厦门大学张博课题组微纳色谱新进展：面向纳升电喷雾质谱的高通量微纳制造棒喷针技术

作为当前主流的组学分析技术，高分辨纳升液相色谱-质谱联用（nanoLC-ESI-MS）已被广泛应用于各类微纳生物样品的分析鉴定；而近年来单细胞多组学、工业化组学等领域的快速发展，也在灵敏度、强健性、重现性和检测通量等方面对nanoLC-ESI-MS系统提出了更高要求。作为样品电离和质谱进样的关键部件，纳升电喷雾电离源会对分析结果产生决定性影响，因此开发具有更高电离效率和稳健性的高质量纳喷针至关重要。已有研究表明，具有多重喷嘴的喷针能利用分流将液相样品高效转化为质谱可检测的气相离子，从而增强灵敏度，如多喷针阵列（Richard Smith et al.）、由微结构光纤转化的多通道喷针（Oleschuk et al.）、微制造的M3喷针（NEW OMICS）等。但是，如何实现纳升电喷雾喷针的高质量、高重现、高通量和低成本制造，以满足微纳样品的高灵敏、高重现、高通量分析，仍然是亟待解决的难题。

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），结合液滴微流控方法和溶胶凝胶化学，发展了一种可高通量制造的多孔棒喷针。利用嵌套的石英毛细管和三通连接件搭建了毛细管液滴微流控装置（图1）。以硅溶胶为分散相，正十六烷为连续相，在两相流体的交界处，硅溶胶被切割形成液段，随后经相分离、凝胶化和煅烧形成具一定机械强度的硅棒（图2a），将其封装到毛细管内即可组装成多孔棒喷针。硅棒内交错着众多孔道（孔径1-2 μm)，能对流经微棒的流体分流，细化喷液液滴，有助于提高样品的电离效率（图2b-d）。相较于其他多重喷针方案，基于微流控制造的多孔棒喷针策略具有材料易得、平台易搭、步骤简单、成功率高等优点，且制备的棒喷针尺寸高度一致（RSD<8%，图3）、制造通量极高（3600根/小时），有望用于大样本系列的高通量分析。

图1. 液滴微流控方法制造多孔棒喷针的示意图

图2. 多孔棒喷针的形貌学与孔结构表征: (a) 基于液滴微流控制备的微米棒的光学显微镜图像; (b) 微米棒多孔结构的扫描电子显微镜表征; (c) 孔径Local Thickness分析; (d) 多孔棒喷针增强电离效率的原理示意图

图3. 不同直径(D)和长度(L)的硅棒

研究中，通过电喷雾特性曲线的比较，展示了棒喷针具有更为显著的稳定锥-射阶段（图4a），即相对于传统锥形喷针，棒喷针能在更宽的电压范围内维持稳定的电离平衡，这有助于在较长时间的程序内抵抗微扰，稳定运行。相对于锥形喷针，棒喷针的锥-射阶段离子电流增强了2.3倍，表明电离效率显著提高。电离效率的增强程度受微棒孔径影响（图4b），孔径越大提升越显著，因为越大的孔径越有利于孔道的贯通和形成数量更多的有效分流通道。棒喷针具有良好的重现性，日内、日间和制造批次间的离子电流RSD值分别为1.9%、4.9%和6.1%（图4c）。

图4. 棒喷针的电喷雾性能: (a) 棒喷针和锥形喷针电喷雾电流与施加电压的关系; (b) 使用不同孔径的棒喷针电离50% ACN+0.1 HAc获得的电喷雾电流; (c) 棒喷针的日内、日间和批间重现性; (d) 阿米替林(1 μM)、(e) 血管紧张素II  (10 μM) 和 (f) 细胞色素C (10 μM) 的质谱图

棒喷针能够广泛应用于小分子、多肽和大分子蛋白等各类分析对象，且均表现出了增强的电离效率。对于1 μM药物小分子阿米替林，棒喷针的信号值比锥形喷针增强约17倍；对于多肽和整体蛋白，信号增强倍数则普遍为2-3倍（图4d-f）。在电喷过程中还观察到棒喷针的喷雾羽流更为聚焦（图5），这意味着气相离子向质谱入口传输过程的损失更少。棒喷针还展示出更高的灵敏度和更宽的动态线性范围（图6），展现了其对于含量低、丰度差异大的蛋白组学样品的应用潜力。

图5. 棒喷针的电喷雾羽流(a)和喷射斑(b)，与锥形喷针的电喷雾羽流(c)和喷射斑(d)

图6. 阿米替林的动态线性范围曲线

该工作近日发表于Analytical Chemistry，厦门大学曾巨星博士、博士生孙楷越和硕士生陈诗怡为论文的共同第一作者，通讯作者为张博副教授，安徽皖仪科技张鑫博士和厦门宜柱科技王晓飞博士提供了技术支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

A Microfluidic-Fabricated Rod Sprayer for Nanoelectrospray Mass Spectrometry

Juxing Zeng,^† Kaiyue Sun,^† Shiyi Chen,^† Xin Zhang, Xiaofei Wang, and Bo Zhang*

Anal. Chem., 2024, DOI: 10.1021/acs.analchem.3c05695

导师介绍

张博

https://www.x-mol.com/university/faculty/14163