由納升電噴霧電離源（nanoESI）連接的納流液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)，是解析微納生物樣本不可或缺的分離分析平臺。當(dāng)前，小樣本和大隊列的分析需求為納升電噴霧電離帶來了巨大挑戰(zhàn)：納噴霧電噴針不僅應(yīng)具有高電離效率和寬動態(tài)范圍以應(yīng)對數(shù)量有限、豐度差異較大的微納生物樣品，還應(yīng)具有長期運行穩(wěn)定性，或是電噴針在受損時能被快速、低成本地替換，并保持一致的電噴霧性能。

納噴針尖端的細微結(jié)構(gòu)直接決定了電離質(zhì)量，因此實現(xiàn)微納尺度上的材料精準制造至關(guān)重要。液滴微流控技術(shù)作為微納材料合成的強大平臺，能夠在限域空間內(nèi)精準調(diào)控材料形貌、化學(xué)組成和孔道結(jié)構(gòu)，并實現(xiàn)微納器件的高通量、高精度、高重現(xiàn)制造，這使得高質(zhì)量納噴針的高通量制備成為了可能。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院張博課題組在前期微納色譜系列工作基礎(chǔ)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），發(fā)展了一種微流控限域合成與溶膠凝膠化學(xué)結(jié)合的多孔棒噴針制造技術(shù)，實現(xiàn)了具有貫通大孔結(jié)構(gòu)的棒噴針高通量制造，并在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)棒噴針的多孔性質(zhì)能夠顯著增強分析靈敏度，展現(xiàn)了其用于微納生物樣品分析的巨大潛力。相關(guān)研究工作以“A Microfluidic-Fabricated Rod Sprayer forNanoelectrospray Mass Spectrometry”為題發(fā)表在國際化學(xué)著名期刊Analytical Chemistry上，并被選為當(dāng)期封面文章。

圖1 基于微流控限域合成策略制造多孔棒噴針示意圖

新型多孔納噴針采用毛細管液滴微流控裝置限域合成，僅利用簡單易得的石英毛細管和三通連接件即可構(gòu)建具有共軸流構(gòu)型的毛細管微流控裝置，而無需精密的微加工設(shè)備、超凈環(huán)境或復(fù)雜的組裝過程，非常適合用于大規(guī)模制造。采用正十六烷切割硅溶膠的體系，收集切割形成的液段，再經(jīng)凝膠化和煅燒得到具有連續(xù)大孔結(jié)構(gòu)的硅棒，最后將其封裝于毛細管中組裝成納噴針（圖1）。得益于微流控平臺的高效和穩(wěn)定，該方法能以3600根/小時的制造通量，得到尺寸高度一致的多孔微棒（圖2）。

圖2 微流控限域合成制備的尺寸高度一致的多孔微棒

由多孔微棒組裝而成的棒噴針具有多重噴嘴，可將液體分流成多個微小流路，產(chǎn)生更小的帶電液滴，以此提高電離效率（圖3）。通過對離子電流-電壓關(guān)系的研究，發(fā)現(xiàn)棒噴針在寬電壓范圍（2.6-3.2 kV）內(nèi)表現(xiàn)出高度穩(wěn)定的電噴霧性能，相較于傳統(tǒng)的商品錐噴針，電離產(chǎn)生離子電流提高了2.3倍（圖4a）。這種電離增強的效果受到孔徑大小的影響，孔徑越大則棒體越通透，多孔噴針的分流效應(yīng)更顯著（圖4b）。優(yōu)異的日內(nèi)、日間和批間重現(xiàn)性表明該棒噴針的高度穩(wěn)定性（圖4c）；即使在高鹽濃度環(huán)境中工作1小時，離子電流也僅在2.3%范圍內(nèi)波動，展現(xiàn)了棒噴針的強健性。

圖3 多孔噴針的微觀結(jié)構(gòu)表征和電離效率提高示意圖

對基于微流控限域合成的多孔棒噴針進行了測試，發(fā)現(xiàn)使用棒噴針電離阿米替林、血管緊張素II和細胞色素C，分別獲得了提高17倍、3倍和2倍的增強信號；而更多的小分子、多肽和蛋白測試結(jié)果也表明棒噴針的增敏策略可普遍適用于各類分析對象。在定量分析方面，相較于錐形噴針，棒噴針也具有更優(yōu)異的性能，其測得阿米替林的動態(tài)線性范圍可跨越4個數(shù)量級，檢測限低至0.17 nmol/L。更高靈敏和更寬動態(tài)檢測的優(yōu)勢將有利于棒噴針在豐度差異巨大的微納生物分析中發(fā)揮作用。

圖4 多孔棒噴針具有優(yōu)異的電離效率、穩(wěn)定性和重現(xiàn)性

綜上所述，該研究工作發(fā)展了一種基于微流控限域合成的多孔納噴霧電噴針，并展示了其高質(zhì)量、高重現(xiàn)、低成本的制造能力。憑借著通孔結(jié)構(gòu)和多重噴霧的特性，棒狀噴針對小分子藥物、多肽和完整蛋白質(zhì)的電離效率提高了2-17倍，線性動態(tài)范圍可跨越4個數(shù)量級。作為高質(zhì)量的液質(zhì)聯(lián)用接口，多孔棒噴針有望進一步與高分辨分離技術(shù)進行結(jié)合，從而在微納生物樣品的高靈敏、高分辨分析中發(fā)揮應(yīng)用潛力。

論文鏈接： https://doi.org/10.1021/acs.analchem.3c05695