CN113758988A - 控制液相离子富集分离的装置、方法以及多电极芯片 - Google Patents
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Abstract
一种控制液相离子富集分离的装置、方法以及多电极芯片。控制液相离子富集分离装置包括毛细管，注射泵、进样装置，两个以上富集分离电极；所述毛细管一端连接检测装置，一端为毛细管进入口；所述毛细管进入口连接注射泵和进样装置；所述富集分离电极分布在所述毛细管上；通过调节施加在所述富集分离电极上的直流电压形成离子阱，实现对所述毛细管内液相离子混合物的富集分离控制。本发明还提供了一种控制液相离子富集分离的多电极芯片。本发明控制液相离子富集分离的方法可以实现液相离子的富集，精确控制混合物的分离和释放，液相离子控制灵敏度高，分离效果好，且更便于与检测装置兼容。
Description
技术领域
本发明涉及液相离子控制领域，具体的说，涉及控制液相离子富集分离的装置、方法以及多电极芯片。
背景技术
质谱具有灵敏度高、检测限低、分析速度快等优点，特别适用于痕量物质的检测。为了获得高精度，质谱往往在真空条件下分析离子，而生物大分子通常需要在液体环境下才能维持构象和生物活性。因此现有的质谱在分析生物大分子时存在局限性，另外目前质谱对于复杂样品中超痕量物质的检测也存在一定局限，样品中各组分在离子源中发生电离，生成不同质荷比的离子，以离子束的形式进入质量分析器，待测组分之间、待测组分与杂质之间会产生离子化竞争，使得低丰度、离子化效率低的组分不易被检出。目前已经开发了一些待测组分分离装置，但是现有的方案不能实现液相离子富集，在毛细管两侧施加直流电压，样品分离效果、操作灵活性、灵敏度都比较欠缺。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术上的上述缺点，提供一种控制液相离子富集分离的装置、方法以及多电极芯片，以便进一步减少离子化竞争，控制液相离子富集，同时控制液相离子混合物的分离和释放顺序，达到高效灵敏的控制液相离子的富集分离目的。
根据本发明的第一方面，提供了一种控制液相离子富集分离的装置，包括毛细管，毛细管一端连接检测装置，另一端为毛细管进入口；注射泵，注射泵连接毛细管进入口，用于把缓冲液注入毛细管进入口；进样装置，进样装置连接毛细管进入口，用于向毛细管进入口输入液相离子样品；两个以上富集分离电极，所述富集分离电极分布在所述毛细管上，用于向毛细管施加直流电压。通过在所述电极设置可调节的直流电压，在电极间形成和所述毛细管中液相离子样品流动方向相同或是相反的电场，调节电场强度和液体流速实现不同液相离子样品的富集和分离。
可选的，本发明的控制液相离子富集分离的装置，所述控制液相离子富集分离的装置还包括进样阀，所述注射泵、进样装置通过所述进样阀连接毛细管进入口；进样阀内还可以设置对进样体积精确控制的定量环。
可选的，本发明的控制液相离子富集分离的装置，所述控制液相离子富集分离的装置还包括多通阀，所述电极通过所述多通阀连接毛细管。
可选的，本发明的控制液相离子富集分离的装置，两个以上富集分离电极可以为四个电极；进样装置可以为进样泵或是进样针；毛细管可以为石英毛细管、融硅毛细管、PEEK管路、塑料毛细管或者橡胶毛细管。
根据本发明的第二方面，提供了一种控制液相离子富集分离的方法，其特征在于，包括如下步骤：
开启注射泵，使所述注射泵向毛细管进入口方向注入缓冲液并持续第一时间段；
开启进样装置，向所述毛细管进入口方向以预设的进样流速注入液相离子样品溶液并持续第二时间段；
开启注射泵，使所述注射泵向毛细管进入口方向注入所述缓冲液，推动所述液相离子样品溶液进入所述毛细管内；
在设置在毛细管上的两个以上富集分离电极上设定直流电压，使得所述电极之间形成的电场和所述毛细管中样品的流动方向相同或是相反，达到控制液相离子不同样品富集和分离的效果。
可选的，本发明的控制液相离子富集分离的方法，所述第一时间段为0.01分钟-600分钟，所述缓冲液的流速为0.01μL/min至5000μL/min；所述第二时间段为0.01分钟-600分钟，所述预设的进样流速为0.1μL/min至5000μL/min。
根据本发明第三部分，提供了一种控制液相离子富集分离的多电极芯片，包括：基片和盖片；所述基片上电镀多组交替排列的金电极，形成两个以上富集分离电极；所述盖片上刻蚀流道形成毛细管，所述毛细管一端连接检测装置，另一端为毛细管进入口；所述基片与所述盖片键合，使得所述富集分离电极分布在所述毛细管上，用于向所述毛细管施加直流电压。
本发明具有以下优点和有益效果：本发明通过在毛细管上设置两个以上电极，并通过在电极上施加直流电压，控制不同直流电压的大小，在电极间形成和毛细管中样品流动方向相同或相反的电场，能控制液相离子富集，同时控制液相离子混合物的分离和释放顺序，提高质谱检测灵敏度，改善复杂混合物的分离度，并且操作性比较强，与质谱兼容非常方便。
附图说明
应说明的是，下面描述的附图仅示意地给出了一些实施例，并没有包括所有可能的实施例。
图1为本发明控制液相离子富集分离的一种优选装置结构示意图；
图2A和图2B为本发明实施例1中非富集模式下，电极电压时序图和苯丙氨酸提取离子流色图谱；
图3A和图3B为本发明实施例1中富集模式下，电极电压时序图和苯丙氨酸提取离子流色图谱；
图4A和图4B为本发明实施例2中单阱分离17种氨基酸混合物的电极HV1电压图以及17种氨基酸物质分离色谱图；
图5A和图5B为本发明实施例3中陆续释放样品的双阱四电极电压图以及双阱色谱图；
图6A和图6B为本发明实施例3中同时释放样品的双阱四电极电压图以及双阱色谱图；
图7A为本发明实施例4多电极芯片中镀有多组交替排列的金电极玻璃基片示意图；
图7B为本发明实施例4多电极芯片中刻蚀有流道PDMS盖片示意图；
图7C为本发明实施例4多电极芯片PDMS盖片与玻璃基片键合示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图描述本发明的实施例的技术方案。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。所描述的实施例仅用于图示说明，而不是对本发明范围的限制。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件或处理的表示和描述。
如图1所示，本发明控制液相离子富集分离的一种优选装置结构示意图；包括毛细管1，毛细管1一端连接检测装置12，另一端为毛细管进入口11；注射泵2，注射泵2连接毛细管进入口11，用于把缓冲液注入毛细管进入口11；进样装置3，进样装置3连接毛细管进入口11，用于向毛细管进入口11输入液相离子样品；两个以上富集分离电极，图中HV1、HV2、HV3、HV4示意性的给出了四个富集分离电极，当HV1为一负电压，当HV2=HV3=HV4=0时，可以达到两个富集分离电极的效果；当HV1、HV2、HV3、HV4中相邻的两个电极设置为相同的电压时，可以达到三个富集分离电极的效果；显而易见的，根据实际需要，富集分离电极还可以增加个数，出现HV5、或HV6以此向后排列，且此两个以上电极不强制要求有两个电极处于毛细管1两端位置，实际中可根据情况调节位置及相互间距离。为了叙述方便，此具体实施方式部分，都以四个富集分离电极示例。
检测装置12可以为以电喷雾质谱或基质辅助激光解析电离质谱例的质谱检测装置，也可以为以电位检测器、电导检测器为例的电化学检测装置，还可以为以紫外检测器、荧光检测器为例的光学检测装置。
图1中的电极可以通过多通阀连接毛细管1，后面的实施例1-3中具体为三通阀。
注射泵2、进样装置3可以通过进样阀与毛细管进入口11相连，进样阀内还可以设置进样体积精确控制的定量环。进样装置3可以为进样泵或者进样针，进样泵可以自动和精确的控制进样体积。毛细管1可以为石英毛细管、融硅毛细管、PEEK管路、塑料毛细管或者橡胶毛细管，不同材质的毛细管会影响流体流速和所需施加在富集分离电极上的直流电压值。
下面的实施例中1-3中，为表述简便、效果突出，使用优选的实施例，三个实施例中控制液相离子富集分离装置中包含进样阀、定量环、进样泵，电极都通过三通阀与毛细管1相连。毛细管以石英毛细管示例。为了显示控制液相离子富集分离效果，说明和对比方便，本实施例1-3中的检测装置为电喷雾质谱。
本实施例1-3使用上述控制液相离子富集分离的装置的控制液相离子富集分离的方法为：
将进样阀调整至平衡态，开启注射泵，使所述注射泵向定量环和毛细管内注入缓冲液并持续第一时间段；
将所述进样阀调整至取样态，开启进样泵，向所述定量环以预设的进样流速注入样品溶液并持续第二时间段；
将所述进样阀调整至所述平衡态，使所述注射泵向所述定量环注入所述缓冲液，推动所述定量环中的样品溶液进入所述毛细管内；
通过设定富集分离电极产生富集分离电压，使得电极之间形成的电场和毛细管中样品流动方向相同或相反。
此方法中所述第一时间段可以为0.01分钟-600分钟，所述缓冲液的流速可以为0.01μL/min至5000μL/min；所述第二时间段可以为0.01分钟- 600分钟，所述预设的进样流速为可以0.1μL/min至5000μL/min。
此具体实施方式部分，下面所涉及的实施例1-3 相同数据说明：三个实施例中定量环选择内径50μm，外径360μm，长度为50cm的毛细管；毛细管为75μm，外径360μm的石英毛细管。从进样阀到第一个三通阀的毛细管长15厘米。四个三通阀通过3.5厘米毛细管连接，电极电压通过调节HV1、HV2、HV3、HV4进行控制。
实施例1
—单阱富集，样品为单一物质的富集和非富集模式控制。
此实施例中样品为苯丙氨酸。
采用上述控制液相离子富集分离的方法，进缓冲液、进苯丙氨酸，其浓度为10ng/mL，进样泵流速20μl/h，进样3.2分钟，然后再进缓冲液，调整电极电压。缓冲液的流速设置为0.25μL/min。
非富集模式，HV1=HV2=HV3=HV4=0，四个电极均接地，如图2A所示，不会产生富集效应。在缓冲液的驱动下，苯丙氨酸离子将被直接洗脱，如图2B所示。目标峰的宽度由初始样品注入时间长度和液体通道内样品的扩散过程确定。
富集模式，进样阶段HV1=HV2=HV3=HV4=0；富集阶段，将HV1调整至-2.5kV；释放阶段，将HV1调回0，如图3A所示。在HV1施加-2.5kV富集电压时，在HV2和HV1之间形成的强电场会将带正电荷的苯丙氨酸离子束缚并堆积在HV1周围，产生富集效应。关闭HV1后，富集的苯丙氨酸离子从液相离子阱中释放并进入质谱检测，从图3B可见。
对比两种操作方式的目标物离子流色谱图可见，通过富集模式，得到的苯丙氨酸的峰强度大于常规模式，且峰的宽度更窄，这表明液相离子阱不仅可以富集苯丙氨酸，而且可以将样品聚焦在非常窄的谱带中。此种模式由于可以富集样品，还可以用于检测液相离子样品非常稀薄，不进行富集后面的质谱仪检测不到的超痕量物质。该液相离子阱可有效减小峰展宽效应，提高后续质谱检测的灵敏度。
实施例2
—单阱分离，样品为17种混合物质的分离与顺序释放。
此实施例中样品为17种分离氨基酸混合物，17种氨基酸混合物为天冬氨酸，半胱氨酸，天冬酰胺，谷氨酰胺，脯氨酸，谷氨酸，丝氨酸，苏氨酸，酪氨酸，甲硫氨酸，苯丙氨酸，色氨酸，甘氨酸，丙氨酸，缬氨酸，亮氨酸，异亮氨酸的混合物。
采用上述控制液相离子富集分离的方法，进缓冲液、进17种氨基酸混合物，其浓度为10ng/mL，进样泵流速20μl/h，进样3.2分钟，然后再进缓冲液，调整电极电压。缓冲液的流速设置为0.15μL/min。
进样阶段HV1=HV2=HV3=HV4=0；富集阶段，将HV1调整至-5kV；释放阶段，将HV1的电压20分钟内从-5kV线性下降至0V，同时HV2=HV3=HV4=0。HV1电压图如4A所示。
从17种氨基酸物质分离色谱图4B可见，在20分钟内，17种氨基酸可以实现分离。
该实施例基于离子的不同流体力学半径和有效电荷，通过调节电场强度，实现了混合离子样品顺序分离释放，提升了质谱分析混合物的能力。
实施例3
—双阱富集分离，样品为两种物质的富集与分离。
此实施例中，样品为血管紧张素II和缓激肽。
为了提高离子分离效率并减小峰宽，使用双阱模式操作。通过在HV1和HV3上施加相对较低的电位，在HV2和HV4上施加较高的电位来建立双阱配置。由于这两个离子在流体力学半径和有效电荷方面具有不同的参数，因此富集它们所需的最小电压是不同的。通过将HV2降低到适当的电压，一种离子将被释放，而另一种离子仍被富集在HV1上。在这种情况下，带正电的离子会被分别富集在HV1和HV3区域周围。
采用上述控制液相离子富集分离的方法，进缓冲液、血管紧张素II、缓激肽浓度为1.0μg/mL，进样泵流速20μl/h，进样3分钟，然后再进缓冲液，调整电极电压。缓冲液的流速设置为0.15μL/min。
—陆续释放样品的双阱富集分离试验
进样阶段，HV1=HV2=HV3=HV4=0。
富集阶段，将HV1、HV3施加-0.5kV电压，在HV2、HV4上施加1.5kV电压；两种带正电的肽段均被束缚在HV1处一段时间。
转移血管紧张素II阶段，将HV2从1.5kV降低到1.2kV时，血管紧张素II从HV1处释放。此时HV3和HV4处分别施加-0.5kV和1.2kV电压，血管紧张素II被转移并再次富集在HV3处。血管紧张素II、缓激肽分别被束缚在HV1和HV3处，二者实现了分离。
释放血管紧张素II阶段，将HV3和HV4电压降为0，血管紧张素II被释放，随液流进入质谱。
释放缓激肽阶段，将HV1和HV2电压降为0，缓激肽被释放，随液流进入质谱。
图5A为陆续释放样品的双阱四电极电压图；图5B为陆续释放样品的双阱色谱图，为了更清晰的显示两个样品的峰，此图省略了15分钟之前检测装置显示为0的情况，图5B从15分钟开始绘制。图5A和图5B中进样时间为3分钟，富集时间10分钟，转移血管紧张素II时间7分钟，释放血管紧张素II时间4分钟，释放缓激肽时间4分钟。
—同时释放样品的双阱富集分离试验
为了进一步显示双阱富集分离的优势，提供同时释放两个样品的对比试验。此对比试验的进样阶段、富集阶段、转移血管紧张素II阶段与陆续释放样品的双阱富集分离试验相同，不同的是在转移血管紧张素II阶段之后同时释放血管紧张素II和缓激肽，在此阶段HV1=HV2=HV3=HV4=0。
图6A为同时释放样品的双阱四电极电压图；图6B为同时释放样品的双阱色谱图，为了更清晰的显示两个样品的峰，此图省略了15分钟之前检测装置显示为0的情况，图6B从15分钟开始绘制。图6A和图6B中进样时间为3分钟，富集时间10分钟，转移血管紧张素II时间7分钟，同时释放血管紧张素II和缓激肽时间4分钟。
对比图5B和图6B可以看出，四电极可以很灵活的控制样品的分离时间，突出显示了双阱模式对样品控制的灵活性。
由于双阱模式，两个样品可以分别富集在不同的离子阱处，经过双阱分离后，两种肽段实现了完全的基线分离，且得到了更窄的峰；双阱模式可以控制两个样品的峰的分离时间，灵活的控制液相离子的富集分离。
实施例4
—多电极芯片的设计
将上述液相离子富集分离控制功能集成于微流控芯片中，设计一种包含多电极和喷雾器的微流控多电极芯片。
此多电极芯片由基片和盖片键合而成。基片的材质可以为玻璃，硅片等；盖片的材质可以为聚二甲基硅氧烷（PDMS），聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等。此实施例中，基片材质选用玻璃，盖片材质选用聚二甲基硅氧烷（PDMS）。
玻璃基片表面通过电镀镀有多组交替排列的金电极，如图7A所示，图中电极4为接地电极，电极5接为负电压电极。
PDMS盖片上刻蚀宽100μm、深100μm的流道，如图7B所示，图中8为刻蚀的流道，7为质谱等检测装置相连的喷雾区域。
玻璃基片和聚二甲基硅氧烷（PDMS）盖片键合后，电极4接地，电极5接负电压，流道中形成样品富集区域与转移区域交替分布的形式，如图7C所示。
样品混合物进入多电极芯片后，由于电荷和流体力学半径的差异，会被富集在起始电极处，随后通过调整电极5负电压，逐步转移不同物质至特定的富集区域，达到分离的目的。关闭富集电压后，不同物质从各自富集区域按顺序依次进入喷雾区域，进而进入质谱检测，达到富集分离目的。
该实施例有两个优势：第一通过集成进一步减小装置体积，减少样品消耗；第二通过多组电极的富集释放可以在液相离子阱基础上进一步提高分离效率，提高样品分离度。
以上对本发明的实施例的描述仅用于说明本发明的技术方案，而不是对本发明范围的限制，本发明并不限于所公开的这些实施例，本领域的技术人员可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或替换都应落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种控制液相离子富集分离的装置，包括：
毛细管，所述毛细管一端连接检测装置，另一端为毛细管进入口；
注射泵，所述注射泵连接毛细管进入口，用于把缓冲液注入所述毛细管进入口；
进样装置，所述进样装置连接毛细管进入口，用于向毛细管进入口输入液相离子样品；
两个以上富集分离电极，所述富集分离电极分布在所述毛细管上，用于向毛细管施加直流电压，通过在所述电极设置可调节直流电压，在电极间形成和所述毛细管中液相离子样品流动方向相同或是相反的电场，调节电场强度和液体流速实现不同液相离子样品的富集和分离。
2.如权利要求1所述的控制液相离子富集分离的装置，其特征在于所述控制液相离子富集分离的装置还包括进样阀，所述注射泵、进样装置通过所述进样阀连接毛细管进入口。
3.如权利要求2所述的控制液相离子富集分离的装置，其特征在于所述进样阀内还设置对进样体积精确控制的定量环。
4.如权利要求1所述的控制液相离子富集分离的装置，其特征在于所述两个以上富集分离电极为四个电极。
5.如权利要求1所述的控制液相离子富集分离的装置，其特征在于所述控制液相离子富集分离的装置还包括多通阀，所述电极通过所述多通阀连接毛细管。
6.如权利要求1所述的控制液相离子富集分离的装置，所述进样装置为进样泵或是进样针。
7.如权利要求1所述的控制液相离子富集分离的装置，所述毛细管为石英毛细管、融硅毛细管、PEEK管路、塑料毛细管或者橡胶毛细管。
8.一种控制液相离子富集分离的方法，其特征在于，包括如下步骤：
开启注射泵，使所述注射泵向毛细管进入口方向注入缓冲液并持续第一时间段；
开启进样装置，向所述毛细管进入口方向以预设的进样流速注入液相离子样品溶液并持续第二时间段；
开启注射泵，使所述注射泵向毛细管进入口方向注入所述缓冲液，推动所述液相离子样品溶液进入所述毛细管内；
在设置在毛细管上的两个以上富集分离电极上设定直流电压，使得所述电极之间形成的电场和所述毛细管中样品的流动方向相同或是相反，达到控制液相离子样品富集和分离的效果。
9.如权利要求8所述的控制液相离子富集分离的方法，其特征在于所述第一时间段为0.01分钟-600分钟，所述缓冲液的流速为0.01μL/min至5000μL/min；所述第二时间段为0.01分钟- 600分钟，所述预设的进样流速为0.1μL/min至5000μL/min。
10.一种控制液相离子富集分离的多电极芯片，包括：基片和盖片，
所述基片上电镀多组交替排列的金电极，形成两个以上富集分离电极；
所述盖片上刻蚀流道形成毛细管，所述毛细管一端连接检测装置，另一端为毛细管进入口；
所述基片与所述盖片键合，使得所述富集分离电极分布在所述毛细管上，用于向所述毛细管施加直流电压。
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