提升纸喷雾质谱分析性能的纸芯片研究

Paper spray mass spectrometry (PS-MS) is the simplest ambient mass spectrometric technique used for the fast qualitative and quantitative analysis of the analytes in complex biological samples, body fluids, cell cultures, and bacteria. As the mechanism of paper spray ionization is similar to that of electrospray ionization (ESI), the problems existed in ESI, ionization suppression, salt effect and electrical discharge in negative mode, also cannot be ignored in PS-MS. Therefore, solving these problems will improve the analytical performance of PS-MS effectively. In this project, microfluidic paper-based analytical devices (µPADs) for enhanced analytical performance of paper-spray mass spectrometry will be studied. After constructing microfluidic channels by etching process and functionally modifying with fluorine affinity, multi-urea, and hydrophobicity, different functions such as removing interferences and enriching target components, will be integrated in a µPAD. The µPAD used as substrate of PS-MS will solve the problems of ionization suppression, salt effect and electrical discharge. Constructing a series of functional paper-based chips for paper spray mass spectrometry by optimizing the relevant design and layout. In addition, stable isotope-coded derivatization method will be used for PS-MS quantitative analyses. These methods will be applicable to the analysis of urine, blood and natural products.

纸喷雾质谱(PS-MS)是最为简便的敞开式质谱方法，已被用于体液、细胞培养物、细菌等复杂生物样品的快速定性和定量分析。由于纸喷雾离子化与电喷雾离子化原理类似，电喷雾中的离子化抑制、盐效应、负离子化电晕放电等问题在纸喷雾离子化过程中同样存在，因此，有效解决这些问题是提升纸喷雾质谱性能的关键。本课题拟对适合于纸喷雾质谱的纸芯片开展研究，针对尿、血等生物样品及天然产物基质复杂的特性，通过刻蚀法在纸上形成具有一定结构的亲/疏水微细通道网络，并对纸基进行疏水边缘修饰、多脲基修饰、全氟修饰等区域选择性功能化修饰，实现样品干扰成分的去除和目标成分的富集，达到减小纸喷雾质谱中基质的离子化抑制、盐效应、负离子化电晕放电等目的。优化相关设计及芯片布局，形成系列适用于纸喷雾质谱的功能化纸基芯片，结合同位素编码衍生法进行定量，建立尿样、血样和天然产物中相关成分的纸芯片质谱准确定量分析方法。

针对纸喷雾质谱存在的离子化抑制、盐效应、负离子化电晕放电、背景干扰严重和对极性化合物具有强吸附作用等问题，通过对用于纸喷雾质谱分离和进样的纸芯片进行研究，对纸芯片表面进行改性和亲疏水通道构筑，有效提升了纸喷雾质谱的抗干扰能力、检测精密度和灵敏度。设计了流程短、功能区明确、可有效利用纸喷雾施加电压产生的液体电驱动作用的纸芯片，采用硅烷化试剂先将纸基进行疏水修饰，再采用酸刻蚀法、光刻蚀法和等离子体刻蚀法等进行亲水重构，制作了多种二维（2D）和三维（3D）纸芯片，对浸润深度、浸润速率、通道动态分辨率、图案化效果和稳定性进行考察。最小亲水通道宽度和最小疏水坝宽度均为1±0.1 mm，通道边界清晰可辨，为后续采用纸芯片质谱分离分析研究提供了分离和进样载体；利用纸基纤维素上丰富的羟基，研究了全氟烷基、脲基、糖基和金属盐四类功能化修饰方法，考察了不同功能团修饰后纸基的吸附条件和选择性，结合质谱分析，建立了复杂基质中全氟化合、银杏内酯、糖类化合物等的高选择性、快速、灵敏的PS-MS分析方法；对纸芯片上区域选择性功能基修饰方法进行了研究，形成了集溶液驱动、选择性富集、净化及纸喷雾质谱检测于一体的纸喷雾质谱纸芯片和敞开式质谱纸芯片，建立了丁酸、银杏酸、葡萄糖等基于纸芯片分离，结合敞开式质谱检测的分析方法；针对同位素内标合成困难、商用同位素内标价格昂贵、难以获得的问题，采用同位素编码衍生方法，利用乙醛/氘代乙醛、碘甲烷/氘代碘甲烷分别对伯胺类、仲胺类和叔胺类等分析物进行同时轻型和重型衍生，采用重型衍生物做内标，建立了伯胺类、仲胺类和叔胺类等分析物的快速纸喷雾质谱分析方法，实现了分析物的准确定量。. 发表研究论文18篇，获得授权国家发明专利4项，培养博士生2名、硕士研究生15名。