一种基于微流控限域合成的多孔纳喷雾电喷针制造

由纳升电喷雾电离源（nanoESI）连接的纳流液相色谱-质谱联用技术，是解析微纳生物样本不可或缺的分离分析平台。当前，小样本和大队列的分析需求为纳升电喷雾电离带来了巨大挑战：纳喷雾电喷针不仅应具有高电离效率和宽动态范围以应对数量有限、丰度差异较大的微纳生物样品，还应具有长期运行稳定性，或是电喷针在受损时能被快速、低成本地替换，并保持一致的电喷雾性能。

纳喷针尖端的细微结构直接决定了电离质量，因此实现微纳尺度上的材料精准制造至关重要。液滴微流控技术作为微纳材料合成的强大平台，能够在限域空间内精准调控材料形貌、化学组成和孔道结构，并实现微纳器件的高通量、高精度、高重现制造，这使得高质量纳喷针的高通量制备成为了可能。

据麦姆斯咨询报道，近期，厦门大学化学化工学院张博课题组在前期微纳色谱系列工作基础上（Anal. Chem. 2022, 94, 8126-8131; Anal. Chem. 2021, 93, 8450-8458; Anal.Chem. 2020, 92, 5286-5293; Anal. Chem. 2007, 79,  9229-9233），发展了一种微流控限域合成与溶胶凝胶化学结合的多孔棒喷针制造技术，实现了具有贯通大孔结构的棒喷针高通量制造，并在此基础上发现棒喷针的多孔性质能够显著增强分析灵敏度，展现了其用于微纳生物样品分析的巨大潜力。相关研究工作以“A Microfluidic-Fabricated Rod Sprayer forNanoelectrospray Mass Spectrometry”为题发表在国际化学著名期刊Analytical Chemistry上，并被选为当期封面文章。

图1 基于微流控限域合成策略制造多孔棒喷针示意图

新型多孔纳喷针采用毛细管液滴微流控装置限域合成，仅利用简单易得的石英毛细管和三通连接件即可构建具有共轴流构型的毛细管微流控装置，而无需精密的微加工设备、超净环境或复杂的组装过程，非常适合用于大规模制造。采用正十六烷切割硅溶胶的体系，收集切割形成的液段，再经凝胶化和煅烧得到具有连续大孔结构的硅棒，最后将其封装于毛细管中组装成纳喷针（图1）。得益于微流控平台的高效和稳定，该方法能以3600根/小时的制造通量，得到尺寸高度一致的多孔微棒（图2）。

图2 微流控限域合成制备的尺寸高度一致的多孔微棒

由多孔微棒组装而成的棒喷针具有多重喷嘴，可将液体分流成多个微小流路，产生更小的带电液滴，以此提高电离效率（图3）。通过对离子电流-电压关系的研究，发现棒喷针在宽电压范围（2.6-3.2 kV）内表现出高度稳定的电喷雾性能，相较于传统的商品锥喷针，电离产生离子电流提高了2.3倍（图4a）。这种电离增强的效果受到孔径大小的影响，孔径越大则棒体越通透，多孔喷针的分流效应更显著（图4b）。优异的日内、日间和批间重现性表明该棒喷针的高度稳定性（图4c）；即使在高盐浓度环境中工作1小时，离子电流也仅在2.3%范围内波动，展现了棒喷针的强健性。

图3 多孔喷针的微观结构表征和电离效率提高示意图

对基于微流控限域合成的多孔棒喷针进行了测试，发现使用棒喷针电离阿米替林、血管紧张素II和细胞色素C，分别获得了提高17倍、3倍和2倍的增强信号；而更多的小分子、多肽和蛋白测试结果也表明棒喷针的增敏策略可普遍适用于各类分析对象。在定量分析方面，相较于锥形喷针，棒喷针也具有更优异的性能，其测得阿米替林的动态线性范围可跨越4个数量级，检测限低至0.17 nmol/L。更高灵敏和更宽动态检测的优势将有利于棒喷针在丰度差异巨大的微纳生物分析中发挥作用。

图4 多孔棒喷针具有优异的电离效率、稳定性和重现性

综上所述，该研究工作发展了一种基于微流控限域合成的多孔纳喷雾电喷针，并展示了其高质量、高重现、低成本的制造能力。凭借着通孔结构和多重喷雾的特性，棒状喷针对小分子药物、多肽和完整蛋白质的电离效率提高了2-17倍，线性动态范围可跨越4个数量级。作为高质量的液质联用接口，多孔棒喷针有望进一步与高分辨分离技术进行结合，从而在微纳生物样品的高灵敏、高分辨分析中发挥应用潜力。

论文链接： https://doi.org/10.1021/acs.analchem.3c05695 


 

审核编辑：刘清