电的)时，背景电解质溶液114中的阳离子部分倾向于向电极118迁移，而阴离子部分倾向于向电极116迁移。如果通道108的内壁以累积的阴离子电荷为特征，那么背景电解质溶液的带正电部分在通道内壁上形成两个阳离子层(被称为“双扩散层”或“双电层”)。最靠近通道壁的第一层比被称为“移动层”的第二层被更紧密地束缚着。当施加电势差ΔVsep时，正是移动层在阴离子阴极(即电极118)的方向上被拉。构成移动层的阳离子部分在背景电解质溶液中变成溶剂化物，且因此在电极118的方向上出现背景电解质溶液的批量输送。也就是说，背景电解质溶液114中的阳离子部分和阴离子部分都经由电渗流的过程在电极118的方向上进行输送。
因此，电喷雾通过发射器110排放的体积和其他物理属性被流过泵送通道108和接合部120的电渗流的速率强烈地影响。电渗流的速率又可以通过调整施加的电势差ΔVsep和泵送通道108的内壁的表面化学性质来控制。一般来说，较大的施加的电势差ΔVsep导致电渗流的较高速率。
通道108的内壁的表面化学性质的操纵是更加复杂的。在上面讨论的示例中，通过选择合适的用于形成通道108的壁的材料(或者用于使通道108的壁官能化的材料)，可以在通道壁上产生阴离子电荷。在一些实施例中，可以通过使具有合适的pH的溶液流经通道108(例如，以经由去质子化在通道壁上产生阴离子官能团)来调整可用的阴离子电荷的数量。
用于控制流过泵送通道108和接合部120的电渗流的速率的另一方法因此涉及通道108的内壁的表面化学性质的调整。在上面讨论的示例中，利用使通道108的壁官能化的强阴离子基团，可以出现相对强的电渗流，导致背景电解质溶液114通过泵送通道108和接合部120的相对高速率的批量输送以及穿过发射器110的相对大体积的排放。相反，为了减少流过通道108、接合部120和发射器110的电渗流，通道108的内壁可以用诸如各种聚合物和/或表面活性剂的材料涂覆，防止在壁表面上形成带电官能团并因此降低电渗流的速率。在这种情况下，背景电解质溶液114的批量输送的速率可以被足够减慢，使得溶液114中的阴离子部分返回到朝向接合部120(即，朝向阳极电极116)的自然迁移。
背景电解质溶液114经过泵送通道108和接合部120并从发射器110出来的流速不仅影响电喷雾的流体排出速率，而且影响样品组分通过分离通道104迁移的速率。当背景电解质溶液114经过接合部120时，它与来自分离通道104的背景电解质溶液112混合。溶液的混合物从发射器110排出。因此，当背景电解质溶液114的电渗流速率增加时，背景电解质溶液112通过分离通道104被抽吸的速率也增加。样品组分又以更快的速率通过分离通道104进行迁移。
总之，通过在泵送通道108中建立背景电解质溶液114的电渗流来使用电渗泵送允许对在分离通道104中彼此分离的样品组分通过发射器110的电喷雾进行控制。可以控制在泵送通道108中的电渗流速率以调整电喷雾发射的流体体积和各个样品组分通过通道104迁移的时间。
分别施加到电极116和118的电势V1和V2也影响在分离通道104中的电渗流速率。存在于样品储器102中的以及于分离通道104中的背景电解质溶液112响应于施加的电势差ΔVsep＝V1-V2而迁移。在分离通道104中的背景电解质溶液112的电渗流速率也被分离通道104的内壁的表面化学性质强烈地影响。根据内壁的官能化的性质，在分离通道104内的背景电解质溶液112的电渗流可以在朝向样品储器102或朝向接合部120的方向上出现。
从前面的讨论中明显得到，调整在泵送通道108和分离通道104中的电渗流速率涉及谨慎地使多个因素平衡。例如，在泵送通道108和分离通道104中的电渗流速率取决于电势差ΔVsep，电势差ΔVsep又取决于施加到电极116和118的电势V1和V2。但是在分离通道104中的各个样品组分的电泳迁移率也取决于电势差ΔVsep。因此，在分离通道104和泵送通道108中的电渗流速率的调整至少部分地耦合到在分离通道104中的样品组分的电泳迁移率的调整。
在通道104和108中的电渗流速率还取决于这些通道的内壁的表面化学性质，且在原则上流速可以通过操纵通道中的表面化学性质来被调整。然而实际上，将薄的均匀涂层施加到小直径的通道是有挑战性的制造问题。此外，根据通道壁的表面化学性质，通过使溶液流过通道104和/或108来即时改变表面化学性质也是实现起来有挑战性的。因此，根据背景电解质溶液112和114的性质，如所期望的可控地调整通道104和108的表面化学性质也许并不总是可能的。
II.经由压力驱动的流的样品输送和电喷雾排出
基于前述的讨论，显然可以在泵送通道108中使用可选的流体输送方法来实现对在分离通道104中的样品组分迁移速率和通过发射器110的流体排出速率的更大程度的控制，该流体输送方法与背景电解质的电渗流和在分离通道104中出现的样品组分的电泳迁移分离。
作为上面讨论的基于电渗流的泵送系统的备选方案，图2示出了基于电泳的分离系统200的示意图，该分离系统200使用背景电解质溶液通过泵送通道的基于压力的输送。系统200包括样品储器202、分离通道204、背景电解质储器206和泵送通道208。背景电解质溶液212和样品的混合物布置在样品储器202中，且背景电解质溶液214布置在背景电解质储器206中。电极216和218分别延伸到样品储器202和背景电解质储器206中。
如上面所讨论的，在操作期间，电势V1和V2分别被施加到电极216和218，在这些电极之间建立在幅度上与差ΔVsep＝V1-V2成比例的电场。电场将电泳速度赋予样品的组分，样品的组分以不同的速率沿着分离通道204从样品储器202迁移到接合部220。同时，由于泵送通道208的内壁的表面化学性质，在泵送通道208中的背景电解质溶液214的电渗迁移率是相对小的或甚至是零。也就是说，与图1所示的泵送方案相反，作为在电极216和218之间的电势差的结果，通过泵送通道208的背景电解质溶液214的电渗流在很大程度上不出现。
替代地，在图2中，背景电解质储器206除了连接到泵送通道208之外还经由导管232连接到气体源230。气体源230将气体234供应到在储器206中的背景电解质214上方的顶部空间。以这种方式，气体源230被配置成对在储器206内包含的体积加压。通过向在储器206内的顶部空间(即填充气体的部分)施加适当的压力，气体源230驱动背景电解质溶液214从储器206通过泵送通道208和接合部220的输送。背景电解质溶液214与来自分离通道204的背景电解质溶液212和样品组分混合，并且混合物从发射器210排出。
如上面关于图2所讨论的，背景电解质溶液214通过接合部220的流速影响流体通过发射器210排出的速率，并且由于与来自分离通道204的流体混合而影响样品组分从储器202通过分离通道204的迁移速率。当背景电解质溶液214的流动的速率增加时，在分离通道204中的样品组分的迁移速率也增加，导致对于每种样品组分通过分离通道204的迁移时间的减少。可以通过改变在储器206的顶部空间中的气体压力来以受控方式调整背景电解质溶液214的流速。通常，增加储器206中的气体压力在储器206和发射器210之间建立更大的压力梯度，增加了背景电解质溶液214通过泵送通道208、接合部220和发射器210的流速。如上面所指出的，增加背景电解质溶液214的流速也增加了通过分离通道204的样品组分的迁移速率。
除了背景电解质溶液214的流速的影响之外，通过分离通道204的样品组分的迁移速率也由电泳速度确定，该电泳速度由在电极216和218处施加的电压所建立的电场赋予每种样品组分。因此，通过在泵送通道208中采用基于压力的流体输送，对通过分离通道204的总样品组分迁移速率产生影响的两个方面可以被独立地控制：样品组分的电泳迁移率(通过电势差ΔVsep的调整)以及归因于通过发射器210的流体发射速率的每种样品组分的速度的分量(通过背景电解质溶液214的流速的调整)。因为这些方面可以被单独地调整，所以对在分离通道204内的样品组分迁移以及还对从发射器210排出的电喷雾羽流的特性实现比使用图1所示的电渗泵送方案可能达到的更大程度的控制。
使用对背景电解质溶液214的流速的基于压力的控制的一个重要优点是泵送通道208的内壁的表面化学性质不需要被修改以产生电渗流。如上面关于图1所讨论的，在一些实施例中，电渗流的速率通过调整通道壁(该流通过该通道壁而出现)的表面化学性质来被控制或调节。表面化学性质通常与特定的背景电解质溶液和/或样品组分相匹配以实现样品组分的合适的迁移时间。为了使电泳系统适应于不同样品的处理，通道壁的表面化学性质可能需要改变，例如通过将强碱性或强酸性溶液引入到通道中以改变粘合到壁的表面官能团的离子状态而改变。在通道的制造期间，特别是如果通道直径是仅仅几微米，在通道壁的表面上沉积薄的均匀涂层可能是具有挑战性的。
对背景电解质溶液214的流速的基于压力的控制消除了前述的制造挑战。因为流体流动基于压力梯度而不是电渗而出现，所以通常不需要在制造期间或当更换样品时对通道壁的表面化学性质进行改变。多种不同的背景电解质溶液可以用于泵送，因为背景电解质溶液的具体性质不“匹配”到泵送通道208的表面化学性质。作为结果，电泳分离系统可以更容易地被制造，并且更容易适应于不同的分析条件和感兴趣的样品。
本文公开的电泳样品分析系统通常至少部分地在射流芯片上实现。图3是示出包括样品储器302、分离通道304、背景电解质溶液储器306、泵送通道308以及电极316和318的射流芯片300的示意图。分离通道304和泵送通道308在接合部320处相交。发射器310位于接合部320附近。射流芯片的前述部件通常以与图2的相应部件相同的方式操作。在操作期间，包括来自分离通道304和泵送通道308的背景电解质溶液以及任选地一种或更多种样品组分的蒸气相电喷雾羽流340从发射器310排出。
储器306包含背景电解质溶液314和填充有气体的密封顶部空间区域350。储器306通过导管332和气密接口336耦合到气体源330，气体源330向储器306的密封顶部空间供应气体。
储器302包含感兴趣的样品360用于在芯片300上分离成组分。为了在分离通道304内的样品360的组分的电泳分离，储器302还可以包含背景电解质溶液312。
电极316和318以及气体源330可以通过控制线391、392和393耦合到电子处理器390。在操作期间，电子处理器390(如果存在的话)向电极316和318施加合适的电压以发起样品组分从储器302通过分离通道304朝向接合部320的电泳迁移，并激活气体源330以将气体输送到储器306的顶部空间从而将背景电解质溶液314从储器306输送通过泵送通道308和接合部320，并通过发射器310排出背景电解质溶液314。
在一些实施例中，芯片300还可以被配置为将样品电动地注射到分离通道304中。芯片300可以可选地包括位于分离通道304的相对侧上以形成“注射十字物(injectioncross)”376的背景电解质溶液储器370和废物储器372以形成“注射十字物”376。通过控制线394耦合到电子处理器390的可选电极374允许电子处理器390向储器370中的背景电解质溶液312施加电势。通过将来自储器302和370的一定量的流体交替地输送到分离通道304中(并将废流体引导到储器372中)，样品“栓子(plug)”可以被引入到分离通道304中，用于在通道中的后续电泳分离。例如在美国专利申请公布号2013/0327936中、在PCT专利申请公布号WO2013/191908中以及在美国专利申请序列号15/079,541中公开了电动样品注射的额外方面，这些专利申请的全部内容通过引用被并入本文。
在图4中示出分离通道304的一部分的示意图。射流芯片300通常被实现为在x维和y维上延伸的平面结构，并且具有在z方向上(即，在垂直于图4的平面的方向上)的厚度。分离通道304在x-y平面中的轴向方向上延伸，并由限定轴向方向的中心轴402限定。轴402可以是线性的或者遵循非线性的(例如弯曲的)路径。在x-y平面中在垂直于轴402的方向上测量分离通道304的宽度w。通常基于诸如样品和背景电解质溶液流过分离通道304的期望速率以及在样品迁移期间在样品360和分离通道304的壁之间的期望相互作用的因素来选择宽度w。通常，w约为1微米或更大(例如，5微米或更大、10微米或更大、20微米或更大、30微米或更大、40微米或更大、50微米或更大、60微米或更大、70微米或更大、80微米或更大、90微米或更大、100微米或更大、120微米或更大、150微米或更大、200微米或更大、300微米或更大、500微米或更大、750微米或更大、1mm或更大)。
在正交于x-y平面的z方向上测量的分离通道304的深度可以如所期望的基于芯片300的厚度来被选择以控制在样品分离和分析期间可由分离通道304处理的样品和背景电解质溶液的体积。分离通道304的深度也可以被选择以控制通道中的焦耳加热、调整通道的流体动力学的流动阻力以及控制通道中的总流体流速。一般地，分离通道304具有大约10微米的深度。更一般地，分离通道304的深度可以是1微米或更大(例如，5微米或更大、10微米或更大、20微米或更大、30微米或更大、40微米或更大、50微米或更大、75微米或更大、100微米或更大)。
再次参考图3，分离通道304的总长度可以如所需的被选择以提供足够的流动路径，样品的不同组分在到达发射器310之前沿着该路径分离。通过选择合适长度的分离通道304，可以控制在分离通道304内的样品组分的迁移时间。此外，可以控制在分离通道304的末端处(即，当样品组分被排出时)的样品组分的峰值宽度。对应于由在储器302和接合部320之间的分离通道304的轴402限定的路径长度的总长度可以是1.0cm或更大(例如，5.0cm或更大、10cm或更大、20cm或更大、30cm或更大、40cm或更大、50cm或更大、75cm或更大、100cm或更大)。
通常，泵送通道308的横向尺寸类似于分离通道304的横向尺寸。泵送通道308具有在x-y平面中延伸的宽度和在正交于x-y平面的z方向上测量的厚度。泵送通道308的宽度和深度可以与上面针对分离通道304讨论的任何宽度和深度相同。在一些实施例中，泵送通道308的宽度和/或深度与分离通道304相同。然而更一般地，泵送通道308可以具有不同于分离通道304的宽度和/或深度的宽度和/或深度。
中心轴以与分离通道304的轴402相同的方式沿着泵送通道308的长度延伸，并且限定泵送通道308延伸所沿着的路径。泵送通道308的长度对应于由它的中心轴限定的路径长度。通常，泵送通道308的长度可以如所期望的被选择以容纳期望体积的背景电解质溶液314。在一些实施例中，使用明显短于分离通道304的长度的泵送通道长度会是有利的。因为样品组分的分离不出现在泵送通道308中，所以该长度不需要考虑组分分离。此外，通过缩短泵送通道308的长度，在泵送通道308内的空间压力梯度可以增加，这增加了施加到泵送通道内的背景电解质溶液的每个体积单位的驱动力。在某些实施例中，泵送通道的长度是0.5cm或更大(例如，1.0cm或更大、1.5cm或更大、2.0cm或更大、2.5cm或更大、3.0cm或更大、4.0cm或更大、5.0cm或更大、7.0cm或更大)。
在没有施加到储器306的顶部空间的压力的情况下，背景电解质溶液314不通过泵送通道308和发射器310被输送。因为背景电解质溶液314的流也在来自分离通道304的分离的样品组分通过了接合部320之后通过发射器310输送分离的样品组分，所以在储器306的顶部空间中的施加的气体压力的缺乏确保样品组分也不会通过发射器310被发射。
术语“压力”当在本文用于描述在储器306的顶部空间中的气体压力时是相对于芯片300操作于的环境的大气或环境压力，即在发射器310处的压力。甚至在没有施加到储器306的任何气体压力的情况下，背景电解质溶液314也经受大气或环境气体压力。然而，没有压力梯度存在于储器306和发射器310之间。
将气体压力施加于储器306的顶部空间建立了在储器306和发射器310之间的压力梯度，该压力梯度导致通过泵送通道308的流体输送。因此，在储器306的顶部空间中的“气体压力”指在储器306中的绝对压力和在发射器310处的环境压力之间的压力差。
通常，为了发起和维持背景电解质溶液314在储器306和发射器310之间的输送，基于背景电解质溶液的期望流速来选择施加的气体压力。在一些实施例中，施加的气体压力为约2psi。在一些实施例中，施加的气体压力为至少0.5psi(例如，至少1.0psi、至少1.5psi、至少2.0psi、至少2.5psi、至少3.0psi、至少5.0psi、至少7.0psi、至少10.0psi、至少12.0psi、至少15.0psi、至少20.0psi)。
在某些实施例中，在发射器310外部和邻近发射器310的气体压力可以不同于大气压力。因此，为了发起和维持背景电解质溶液314在储器306和发射器之间的输送，在储器306中的气体压力和在发射器310外部的气体压力之间的压力差为至少0.5psi(例如，至少1.0psi、至少1.5psi、至少2.0psi、至少2.5psi、至少3.0psi、至少5.0psi、至少7.0psi、至少10.0psi、至少12.0psi、至少15.0psi、至少20.0psi)。
在操作期间，背景电解质溶液314通过泵送通道308的流速被选择以控制流体从发射器310发射的速率。根据在电喷雾羽流340中的每单位时间的期望流体体积，可以选择各种不同的流速。在一些实施例中，例如背景电解质溶液314在泵送通道308中的流速为1nL/min或更大(例如，10nL/min或更大、20nL/min或更大、50nL/min或更大、100nL/min或更大、150nL/min或更大、200nL/min或更大、300nL/min或更大、500nL/min或更大、750nL/min或更大、1.0μL/min或更大、2.0μL/min或更大、5.0μL/min或更大、7.5μL/min或更大、10μL/min或更大)。
在实验上观察到，在一些实施例中，在背景电解质溶液314的相对低的流速下在某些条件下可以实现样品组分的改进的离子化。因此，例如，在某些实施例中，当背景电解质溶液314的流速在50nL/min和500nL/min之间(例如，在100nL/min和250nL/min之间)时，更有效的组分离子化可以出现。
在芯片300中可以使用各种不同的背景电解质溶液。在一些实施例中，背景电解质溶液312和背景电解质溶液314具有相同的组成。更一般地，背景电解质溶液312和314可以具有不同的组成。在芯片300中使用的背景电解质溶液通常是基于水的，并且包括一种或更多种附加组分(即，除水之外)以帮助样品组分的分离和/或电喷雾羽流的产生。例如，背景电解质溶液可以包括起有机改性剂的作用的一种或更多种化合物，例如但不限于甲醇和乙腈。背景电解质溶液可以包括一种或更多种弱酸，例如但不限于甲酸。
在实验上观察到，在一些实施例中，确保背景电解质溶液314包括比背景电解质溶液312更高浓度的一种或更多种有机改性剂和/或更低浓度的盐是有利的。通常，通过使用相对低离子强度的背景电解质溶液314(例如其中溶解盐浓度小于100mM(例如，小于80mM、小于60mM、小于40mM、小于20mM、小于10mM))来促进电喷雾羽流的有效生成。还可以通过使用有机改性剂的浓度相对于背景电解质溶液312增加的背景电解质溶液314来促进电喷雾羽流的有效生成，因为有机改性剂降低了背景电解质溶液314的表面张力，便于液滴形成。
此外，在一些实施例中，背景电解质溶液312可以具有被定制成促进在分离通道304的壁上的有利的表面化学性质的组成，以在各个样品组分通过该通道迁移时改善它们的分离。当不同的样品被引入到芯片300上用于分析时，可以改变背景电解质溶液312的组成。
如上面所提到的，背景电解质溶液314可以具有与背景电解质溶液312的组成相同或不同的组成。由于在接合部320的区域中出现的混合和稀释，被设计成促进在通道304中的高质量分离的背景电解质溶液不一定被优化用于促进高质量电喷雾排放。通过相对于背景电解质溶液312的组成而修改背景电解质溶液314的组成(例如，通过调整一种或更多种有机改性剂和/或一种或更多种酸的浓度)，可以实现高质量样品组分分离和分离的样品组分的高质量电喷雾排放两者。
在芯片300的操作期间，通常可以如所期望的选择施加到电极318的电势V2。在一些实施例中，与外部接地电压(其表示标称零(即接地)电压)相比，V2具有相对大的幅度。通过在电极318处保持相对大的幅度的电压，当组分离开分离通道304并从发射器310排出时，分离的样品组分的离子化出现。以这种方式，电喷雾羽流340包括在分离通道304内隔离的每种样品组分的离子化分子的群体。然后，这些离子化分子可以被直接耦合到质谱分析仪中用于分析。
通常，电势V2相对于外部接地电压具有正符号。然而更一般地，根据样品组分的性质，电势V2相对于外部接地电压也可以是负的。电势V2的幅度通常为约3.5kV，但也可以根据所分析的样品组分而变化。在一些实施例中，例如，V2的幅度可以是0.1kV或更大(例如，0.2kV或更大、0.5kV或更大、0.8kV或更大、1.0kV或更大、2.0kV或更大、2.5kV或更大、3.0kV或更大、3.5kV或更大、4.0kV或更大、4.5kV或更大、5.0kV或更大、6.0kV或更大、7.0kV或更大、8.0kV或更大)。
像V2一样，电势V1相对于外部接地电压通常可以具有正或负符号，取决于所分析的样品组分的性质。电势V1的幅度也可以根据被分析的样品而变化。在某些实施例中，例如，V1的幅度可以是0.1kV或更大(例如，0.5kV或更大、1.0kV或更大、2.0kV或更大、3.0kV或更大、5.0kV或更大、7.0kV或更大、10.0kV或更大、12.0kV或更大、15.0kV或更大、17.0kV或更大、20.0kV或更大、25.0kV或更大、30.0kV或更大)。
电势差ΔVsep＝V1-V2通常可以被调整到任何值以控制在分离通道304中的样品组分的电泳迁移率。通常，ΔVsep的幅度越大，每种样品组分的电泳迁移率就越大，并且每种组分通过分离通道304迁移得就越快。当ΔVsep＝0时，没有电泳驱动力施加到样品组分，但由于在分离通道304中的批量流体输送，某个量的迁移仍然可能出现。当ΔVsep是非零的时，基于所分析的样品的性质，ΔVsep的符号可以是正的(即V1-V2>0)，或者ΔVsep的符号可以是负的(即V1-V2<0)。
通常，ΔVsep的幅度可以是0V或更大(例如，100V或更大、200V或更大、300V或更大、500V或更大、750V或更大、1.0kV或更大、2.0kV或更大、3.0kV或更大、5.0kV或更大、7.0kV或更大、10.0kV或更大、12.0kV或更大、15.0kV或更大、17.0kV或更大、18.0kV或更大)。如上面所讨论的，当ΔVsep的幅度大于零时，在分离通道304中的每种带电或偶极样品组分的电泳速度大于零，并且样品组分倾向于沿着分离通道304的长度迁移。
图5示出了在发射器310的区域中的射流芯片300的一部分的示意图。特别地，图5示出了分离通道304和泵送通道308在接合部320处的交叉。尽管在分离通道和泵送通道之间的接合部可以使用各种不同的几何形状来实现，但图5为了讨论的目的而示出了一种可能的几何形状。通道304和308在内点(inner point)386处相交。从内点386延伸的是两条假想线382和384。线382在x-y平面中在垂直于通道304的中心轴的方向上延伸，并指示通道304的末端。类似地，线384在x-y平面中在垂直于通道308的中心轴的方向上延伸，并指示通道308的末端。包括由线382和384、由发射器310以及由通道304和308的壁的部分定界的封闭体积的图5中的区域380对应于射流芯片300的“死体积(dead volume)”，分离的样品组分在离开分离通道304之后在它们从发射器310排出之前通过该体积区域被输送。
本文公开的基于压力的流体输送方法的一个重要优点是在芯片300上的死体积是相对小的。通过保持小的死体积，可以减少分离的样品组分的扩散(即空间展宽)，确保在电喷雾羽流340中的每种组分的浓度不被背景电解质溶液314明显稀释。在一些实施例中，例如，死体积380可以是500pL或更小(例如，400pL或更小、300pL或更小、200pL或更小、100pL或更小、50pL或更小、30pL或更小、20pL或更小、10pL或更小、3pL或更小、1pL或更小)。
图6示出了包括分离通道304、泵送通道308和发射器310的射流芯片300的一部分的示意图。在泵送通道308的与发射器310相对的末端处的储器306通过接口336耦合到导管332。通常，接口336是可以以多种方式实现的气密接口。例如，在一些实施例中，接口336包括一个或更多个密封构件，例如将导管332连接到储器306的o形环。
导管332通过阀335连接到气体源330，阀335又经由通信线路395连接到电子处理器390。在芯片300的操作期间，电子处理器390可以通过打开和关闭阀335来调节储器306中的气体压力，并因此调节背景电解质溶液314通过泵送通道308的流速。在一些实施例中，压力检测器337位于储器306内或耦合到储器306，并且还经由通信线路396连接到电子处理器390。压力检测器337可以向处理器390传输测量信号，该测量信号包括关于在储器306的密封顶部空间内的气体压力的信息。基于测量信息，处理器390然后可以通过打开或关闭阀335来调整储器306中的气体压力。
在一些实施例中，芯片300包括连接到储器306的密封顶部空间并且还经由通信线路397连接到电子处理器390的另一个阀341。处理器390可以通过减小储器306中的气体压力来减小在泵送通道308中的背景电解质溶液314的流速。气体压力减小可以通过打开阀341以从储器306中排放过量的气体来实现。例如，基于来自压力检测器337的气体压力测量，电子处理器390可以通过打开阀335以允许更多气体从气体源330进入(例如，以增加储器306中的气体压力)或者通过打开阀341以从储器中排放过量的气体压力(例如，以降低储器中的气体压力)来调整储器306中的气体压力。因此，电子处理器390可以对芯片300上的背景电解质溶液314的流速进行完全的控制。因为背景电解质溶液314的流也在很大程度上确定电喷雾羽流的空间范围和流体体积，所以电子处理器390可以通过激活阀335和341来调整羽流的特性。
在一些实施例中，为了进一步控制电喷雾羽流，芯片300可以包括将泵送通道308与流体排出通道345分离的阀343。阀343经由通信线路398连接到电子处理器390。对于其中背景电解质溶液314的流的高速率是期望的、但流体流的相对小的总体积也是期望的以产生电喷雾羽流的某些应用，电子处理器390可以打开阀343以将某个量的背景电解质溶液314从泵送通道308转向到流体排出通道345中。以这种方式，每单位时间到达发射器310的背景电解质溶液的体积减小了，但在泵送通道308中(以及通过发射器310)的背景电解质溶液314的流速被维持。
图7示出了包括上面讨论的许多特征的射流芯片300的示意图。如在图7中还示出了经由通信线路705连接到电子处理器390的检测器704。在操作期间，检测器704可用于测量电喷雾羽流304的一个或更多个特性，并将包括关于电喷雾羽流的信息的测量信号传输到电子处理器390。基于该信息，电子处理器390可以如上面所讨论的调整在泵送通道308中的流速和/或流体体积，和/或调整分别施加到电极316和318的电压V1和/或V2。
例如，在一些实施例中，检测器704是成像检测器，例如CCD芯片或基于CMOS的检测器。从由检测器704获取的电喷雾羽流的一个或更多个图像中得到的信息(例如，关于羽流的空间分布、羽流的形状、羽流的颜色的信息)可以由电子处理器390使用来调整芯片300的操作。在某些实施例中，检测器704是非成像检测器，例如光强检测器(例如光电二极管)和/或光谱检测器(例如基于光栅的光谱仪或其他基于色散的光谱仪)。测量信息可以由电子处理器390使用来调整芯片300的操作，该测量信息包括通过羽流透射的光、从羽流反射的光、由羽流进行的光学散射、由羽流进行的不同波长吸收和/或羽流对光的折射/衍射中的任何一个或更多个。
在某些实施例中，检测器704可以包括被配置成测量电喷雾羽流的电压、电流和/或另一电特性的检测设备。从羽流的电特性的测量得到的信息也可以由电子处理器390使用来调整芯片300的操作，例如以实现稳定的羽流以将样品组分排出到质谱检测系统中。
因此，光学和非光学测量都可以用来调整芯片300的操作。作为示例，在一些实施例中，检测器704可用于获得芯片300的图像且特别是发射器310和从发射器排出的电喷雾羽流340的图像。电子处理器390然后可以分析图像以确定关于电喷雾羽流的信息，并基于该信息来调整芯片300的操作。
图11是示出由检测器704获取的芯片300的代表性图像1100的示意图。在图像中，形成电喷雾羽流340的多个液滴1104是可见的。在发射器310上形成的液滴1102也是可见的。电子处理器390被配置成分析图像1100以测量液滴1104的最大尺寸(即，最大横截面尺寸或直径)。电子处理器390然后可以使用最大尺寸信息来调整芯片300的操作。
例如，电子处理器390可以确定液滴1104的平均最大尺寸，并将平均最大尺寸与平均最大尺寸的阈值进行比较。已经观察到，当液滴1104变得太大(即，平均最大尺寸超过阈值)时，由处理器390施加以使电喷雾羽流离子化的电压可能太低。替代地或另外，当液滴1104变得太大时，所排出的样品组分和背景电解质溶液通过发射器310的流速可能太大。
因此，在一些实施例中，电子处理器390被配置成增加被施加以使电喷雾羽流离子化的电压的幅度。替代地或另外，在某些实施例中，电子处理器390被配置成通过调整施加到储器306的顶部空间的压力(即通过减小施加到顶部空间的压力)，使得在储器306和芯片300外部的环境压力之间的压力梯度减小，来减小背景电解质溶液和样品组分通过发射器310的流速。
电子处理器390还可以被配置成在如上面所讨论的调整芯片300的操作之后获取芯片300和电喷雾羽流340的一个或更多个附加图像。处理器390分析该一个或更多个附加图像以识别图像中的羽流液滴，针对所识别的羽流液滴中的每一个重复最大尺寸的确定，确定液滴的新的平均最大尺寸，且然后将新的平均最大尺寸与阈值进行比较以确定电喷雾离子化电压和/或通过发射器310的流速是否应该被进一步调整。该过程重复，直到形成电喷雾羽流340的液滴的最大尺寸被处理器390确定为落在阈值之下为止。
当电喷雾离子化电压非常低时，电喷雾羽流340可以从图像1100中完全消失(即，液滴1104在图像1100中是不可见的，并且不被处理器390识别)。当电子处理器390确定没有液滴在图像1100中是可见的时(或者更一般地，当所识别的液滴的数量比液滴的预期数量小阈值百分比，例如小50％、小60％、小70％、小80％、小90％或者甚至更小时)，电子处理器390可以被配置成增加所施加的电喷雾离子化电压的幅度。当电子处理器390识别出低的电喷雾离子化电压是造成羽流340的缺失的原因时，该改变可以被执行，同时保持通过发射器310的流速大致恒定。
非常低的电喷雾离子化电压也可以导致液滴1102出现在芯片300的边缘上，如图11所示。当电子处理器390分析图像1100并检测到与在发射器310附近的芯片300的一部分重叠的液滴1102的存在时，电子处理器390可以被配置成增加所施加的电喷雾离子化电压的幅度。当电子处理器390识别出低的电喷雾离子化电压是造成在芯片300的边缘上的液滴1102的存在的原因时，该改变可以被执行，同时保持通过发射器310的流速大致恒定。
当电喷雾离子化电压太高时，已经观察到，电喷雾羽流340可以随时间的变化而“抽动(twitch)”或者从发射器310内的不同点出现。在一些实施例中，电子处理器390被配置成识别在电喷雾羽流340的空间位置上的移动，并基于移动来调整芯片300的操作。
图12是示出由检测器704获得的代表性图像1200的示意图，示出从芯片300的发射器310出现的电喷雾羽流340。电子处理器390被配置成分析图像1200以确定羽流340是否随时间的变化而从不同的空间位置出现。例如，处理器390可以在第一时间t1使用检测器704获取羽流340的第一图像，并且分析第一图像以确定围绕图像中的羽流340的边界区域1202和羽流340的起始点(point of origin)1206。处理器390然后可以在稍后的时间t2经由检测器704获取羽流340的第二图像，并且分析第二图像以确定围绕图像中的羽流340的第二边界区域1204以及在第二图像中的羽流340的第二起始点1208。
基于边界区域1202和1204和/或起始点1206和1208，处理器390然后可以确定羽流340是否随时间的变化而“抽动”。例如，如果边界区域1202和1204在两个(配准的)图像中彼此移动了多于阈值量，如在图12中示意性地所示的，那么处理器390可以确定羽流340随时间的变化正在抽动。替代地或者另外，如果起始点1206和1208在两个图像中彼此移动了多于阈值量，如图12所示，那么处理器390可以确定羽流340随时间的变化正在抽动。当处理器390确定羽流340抽动时，如将在下面更详细地解释的，处理器390可以被配置为通过减小电喷雾电压来调整操作，所述电喷雾电压被施加以将样品组分从发射器310排出到质谱检测系统中。
在一些实施例中，定向成接收从发射器310排出的样品组分的质谱检测系统可以测量羽流340的一个或更多个特性，并且这些所测量的特性可以由处理器390使用来调整芯片300的操作。例如，质谱检测系统可用于通过在颗粒被引入到质谱检测系统内时检测颗粒来确定在羽流340内的颗粒的流速。如果流速小于阈值，那么处理器390可以被配置成增加通过发射器310的流速。例如，处理器390可以经由气体源330来向储器306的顶部空间350施加增加的压力，增加流体通过发射器310排出时的速率。
在某些实施例中，检测器704为了调整芯片300的操作的目的而可以是测量羽流340的一个或更多个电学特性的电检测器。例如，检测器704可以测量羽流340的电流，并且电流的测量可以由处理器390使用来估计羽流340的流速。处理器390还可以确定随时间的变化的电流的变化率和/或电流的变化。如果电流的变化率或变化太大，处理器390可以通过增加电喷雾电压(如果羽流340溅射(sputter))或降低电喷雾电压(如果羽流340抽动)来调整操作。
如从前文明显的是，在某些实施例中，多个测量结果可以由电子处理器390使用来调整芯片300的操作。例如，检测器704可以包括诸如照相机的成像检测器和电检测器两者，并且这些检测器中的每一个可以进行上面讨论的任何测量。此外，羽流340可以被引导到与电子处理器390进行通信的质谱检测系统的入口。电子处理器390然后可以基于上面讨论的所测量的值中的任一个的组合来调整芯片300的各种操作参数。
可选地，光源702可以存在并经由通信线路703连接到电子处理器390。在操作期间，光源702可以提供与电喷雾羽流340相互作用的照明辐射。由电喷雾羽流340透射、从电喷雾羽流340反射、从电喷雾羽流340散射或以其他方式通过各种过程中的任一个从电喷雾羽流340发射的光可以由检测器704检测，并在检测器中产生测量信号。光源702通常可以包括各种不同的光源中的任何一个，包括基于激光的光源、二极管光源、白炽光源和其他发光元件。在没有光源702的情况下，从在芯片300的环境中的环境光与电喷雾羽流340的相互作用中得到由检测器704测量的信号。
在一些实施例中，关于图2讨论的分离系统200的至少一些部件在与现有质谱系统通过接口连接的模块化外壳中实现。在图7中，电子处理器390、气体源330、阀335、光源702和检测器704中的任何一个或更多个可以位于模块化外壳710内。外壳710还包括用于固定芯片300的支撑结构(在图7中未示出)，以便可以在芯片300和外壳内的部件之间建立各种电气的和流体的连接。外壳710还可以包括经由通信线路707连接到电子处理器390的通信接口712，通信接口712被配置为连接到质谱系统(在图7中未示出)并与质谱系统通过接口连接。在操作期间，电子处理器390可以通过接口712与质谱系统的部件交换信息，基于来自质谱系统的检测信号实现各种自适应分析和处理方法。
图8示出了包括上面讨论的许多特征的射流芯片300的示意图。一般来说，芯片300还可以包括各种其他样品和流体处理和输送元件。例如，在储器302、分离通道304、储器306和/或泵送通道308内实现或连接到储器302、分离通道304、储器306和/或泵送通道308的芯片300可以包括一个或更多个阀、导管、门、液体储器、气体储器、电极和其他部件。诸如阀、门和电极的可激活元件可以通过通信线路连接到电子处理器390。也可选地连接到电子处理器390的气体源可以以上面讨论的方式耦合到气体储器以通过对在气体储器内的密封顶部空间加压来引起流体输送。
在一些实施例中，如图8所示，额外的通道和储器可以耦合到泵送通道308以将额外的化合物输送到通过发射器310排出的流体(例如，背景电解质溶液和样品组分)的混合物中。在图8中，辅助储器802经由通道804耦合到泵送通道308，并且辅助储器806经由通道808耦合到泵送通道304。一般来说，任何数量的辅助储器和通道可以耦合到泵送通道308。
可以使用各种方法来发起分别从储器802和/或806通过通道804和808的流体输送。例如，在一些实施例中，储器802和/或806以及通道804和/或808可以包括连接到电子处理器390的电极。处理器390向电极施加电压，且在通道804和/或808内建立的电场引起在通道内的流体输送。在某些实施例中，储器802和/或806可以如上面所讨论的连接到气体源，并且电子处理器390通过打开和关闭耦合到储器和/或通道的阀来调节在通道内的流体输送。
辅助储器和通道可用于将各种制剂输送到在泵送通道308内的背景电解质溶液314中。因为泵送通道308非常靠近发射器310与分离通道304相交，所以在分离的样品组分和制剂之间的相互作用刚好发生在组分被排出到电喷雾羽流之前，确保所添加的制剂不以可能不利地影响在质谱系统中的对组分的后续分析的方式修改样品组分。此外，因为制剂刚好在通过发射器310排出之前被引入，所以制剂不在远离发射器310的方向上向上迁移到分离通道304中。
各种不同的制剂可以通过辅助储器和连接到泵送通道308的通道被引入。例如，在一些实施例中，可以将一种或更多种偶联剂添加到背景电解质溶液314。偶联剂提高了后续质谱表征的准确性。例如，在下面的出版物中公开了合适的偶联剂，每个出版物的全部内容通过引用被并入本文：Remsburg等人的J.Am.Soc.Mass Spectrom 19:261(2008)；和Soukup-Hein等人的Anal.Chem.80:2612(2008)。
在某些实施例中，可以通过辅助储器和通道来引入一种或更多种校准化合物。添加到背景电解质溶液314的校准化合物在电喷雾羽流中被发射并被引入到质谱分析系统内。校准化合物提供参考标记以校准样品组分的质谱分析。可以使用多种校准化合物。一个这样的示例是对经校准的肽分析有用的谷氨酸纤维蛋白肽。
在一些实施例中，射流芯片可以包括多个发射器，样品组分可以从这些发射器排出。图9是示出包括分别连接到三个分离通道304a-c的三个样品储器302a-c的芯片300的示意图，分离通道304a-c终止于发射器310a-c处。芯片300还包括连接到三个泵送通道308a-c的三个背景电解质溶液储器306a-c，每个泵送通道终止于发射器310a-c之一处。在操作期间，电压差ΔVsep可以被施加在分离通道304a-c中的一个或更多个两端。通常，施加在每个通道两端的分离电压可以是相同或不同的。通过选择性地引导驱动背景电解质溶液从储器306a-c之一通过相应的通道308a-c之一并从发射器310a-c之一流出，可以选择性地从发射器之一产生电喷雾羽流。因此，在电子处理器390的控制下，来自分离通道304a-c中的任一个的样品组分可以选择性地从芯片300排出。
图9所示的多发射器配置可能是有利的，例如，因为它允许分离电压ΔVsep同时施加到多个分离通道。因此，例如可以用在无论什么时候施加的分离电压分析样品。对于样品储器和分离通道中的每个中的共同样品，可以在样品储器和分离通道的每个组合中使用不同的过程条件(例如，分离电压、背景电解质溶液)，以便可以在不同组的条件下分析单个样品。当不同的样品位于至少一些样品储器中时，图9的多通道配置可以用于多路进行(multiplex)不同样品的分析，这些样品可以具有显著不同的分离条件和/或时间。例如，通过相应的分离通道相对快速地分离和迁移的样品的组分可以首先从它们各自的发射器排出，而更缓慢地分离和迁移的样品的组分可以稍后在它们到达它们的相应分离通道的末端时排出。以这种方式，相对于在具有单个分离通道的芯片中的样品的连续分析，可以减少用于分析多个样品的总时间。
虽然图9中所示的芯片300具有三个样品储器、三个分离通道、三个背景电解质溶液储器和三个泵送通道，但更一般地，芯片300可以包括这些部件中的任何一个的2个或更多个(例如，3个或更多个、4个或更多个、5个或更多个、6个或更多个、7个或更多个、8个或更多个或者甚至更多)。
图10是示出用于执行分离的样品组分的基于压力的电喷雾和/或注射的一系列步骤的流程图1000。在第一步骤1002中，将含有待分离和/或分析的组分的样品引入到样品储器302内。可以通过连接到储器的端口、通过与储器连通的流体通道或者通过多种其他方法中的任何一种通过注射来执行引入。一般，在背景电解质溶液中(即在部分或完全变成溶剂化物的形式中)引入样品。
接下来，在步骤1004中，电子处理器390经由电极316和318在样品储器302和分离通道304的末端之间施加电势差。一般，例如，电子处理器390激活一个或更多个电源(在图中未示出)以施加电势差。电势差的施加引起样品的组分从样品储器302通过分离通道304朝向发射器310的电泳迁移，各个组分的迁移速率根据它们各自的电泳迁移率并且在某些实施例中根据与分离通道304的壁的相互作用而不同。
在步骤1006中，电子处理器390对背景电解质溶液储器306的顶部空间区域加压以使背景电解质溶液从储器306通过泵送通道308并从发射器310流出。一般，例如，电子处理器打开和关闭阀335以利用从气体源330供应的气体来控制在顶部空间区域内的气体压力。
在通过分离通道304的电泳迁移期间组分彼此分离了之后，背景电解质溶液压力驱动地从储器306通过泵送通道308并从发射器310流出导致在步骤1008中样品组分从发射器310的各自排出。由于样品组分的不同电泳迁移率，各个组分在不同的时间从发射器310排出。如果在步骤1010中组分随后被注射或接纳到质谱系统内(或到另一种类型的分析系统内)，它们因此在不同的时间被引入，简化了组分的处理和分析。过程然后在步骤1012终止。
在一些实施例中，在步骤1004和1006中确保背景电解质溶液通过泵送通道308并从发射器310出来的流动的开始与在样品储器302和分离通道304的末端之间的电势差的施加同时或几乎同时出现可能是有利的。在实验上发现，如果背景电解质溶液的流动的开始和电势差的施加不在彼此的短时间内出现，则从发射器310产生高质量电喷雾羽流可能很难。因此，在某些实施例中，背景电解质溶液的流动的开始和电势差的施加(其中任一个可以首先出现)之间的时间差可以是25ms或更短(例如，15ms或更短、10ms或更短、5ms或更短、2ms或更短、1ms或更短、500微秒或更短、200微秒或更短、100微秒或更短)。
如前面所讨论的，通过使用背景电解质溶液的压力驱动流动来从发射器310排出样品组分，产生电喷雾羽流的过程可以从在分离通道内分离样品组分的过程解耦。合适的电喷雾羽流的产生由背景电解质溶液的压力驱动流动控制。从分离的样品组分产生离子由在发射器310处的电势和在芯片300外部的地电势或参考电势之间的差控制。
因此，在电极316和318之间施加的电势差用于仅控制在分离通道304中的样品组分的电泳分离。“分离”可以在电极316和318之间的零伏特的电势差的情况下被执行。在这些条件下，样品的组分将不显著迁移，但来自发射器310的排出仍然(以背景电解质溶液的形式)出现，这允许如上面所讨论的经由调整一个或更多个操作参数来进行电喷雾羽流的特性的测量、验证和调整。
更一般地，电子处理器390被配置成实现涉及施加的电势差的调整的各种自适应处理技术以改善样品组分分离和分析性能。例如，在一些实施例中，电子处理器390被配置成通过改变在电极316和318之间施加的电势差来调整通过分离通道304的样品组分的迁移速率。因为来自发射器310的排出经由背景电解质溶液的压力驱动流动而出现，所以通常可以如所期望的调整施加的电势差以控制组分迁移时间而不会不利地影响组分排出。
例如，在分离的样品组分最初到达分离通道304的末端之前，电子处理器390可以在电极316和318之间施加相对高的第一电势差。来自发射器304的排出被耦合到或允许进入质谱系统内，质谱系统分析排出以确定排出中是否存在感兴趣的组分。关于感兴趣的组分的存在或缺乏的信息由处理器390确定或接收。在没有感兴趣的组分被检测到时，处理器390在电极316和318之间保持高的第一电势差以保持通过分离通道304的样品组分的迁移时间是短的。
当在电喷雾羽流中检测到一种或更多种感兴趣的组分时，电子处理器390可以将施加的电势差减小到较低的第二电势差，有效地减小通过分离通道304的样品组分的迁移率。然后，当各个组分到达通道304的末端并从发射器310排出时，它们可以按时间顺序被单独地分析。以这种方式改变施加的电势差有效地改变了在到达质谱系统用于分析的样品组分之间的时间间隔。
对于具有许多感兴趣的组分的复杂样品，电子处理器390可以被配置成在高的施加的电势差和较低的施加的电势差之间循环多次以调整在分离通道304内的组分的流速。处理器390不限于在仅两个施加的电势差之间交替；更一般地，在任何点处，处理器390可以选择任何电势差来施加在电极316和318之间，以控制在分离通道304内的样品组分的迁移时间。
在一些实施例中，电子处理器390可以被配置为执行分析程序以识别在样品中的一个或更多个特定组分。也就是说，处理器被配置为专门寻找特定组分的存在或缺乏，而不考虑其他组分在样品中的存在或缺乏。电子处理器390可以(例如，作为程序的一部分，或者从另一个源例如数据库或系统用户)接收关于特定组分的迁移时间的配置信息。为了减少特定样品的总分析时间，电子处理器390可以在电极316和318之间施加相对高的电势差，直到基于配置信息特定组分中的第一个被预期到达分离通道304的末端为止。然后，电子处理器390减小施加的电势差，使得如果第一特定组分存在于样品中并且从发射器310排出，则它可以被准确地检测到。
接下来，电子处理器390再次增加施加的电势差，直到基于配置信息特定组分中的下一个被预期到达分离通道304的末端为止，在这个时间之后，施加的电势差再次被处理器390减小以便于第二特定组分的检测，如果第二特定组分存在于样品中。处理器390可以以这种方式交替地增加和降低施加的电势差以减少样品的总分析时间，而同时确保感兴趣的特定组分在时间上被很好地分离用于检测。
在分离通道304内的施加的电势差的调整在对特定样品的分析存在时间限制的窗口的情况下也是有利的。例如在质子交换质谱法中，为了标记目的，样品可以被处理以用氘原子代替某些氢原子。在样品消解后，氘标记蛋白质然后被分析以定位在结构中的氘标记位点。
然而，氘原子在样品蛋白质中保持相对易变化的，并易于再次经历与正常氢原子的交换。因此，在这个再交换在很大程度上出现之前，氘标记蛋白质的分析相对快地被执行。为了分析具有时间限制的寿命或时间分析窗口的样品组分，例如氘标记蛋白质，电子处理器390可以如上面所讨论的调整在电极316和318之间的施加的电势差以减少样品的总分析时间。特别地，处理器390可以在感兴趣的组分通过通道304迁移时保持相对高的电势差以减少在沿着通道的长度行进时所消耗的时间量。当感兴趣的组分被预期到达通道304的末端(或者当它们从发射器310排出开始被检测到)时，处理器390减小在电极316和318之间的电势差以允许每种组分被分析。在特定组分被排出之后，处理器390再次增加电势差，直到感兴趣的下一组分到达通道304的末端或者在来自发射器310的发射中被检测到为止。以这种方式，电子处理器390可以例如在质子交换质谱法中实现适合于时间限制的样品的分析的各种程序/序列。
在上面讨论的实施例中，背景电解质溶液的压力驱动流动在处理器390的控制下出现，处理器390引导气体源330向储器306的顶部空间350供应气体。压力驱动流动也可以以其他方式与气体到储器的供应一起被实现或者作为气体到储器的供应的备选方案被实现。例如，在一些实施例中，可以使用诸如隔膜或活塞的位移机构来实现对在储器306中的气体压力的控制。
图14是示出具有包含背景电解质溶液314的储器306的射流芯片300的一部分的示意图。顶部空间350位于背景电解质溶液314上方。为了控制在储器306内的压力(以及因此控制施加到背景电解质溶液314的压力)，活塞1480形成储器306的顶壁的一部分。活塞1480经由控制线1482耦合到电子处理器390。
处理器390可以通过将活塞1480推进到储器306内(以增加压力)或从储器306抽回活塞1480(以减小压力)来调整在顶部空间350内的压力。以这种方式，处理器390可以从发射器310排出样品组分，如上面所讨论的，并且可以基于羽流340的所测量的参数来调整芯片300的操作。
也可以通过调节在顶部空间内的温度来实现在储器306内的压力控制。可以以多种方式实现温度调节。例如，在图14中，加热元件1484沿着储器306的壁被定位，并经由控制线1486连接到处理器390。通过经由加热元件1484加热储器306(和背景电解质溶液314)，电子处理器390可以增加在储器306内的气体压力。相反，通过(例如，经由在图14中未示出的冷却元件，或者通过降低加热元件1484的温度)使储器306冷却，电子处理器390可以减小在储器306内的气体压力。
因为在储器306中的溶液和在发射器310处或邻近发射器310的溶液之间存在压力梯度，所以出现背景电解质溶液314的压力驱动流动。因此在某些实施例中，可以通过减小施加到邻近发射器310的背景溶液314的压力来实现背景电解质溶液314的压力驱动流动。图15示出了射流芯片300的一部分的示意图。为了清楚起见，芯片300的许多特征被省略，但应当理解，芯片300通常可以包括在本文关于各种射流芯片讨论的任何特征。
在图15中，真空源1594定位成相邻于发射器310。真空源1594经由控制线1596连接到电子处理器390。在操作期间，处理器390可以通过(例如通过打开或关闭在真空源1594内的阀)选择性地连接真空源1594与泵送通道308和使真空源1594从与泵送通道308的流体连通断开来调整施加到在发射器310处或邻近发射器310的背景电解质溶液314的压力。通常，可以使用各种各样的真空源，包括但不限于真空泵、真空容积(evacuated volume)以及诸如活塞和隔膜的位移机构。
通常，任何前述方法可以在本文公开的射流芯片中单独地或组合地被使用以允许电子处理器390通过调整在储器306内的压力、通过调整在发射器310处或邻近发射器310的压力或两者来控制在泵送通道308中的背景电解质溶液314两端的压力梯度。
III.通过接口连接到质谱检测系统
如上面所讨论的，在一些实施例中，来自发射器310的排出可以直接耦合到质谱系统的入口内以便于在分离的样品组分被排出时对它们的分析。在某些实施例中，来自发射器310的排出可以出现在质谱系统的入口所位于的空间区域中，并且该系统可以通过入口对排出进行采样，允许排出的一部分进入用于分析。例如，在作为美国专利号9,502,226发布的美国专利申请公开号2015/0200083中和在美国专利申请公开号2016/0099137中公开了可以与本文公开的射流芯片一起使用的合适的质谱系统的附加方面，其中每一个专利申请的全部内容通过引用被并入本文。
虽然在芯片300的发射器310和质谱检测系统的入口之间的耦合通常可以以多种方式实现，但是一种这样的耦合方法涉及从发射器310产生离子化电喷雾，离子化电喷雾然后被引导到入口内。图13是示出耦合到质谱检测系统1310的射流芯片300的示意图。在图13中，为了清楚起见，省略了芯片300的许多特征。然而，应当理解，图13中的芯片300通常可以包括在本文关于各种射流芯片公开的任何特征。
在图13中，样品组分通过电极1302和1304从发射器310排出，电极1302和1304经由控制线1305和1307连接到电子处理器390。在操作期间，处理器390向电极1302和1304施加电势以在电极之间建立在上面被称为电喷雾离子化电压的电势差。如前面所讨论的，处理器390可以基于来自检测器704和/或质谱检测系统1310的测量来调整该电压。
电极1304形成检测系统1310的入口1318的一部分，检测系统1310还包括可选的离子源1312、离子阱1314和离子检测器1316。检测系统1310的部件经由控制线1309连接到处理器390。应当注意，处理器390可以如图13所示与检测系统1310分离，或替代地，处理器390可以集成在检测系统1310内。处理器390通常可以控制芯片300和检测系统1310中的一个或两个的各种部件并执行与芯片300和检测系统1310中的一个或两个相关联的功能。
当处理器390在电极1302和1304之间施加电喷雾离子化电压时，电喷雾羽流340被产生并进入入口1318。当样品组分在分离通道304内分离时，它们通过发射器310排出，在电极1302和1304之间离子化，并耦合到入口1318内。一旦在离子阱1314内部，离子化样品组分就可以在被捕获并选择性地从离子阱1314中喷出用于由检测器1316检测之前任选地在离子源1312中经历进一步的离子化。包括检测到的离子的质荷比的质谱信息可以经由控制线1309传递到处理器390。
IV.附加系统硬件和软件部件
本文公开的任何方法步骤、特征和/或属性可以由基于标准编程技术来执行程序的电子处理器390和/或一个或更多个附加的电子处理器(例如，计算机或预先编程的集成电路)执行。这样的程序被设计成在可编程计算装置或经专门设计的集成电路上执行，可编程计算装置或集成电路中的每一个都包括处理器、数据存储系统(包括存储器和/或存储元件)、至少一个输入设备和至少一个输出设备，例如显示器或打印机。程序代码被应用到输入数据以执行功能并生成应用于一个或更多个输出设备的输出信息。每个这样的计算机程序可以以高级过程或面向对象编程语言、或汇编或机器语言来实施。此外，语言可以是编译或解释语言。每个这样的计算机程序可以被存储在计算机可读存储介质(例如，诸如CD-ROM或DVD的光学存储介质、磁性存储介质和/或持久性固态存储介质)上，当程序由计算机、处理器或电子电路读取时可以使计算机、处理器或电子电路执行本文描述的分析和控制功能。
其他实施例
已描述了许多实施例。不过，应当理解，在没有偏离本公开的实质和范围的情况下，可以进行各种更改。因此，其他实施例在所附权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种用于处理样品的方法，所述方法包括：
将在第一电解质溶液中的包括一种或更多种组分的样品引入到射流设备的分离通道中；
在所述样品两端施加电势差以引起至少一种样品组分朝向所述分离通道的末端的迁移；
调整在包括第二电解质溶液的储器中的气体压力和位于所述分离通道的所述末端处的孔外部的气体压力中的至少一个，使得所述储器中的气体压力大于所述孔外部的气体压力，其中，所述储器连接到泵送通道，并且其中，所述泵送通道靠近所述分离通道的所述末端连接到所述分离通道；以及
响应于所述气体压力而引导所述第二电解质溶液的流通过所述泵送通道并从所述孔流出以通过所述孔排出所述至少一种样品组分。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，调整所述储器中的气体压力包括将气体引入到所述储器内。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，调整所述储器中的气体压力包括压缩所述储器中的气体。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，调整所述储器中的气体压力包括加热所述储器。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，调整所述孔外部的气体压力包括激活相邻于所述孔的真空源。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述储器中的气体压力比所述孔外部的气体压力大至少0.5psi。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述储器中的气体压力比所述孔外部的气体压力大至少2.0psi。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述泵送通道中的所述电解质溶液的流速是50nL/min或更大。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述电解质溶液的所述流速是200nL/min或更大。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一电解质溶液和所述第二电解质溶液具有共同的组成。
CN202310117704.6A 2017-03-30 2018-03-29 生物样品的微射流分析 Pending CN116183705A (zh)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201762478689P 2017-03-30 2017-03-30
US62/478,689 2017-03-30
CN201880034439.2A CN110662958B (zh) 2017-03-30 2018-03-29 生物样品的微射流分析
PCT/US2018/025057 WO2018183622A1 (en) 2017-03-30 2018-03-29 Microfluidic analysis of biological samples

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201880034439.2A Division CN110662958B (zh) 2017-03-30 2018-03-29 生物样品的微射流分析

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116183705A true CN116183705A (zh) 2023-05-30

Family

ID=62090042

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310117704.6A Pending CN116183705A (zh) 2017-03-30 2018-03-29 生物样品的微射流分析
CN201880034439.2A Active CN110662958B (zh) 2017-03-30 2018-03-29 生物样品的微射流分析

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201880034439.2A Active CN110662958B (zh) 2017-03-30 2018-03-29 生物样品的微射流分析

Country Status (5)

Country Link
US (1) US10209218B2 (zh)
EP (1) EP3602026A1 (zh)
JP (2) JP7335810B2 (zh)
CN (2) CN116183705A (zh)
WO (1) WO2018183622A1 (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3957986A1 (en) 2015-11-30 2022-02-23 Intabio, Llc Methods for sample characterization
WO2019148198A1 (en) 2018-01-29 2019-08-01 Intabio, Inc. Devices, methods and kits for sample characterization
AU2020216172A1 (en) * 2019-01-31 2021-08-05 Regeneron Pharmaceuticals, Inc. Native microfluidic CE-MS analysis of antibody charge heterogeneity
US11285484B2 (en) 2019-08-12 2022-03-29 Intabio, Llc Multichannel isoelectric focusing devices and high voltage power supplies

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2838200B2 (ja) * 1996-11-29 1998-12-16 農林水産省農業環境技術研究所長 カラム内濃縮が可能な毛細管電気泳動を誘導結合プラズマに接続するためのインターフェース及び接続方法
WO2000062039A1 (en) * 1999-04-09 2000-10-19 Northeastern University System and method for high throughput mass spectrometric analysis
CN2476022Y (zh) * 2001-04-20 2002-02-06 阎超 多通道加压毛细管电色谱生物样品分析仪
JP2005300484A (ja) 2004-04-16 2005-10-27 Tama Tlo Kk 試料ガス化装置
KR20080084049A (ko) 2007-03-14 2008-09-19 삼성전자주식회사 펌프 유닛 및 이를 구비한 원심력 기반의 미세유동 시스템
JP5135430B2 (ja) 2008-03-25 2013-02-06 株式会社島津製作所 電気泳動／エレクトロスプレイイオン化装置
GB201010737D0 (en) 2010-06-25 2010-08-11 Imp Innovations Ltd Minature HPLC device
EP2684207B1 (en) 2011-03-11 2018-07-11 The University of North Carolina At Chapel Hill Microchips with integrated multiple electrospray ionization emitters and related methods, systems and devices
CN102565255B (zh) * 2011-05-25 2014-11-19 上海通微分析技术有限公司 加压毛细管电色谱蒸发光散射检测器
EP2864764B1 (en) 2012-06-20 2018-03-07 The University of North Carolina At Chapel Hill Integrated sample processing for electrospray ionization devices
CN104541162B (zh) * 2012-08-13 2017-06-13 塔斯马尼亚大学 分析物的电泳分离
WO2015108969A1 (en) 2014-01-14 2015-07-23 908 Devices Inc. Sample collection in compact mass spectrometry systems
US9905407B2 (en) 2014-10-02 2018-02-27 908 Devices Inc. Mass spectrometry by detecting positively and negatively charged particles
US9255905B1 (en) * 2015-05-11 2016-02-09 The University Of North Carolina At Chapel Hill Pressure driven microfluidic injection for chemical separations
US9606082B2 (en) * 2015-05-11 2017-03-28 The University Of North Carolina At Chapel Hill Pressure driven microfluidic injection for chemical separations

Also Published As

Publication number Publication date
CN110662958A (zh) 2020-01-07
US20180284064A1 (en) 2018-10-04
JP2020515849A (ja) 2020-05-28
JP7335810B2 (ja) 2023-08-30
WO2018183622A1 (en) 2018-10-04
JP2023159275A (ja) 2023-10-31
CN110662958B (zh) 2023-03-07
US10209218B2 (en) 2019-02-19
EP3602026A1 (en) 2020-02-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110662958B (zh) 生物样品的微射流分析
EP3365668B1 (en) Solid phase extraction with capillary electrophoresis
US5917184A (en) Interface between liquid flow and mass spectrometer
US6110343A (en) Material transport method and apparatus
EP2864764B1 (en) Integrated sample processing for electrospray ionization devices
JP7352579B2 (ja) 質量分析とインタフェースするマイクロ流体システムのためのソフトウェア
US9543137B2 (en) Sample droplet generation from segmented fluid flow and related devices and methods
US11635407B2 (en) Pressure driven fluidic injection for chemical separations
EP0815940A2 (en) Electropipettor and compensation means for electrophoretic bias
KR20200115619A (ko) 샘플 특성화를 위한 장치, 방법 및 키트
US20110192724A1 (en) High resolution focusing and separation of proteins in nanofluidic channels
US20210255141A1 (en) Electroseparation syringe and analytical processes using the electroseparation syringe
Xu et al. Interfacing capillary gel microfluidic chips with infrared laser desorption mass spectrometry
US20220283126A1 (en) Electrospray assisted capillary device for processing ultra low-volume samples
WO2024086495A2 (en) Fixtures and devices for use in isoelectric focusing-mass spectrometry
CA2537330C (en) Electropipettor and compensation means for electrophoretic bias
JP2007163188A (ja) 試料導入装置及び試料導入方法
Kawai et al. Microchips electrophoresis of oligosaccharides in single’straight channels
Shrivastava et al. Isotachophoresis: A Technique of Electrophoresis for the Separation of Charged Particles
WO2015166230A1 (en) Methods and apparatus for introducing a sample into a separation channel for electrophoresis

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination