一种硅纳米线芯片及基于硅纳米线芯片的质谱检测五分时时彩方法与流程

文档序号:18631023发布日期:2019-09-06 23:39
一种硅纳米线芯片及基于硅纳米线芯片的质谱检测五分时时彩方法与流程

本发明属于新材料和质谱检测分析五分时时彩方法技术领域,具体涉及一种硅纳米线芯片及基于硅纳米线芯片的质谱检测五分时时彩方法。



背景技术:

生物样本的采集、预处理和检测是分析技术领域中的三个重要环节。与常规分析五分时时彩方法相比,质谱分析具有高准确性、高灵敏度、高涵量的特点,尤其适用于复杂样本中痕量分析物的定性定量分析以及多种分析物的并行分析,在环境分析、食品安全、临床诊断中都发挥着重要作用。其中,以基质辅助激光解吸/电离(MALDI)为基础的五分时时彩方法因其高速、高通量、抗污染性强的特点为复杂样本的快速检测提供了良好的平台。但传统的MALDI质谱分析仍然存在两个缺点,1.所有分析物的MALDI检测均需要加入合适的有机基质用于吸收激光能量辅助解吸离子化,易造成分子量<700Da的小分子检测的严重背景干扰;2.待测样本需要通过“点样”步骤滴加在MALDI靶板上,因此对目标检测物的提取和转移过程仍不可缺少。

具有特殊结构和物理特性的纳米材料,尤其是半导体纳米材料,例如硅材料、金属氧化物、金属硫化物等,是电荷与能量的良好媒介,能够直接用于小分子的表面辅助激光解吸/电离质谱(SALDI-MS)的检测,既代替MALDI中的CHCA等有机基质,减弱热点效应,又可以避免有机基质在低分子量区的信号干扰(<800Da)。专利WO2018126230-A1采用纳米多孔、纳米管和纳米棒等多种纳米结构复合的硅材料基底作为免基质分析的材料,专利WO2015140243-A1在玻璃片上负载一层氧化铟锡(ITO)可在免基质情况下分析复杂生物样本中的分子量高达30-40kDa的包含药物、脂质、代谢物、蛋白等多种分子。尽管多种纳米材料能解决背景干扰问题,但其作用仅限于代替有机基质,传统MALDI中所需要的样品采集与前处理过程仍不可缺少。

涂覆有无机纳米萃取剂或本身即为纳米结构的固相微萃取(SPME)头已广泛用于样品的采集和预浓缩中,并可与GC-MS或LC-MS等分析检测装置相结合,进行目标分子的鉴定和表征。专利CN103055830-A以DNA修饰的氧化石墨烯为SPME头萃取样本中的抗生素用于GC-MS的检测;专利CN103071473-A将SiO2凝胶与碳纳米管包覆于不锈钢内核棒外制备得到SPME头,可应用在环境、食品、药物、生物等领域。将纳米材料同时应用在采样、萃取、富集和SALDI质谱检测中,必然能够简化复杂样本的分析过程,也会增加质谱手段在食品安全、健康管理及临床检测中的应用可行性。

市场需要一种能够同时增强其吸附、萃取功能与电荷转移功能,还能保留有空间异质性的样本的原位信息的多功能取样及质谱分析芯片,本发明解决这样的问题。



技术实现要素:

为解决现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种硅纳米线芯片及基于硅纳米线芯片的质谱检测五分时时彩方法,本发明充分利用硅纳米线芯片的纳米结构特性和半导体特性,将接触式萃取转印和免基质质谱检测集合于一体,大大简化了复杂样本的采集、预处理和检测过程;本发明制造出的硅纳米线芯片能够同时具备吸附、萃取功能与质谱检测功能,还能保留有空间异质性的样本的原位信息。

为了实现上述目标,本发明采用如下的技术方案:

一种硅纳米线芯片,制造过程如下:

步骤一,将单晶硅片经表面洗涤预处理后经过金属辅助刻蚀、碱后刻蚀得到具有尖端的硅纳米线芯片;

步骤二,对硅纳米线芯片进行表面化学或纳米材料修饰,

表面化学修饰包括:氨基修饰,羧基修饰,烷基链修饰;

纳米材料修饰包括:金属纳米颗粒修饰,金属氧化物纳米颗粒修饰,碳纳米材料修饰。

前述的一种硅纳米线芯片,表面有金属纳米颗粒的硅纳米线芯片的制造过程如下:

步骤一,将单晶硅片经表面洗涤预处理后经过金属辅助刻蚀、碱后刻蚀得到具有尖端的硅纳米线芯片;

步骤二,将具有尖端的硅纳米线芯片用酸除表面氧化层后,再在表面涂覆一层金属盐溶液,室温下反应10-30min,洗涤后得到表面有金属纳米颗粒的硅纳米线芯片。

前述的一种硅纳米线芯片,表面有金属氧化物纳米颗粒的硅纳米线芯片的制造过程如下:

步骤一,将单晶硅片经表面洗涤预处理后经过金属辅助刻蚀、碱后刻蚀得到具有尖端的硅纳米线芯片;

步骤二,将经金属辅助刻蚀所得的硅纳米线芯片或经过金属辅助刻蚀与碱后刻蚀的硅纳米线芯片表面用酸除表面氧化层后,旋涂一层金属氧化物前驱体溶液,室温下自然干燥后于450℃条件下高温处理2h,得到表面有金属氧化物纳米颗粒的硅纳米线芯片。

前述的一种硅纳米线芯片,表面有碳纳米材料修饰的硅纳米线芯片的制造过程如下:

步骤一,将单晶硅片经表面洗涤预处理后经过金属辅助刻蚀、碱后刻蚀得到具有尖端的硅纳米线芯片;

步骤二,将经金属辅助刻蚀所得的硅纳米线芯片或经过金属辅助刻蚀与碱后刻蚀的硅纳米线芯片经氧等离子处理暴露表面Si-OH后与端基含氨基的硅氧烷的甲苯溶液在干燥环境下反应10-120min,得到表面带有含烷基链且末端为氨基的硅纳米线芯片;

步骤三,将碳纳米材料的溶液静电吸附于表面带氨基基团的硅纳米线表面,得到表面有碳纳米材料修饰的硅纳米线芯片。

前述的一种硅纳米线芯片,应用于皮肤表面代谢物采样的硅纳米线芯片的制造过程如下:

步骤一,将单晶硅片经表面洗涤预处理后经过金属辅助刻蚀、碱后刻蚀得到具有尖端的硅纳米线芯片;

步骤二,将经金属辅助刻蚀所得的硅纳米线芯片或经过金属辅助刻蚀与碱后刻蚀的硅纳米线芯片经氧等离子处理暴露表面Si-OH后与端基含氨基的硅氧烷或末端无活性基团的硅氧烷的甲苯溶液在干燥环境下反应10-120min,得到表面带有含氨基或含烷基链的硅纳米线芯片。

前述的一种硅纳米线芯片,通过金属辅助化学刻蚀法制备的硅纳米线芯片的纳米线长度为0.5-3μm,线尺寸为50-200nm;碱后刻蚀后的硅纳米线芯片的长度为0.5-3μm,线尺寸在顶端为25-50nm,底部为50-100nm。

一种基于硅纳米线芯片的质谱检测五分时时彩方法,包括如下步骤:

步骤一,制造硅纳米线芯片;

将单晶硅片经表面洗涤预处理后经过金属辅助刻蚀、碱后刻蚀得到具有尖端的硅纳米线芯片;

对硅纳米线芯片进行表面化学或纳米材料修饰,

表面化学修饰包括:氨基修饰,羧基修饰,烷基链修饰;

纳米材料修饰包括:金属纳米颗粒修饰,金属氧化物纳米颗粒修饰,碳纳米材料修饰;

步骤二,硅纳米线芯片质谱性能评估,

在硅纳米线芯片表面滴加标准溶液,在室温下自然干燥,通过碳导电胶将硅纳米线芯片贴于靶板上,于干燥真空环境中保存至质谱检测;

标准溶液包括:靛蓝,苄基吡啶,磷脂酰乙醇胺,磷脂酰胆碱;

在质谱仪器中在相同能量强度条件下检测标准溶液在硅纳米线表面的质谱信号;

比较多个经过各种处理和修饰后的硅纳米线芯片的离子化效率;

在相同能量条件下,以靛蓝、磷脂酰乙醇胺的质谱信号强度最高值所对应的材料为最适宜负离子模式下检测的硅纳米线芯片;

以磷脂酰胆碱的质谱信号强度最高值所对应的材料为最适宜正离子模式下检测的硅纳米线芯片;

以苄基吡啶辅助判断材料的解吸能力;

步骤三,顶端接触取样及原位离子化质谱检测,

将待采样样本进行清洗或擦拭,将硅纳米线芯片无距离接触需要采样的固体表面或浸渍在液体中,采样结束后对芯片进行洗涤,待芯片自然干燥后,完成接触取样过程;将完成取样的硅纳米线芯片固定于靶板槽中,送入质谱仪于相应的反射模式下进行检测。

前述的一种基于硅纳米线芯片的质谱检测五分时时彩方法,步骤三,用于体表汗液检测的顶端接触取样及原位离子化质谱检测,

a,硅纳米线芯片用酒精浸泡过夜,消毒,切割后固定于粘贴条中,于干燥封闭环境中储存备用;

b,在待测者的后颈部位先后用医用酒精和纯净水擦拭干净,后贴上内含有硅纳米线芯片的粘贴条,待硅纳米线芯片接触皮肤表面自动萃取与吸附体表分泌的汗液分子;

c,采样结束,硅纳米线芯片从粘贴条上撕下,用去离子水冲洗除去盐分或用有机溶剂洗涤除去油脂分子,后用氮气吹干,干燥密封保存该芯片;

d,将硅纳米线芯片固定于靶板槽中,送入质谱仪于负离子模式及正离子模式反射模式下进行检测,负离子模式下得到的分子信息多为脂肪酸等分子,正离子模式下得到的多为甘油二酯与甘油三酯。

前述的一种基于硅纳米线芯片的质谱检测五分时时彩方法,步骤三,指纹成像及外源性爆炸物和药物检测的顶端接触取样及原位离子化质谱检测,

a,手指经清水洗涤洁净后自然分泌油脂10-30min;

b,取爆炸物或药物溶液滴加于洁净载玻片上,待其溶剂蒸发后,将手指用力摁压在滴加过爆炸物或药物的载玻片表面保持5-10s;

c,将手指与硅纳米线芯片表面接触10s,留下指纹印记,将硅纳米线芯片经扫描仪扫描得到dpi>600的图像;

d,将硅纳米线芯片固定于靶板槽中,送入质谱仪于负离子反射模式下进行检测,

得到的质谱图包括:指纹中的脂肪酸分子信息,外源性的爆炸物或药物分子信息,

内源性的脂肪酸的分布均匀,能够反映手指的纹路信息,

爆炸物及药物的鉴定可通过质谱图中多个特征峰完成。

前述的一种基于硅纳米线芯片的质谱检测五分时时彩方法,步骤三,用于水果表面农残的顶端接触取样及原位离子化质谱检测,

a,在水果外表皮均匀喷洒浓度为0.01ng/cm2~5000ng/cm2的农药标准溶液,待其溶剂蒸发,得到水果样本;

b,将硅纳米线芯片用手摁压在水果外表皮保持5-60s完成原位采集过程;

c,将硅纳米线芯片固定于靶板槽中,送入质谱仪于负离子反射模式下进行检测,

接触式取样过程既能够采集农药分子信息,也能够采集水果表面的脂肪酸信息;

通过农药梯度浓度的设置和果皮质量的称重,计算果皮表面农药检测限,再与国际上食品中的农药含量浓度的允许浓度进行对比,判断水果表面农药残留是否超标。

前述的一种基于硅纳米线芯片的质谱检测五分时时彩方法,步骤三,用于水体中农残的检测的顶端接触取样及原位离子化质谱检测,

a,取水体中的自然水,离心后取无颗粒状的上清液,向其中标准加入浓度为1ng/mL~1mg/mL的农药标准品,得到水体样本;

b,将硅纳米线芯片浸渍在水体样本中,保持500-1000rpm/min转速震荡10-180s,再将硅纳米线芯片从水样本中取出自然干燥,完成取样过程;

c,将硅纳米线芯片固定于靶板槽中,送入质谱仪于负离子反射模式下进行检测,通过调整取样时间,可得到萃取动力学曲线,控制取样时间,计算农药的检测限。

前述的一种基于硅纳米线芯片的质谱检测五分时时彩方法,步骤三,用于组织样品检测的顶端接触取样及原位离子化质谱检测,

a,从临床外科手术或动物解剖的器官中获取组织样本,裁剪;

b,将硅纳米线芯片切割后,进行接触取样,使芯片能碰到组织表面并使组织具有0.5mm的变形,接触取样时间为取样时间为5s-180s,完成顶端接触取样;

c,采样结束后,用纯水彻底冲洗芯片表面,待其自然干燥后转移至和质谱仪器相匹配的靶板基底,放置于真空干燥环境中保存直至质谱检测;

d,将靶板送入质谱仪,在负离子或正离子反射模式下进行质谱检测,获得组织表面在200-1500Da分子量范围内的代谢分子谱图。

前述的一种基于硅纳米线芯片的质谱检测五分时时彩方法,接触取样获得组织表面各个位置的分子信息的方式包括:通过多个硅纳米线芯片分别取样检测获得,或通过同片硅纳米线芯片同时接触组织表面的各个位置再检测该芯片上各个位点的代谢分子谱。

前述的一种基于硅纳米线芯片的质谱检测五分时时彩方法,若取样的组织为肾组织、脑组织或肺组织,则接触取样时间为30s;若取样的组织为肝组织,则接触取样时间为60s。

本发明的有益之处在于:

本发明的纳米材料接触式取样五分时时彩方法能够在复杂环境的生物样本中快速采集待分析物,尤其对体液、组织等含有大量分子信息的人体样本的多维质谱分析简化了取样和前处理过程,避免任何有毒有害的有机溶剂的参与;

本发明的硅纳米线芯片具备优异的吸附萃取能力,其表面的化学修饰及与金属、金属氧化物、碳纳米材料的复合使其具备对生物样本中的某类分子具有增强萃取的功能,可通过目标分析物的特性进行硅纳米线芯片的选择和优化使用;

本发明的硅纳米线芯片既能作为采样的芯片,有萃取功能,又可以作为质谱基底,有良好的能量吸收和电荷传递功能,市场上的单纯免基质基底一般都是把样品滴加在材料底板上,不好操控,而本发明可以把它先当做采样芯片,再作为质谱检测芯片,这样的话,适用范围也会更广,可以分布式采集,集中式检测。

本发明的硅纳米线芯片具备良好的能量、电荷积累与转移能力,作为一种间接带隙半导体,在激光作用的光电效应下能够促使对位于其顶端的分子有很强的场增强和解吸离子化效率,在控制激光能量的前提下能够控制基底材料的背景不出峰而被分析物出峰,从而实现免基质条件下无背景干扰的小分子高通量质谱检测分析;

本发明的硅纳米线顶端接触取样法能够实现芯片与皮肤、组织等柔性样本接触时保留原位信息,使得外源性及内源性物质能够在二维空间上的分布得以质谱成像显示;

本发明的芯片和质谱检测五分时时彩方法,操作简单,应用范围广,可应用于食品安全、环境检测、刑侦监控、健康管理及临床诊断等重要领域。

附图说明

图1是本发明硅纳米线芯片的扫描电镜图,(A)只经过金属辅助刻蚀的硅纳米线芯片A,(B)经过碱后刻蚀的硅纳米线芯片B,(C)经过石墨烯修饰的硅纳米线芯片C;

图2是本发明表征硅纳米线芯片的解吸离子化效率的分子结构图及代表性质谱图,(A,B)表征电子转移能力的靛蓝,(C,D)表征热积累能力的苄基吡啶,(E,F)表征负离子模式下的磷脂分子的解吸离子化效率的棕榈酸磷脂酰乙醇胺,(G,H)表征正离子模式下的磷脂分子的解吸离子化效率的硬脂酸磷脂酰胆碱(横坐标为质荷比(m/z);纵坐标为归一化后的离子强度,范围0-1);

图3是本发明实验一人体脖颈后方皮肤分泌的汗液质谱图,(A,B)人体在无运动安静状态下贴硅纳米线芯片过夜后芯片表面采集的负离子及正离子模式下的质谱信息,(C,D)人体在运动30min状态下硅纳米线采集的负离子及正离子模式下的质谱信息;(横坐标为质荷比(m/z)纵坐标为质谱仪器中的离子强度);

图4是本发明实验二潜在指纹中的爆炸物三硝基甲苯的质谱图(图4中的三张质谱图对应于图5中虚线圈中的三个点);(横坐标为质荷比(m/z);纵坐标为归一化后的离子强度,范围0-1)

图5是本发明实验二潜在指纹中的爆炸物三硝基甲苯的成像图;

图6是本发明实验二抗生素药物氯霉素的质谱图(图6中的质谱图上方为接触过氯霉素的指纹质谱图,下方为纯氯霉素质谱图),(横坐标为质荷比(m/z);纵坐标为为归一化后的离子强度,范围0-1);

图7是本发明实验二抗生素药物氯霉素的成像图;

图8是本发明实验三农药噻苯咪唑在橙子表面用硅纳米线芯片进行接触式取样示意图;

图9是本发明实验三农药噻苯咪唑在橙子表面用硅纳米线芯片用接触式取样后的原位离子化质谱图,(A),橙子表面喷完噻苯咪唑后未进行清洗,(B)橙子表面喷完噻苯咪唑后用水进行清洗,(C)橙子表面喷完噻苯咪唑用水、洗涤液依次进行清洗(横坐标为质荷比(m/z);纵坐标为质谱仪器中的离子强度);

图10是本发明实验四硅纳米线芯片在水体样本中萃取噻苯咪唑的检测动力学曲线示意图(横坐标为萃取时间,单位:秒(s);纵坐标为信噪比(S/N));

图11是本发明实验四硅纳米线芯片在水体样本中萃取不同浓度的噻苯咪唑的质谱图(横坐标为质荷比(m/z);纵坐标为质谱仪器中的离子强度);

图12是本发明五肾脏组织表面髓质区和皮质区在负离子模式下的质谱图(横坐标为质荷比(m/z);纵坐标为归一化后的离子强度,范围0-1);

图13是本发明实验五长方形硅纳米线芯片接触取样肾脏组织多点检测的示意图;

图14是本发明实验五裸鼠肾脏组织的质谱检测的特征峰在图13中不同点上相对强度的变化趋势图(横坐标为肾脏组织点,纵坐标为归一化后的离子强度,范围0-1);

图15是本发明实验七硅纳米线芯片和硅片在紫外光辐射下的反射率结果图(横坐标为波长,单位:纳米(nm);纵坐标为反射率,单位:百分比(%));

图16为本发明实验七硅纳米线芯片、硅片以及高温氧化的硅纳米线芯片的紫外光辅助下的场致电子发射结果图(横坐标为电场强度,单位:伏特/米(V/m);纵坐标为场发射电流,单位:毫安(mA));

图17为本发明实验七硅纳米线芯片、硅片以及高温氧化的硅纳米线芯片在不同相对激光能量强度下的靛蓝分子总离子强度比较结果图(横坐标为相对激光能量,单位:百分比(%);纵坐标为靛蓝分子在质谱仪器中的离子强度);

图18为本发明实验七硅纳米线芯片和石墨烯复合的硅纳米线芯片在不同相对激光能量强度下的靛蓝分子总离子强度比较结果图(横坐标为相对激光能量,单位:百分比(%);纵坐标为靛蓝分子在质谱仪器中的离子强度)。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

一种硅纳米线芯片,制造过程如下:

步骤一,将单晶硅片经表面洗涤预处理后经过金属辅助刻蚀、碱后刻蚀得到具有尖端的硅纳米线芯片;

单晶硅片的表面洗涤预处理的步骤具体为:在无尘室中利用激光或金刚石刀对p型或n型<100>晶面的单晶硅片进行划片,得到规整的长方形尺寸,一般尺寸为20mm×20mm;使用浓硫酸/过氧化氢混合溶液、丙酮、乙醇、异丙醇、去离子水等进行超声清洗,除去材料表面的有机物、灰尘等。

单晶硅片的金属辅助刻蚀步骤具体为:将表面清洁的单晶硅片浸入含硝酸银和氢氟酸的混合溶液中于室温下刻蚀5-30min,氢氟酸的浓度为4.8mol/L,硝酸银浓度为0.04-0.4mol/L。刻蚀完成后,用去离子水充分洗涤硅片表面,并浸入稀硝酸中浸泡0.5-12h除去硅片表面的银,最终得到亲水性的无修饰的硅纳米线芯片。该纳米线长度为0.5-3μm,线尺寸为50-200nm。

碱后刻蚀步骤具体为:用低浓度氢氟酸乙醇溶液(5%-15%)浸泡经过金属辅助刻蚀的硅纳米线芯片5-30min以除去硅纳米线表面的薄氧化层。除去氧化层的硅纳米线表面为Si-H基团,与低浓度氢氧化钾(0.1-1%质量浓度,溶剂为水:乙醇=9:1)后刻蚀液反应30-180s,得到具有尖端较细的硅纳米线芯片。该硅纳米线的长度为0.5-3μm,线尺寸在顶端为25-50nm,底部为50-100nm。

步骤二,对硅纳米线芯片进行表面化学或纳米材料修饰。

表面化学修饰包括:氨基修饰,羧基修饰,烷基链修饰;

硅纳米线芯片的表面氨基修饰步骤具体为:将经金属辅助刻蚀制备所得的硅纳米线芯片或同时经过金属辅助刻蚀与碱后刻蚀的硅纳米线经氧等离子处理暴露表面Si-OH后与3-氨丙基三乙氧基硅烷的甲苯溶液在干燥无水环境下反应10-120min,3-氨丙基三乙氧基硅烷的体积浓度为1%-5%。反应结束后用甲苯、乙醇依次洗涤,并于110℃环境下固化1h,即可得到表面带有含烷基链且末端为氨基的硅纳米线芯片。

硅纳米线芯片表面羧基修饰步骤具体为:将步骤一中制备得到的硅纳米线经低浓度氢氟酸除表面氧化层后同十一碳烯酸或丙烯酸的甲苯溶液在无氧无水条件下回流反应1-3h,十一碳烯酸或丙烯酸的体积浓度为2%-10%。反应结束后用甲苯、乙醇依次洗涤,即可得到表面带有烷基链且末端为羧基的硅纳米线芯片。

硅纳米线芯片表面烷基链修饰步骤具体为:将步骤一中金属辅助刻蚀制备所得的硅纳米线芯片或同时经过金属辅助刻蚀与碱后刻蚀的硅纳米线经氧等离子处理暴露表面Si-OH后与含不同碳链长度且末端无活性基团的硅氧烷的甲苯溶液在干燥无水环境下反应10-120min,硅氧烷的使用浓度为0.1%-5%。反应结束后用甲苯、乙醇依次洗涤,即可得到表面带有含不同碳链长度的烷基链的硅纳米线芯片。无修饰且表面含Si-OH的硅纳米线为超亲水,经不同碳链长度的硅氧烷表面化学修饰后,其表面亲水性下降,疏水性上升,例如含十八个碳的烷基修饰后为超疏水(接触角>135°)。

纳米材料修饰包括:金属纳米颗粒修饰,金属氧化物纳米颗粒修饰,碳纳米材料修饰。

碳纳米材料修饰包括:石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管、石墨烯量子点等多种结构的碳纳米材料修饰。

作为一种实施例,硅纳米线芯片表面金属纳米颗粒修饰步骤具体为:将步骤一中制备得到的硅纳米线经低浓度氢氟酸除表面氧化层后,表面涂覆一层低浓度金属盐溶液,包括氯金酸、硝酸银、氯化钯等的水或乙醇溶液,在室温下反应10-30min。反应结束后用水或乙醇充分洗涤后得到表面有金属纳米颗粒的硅纳米线芯片。

作为一种实施例,硅纳米线芯片表面金属氧化物纳米颗粒修饰步骤具体为:将步骤一中制备得到的硅纳米线经低浓度氢氟酸除表面氧化层后,表面旋涂一层金属氧化物前驱体溶液,室温下自然干燥后于450℃条件下高温处理2h,得到表面有金属纳米颗粒的硅纳米线芯片。

作为一种实施例,硅纳米线芯片表面碳纳米材料修饰步骤具体为:将步骤二中所制备的经氨基修饰的硅纳米线芯片切割成较小的正方形芯片,例如5mm×5mm;在其表面滴加或均匀旋涂一层的碳纳米材料的溶液,待其干燥,用水冲洗掉未紧密吸附的碳材料,或将硅纳米线芯片浸入的碳纳米材料的溶液中高速震荡5-30min,使表面带负电荷的碳纳米材料静电吸附于表面带氨基基团的硅纳米线表面;以石墨烯为例,将质量分数浓度为0.1-1%浓度的氧化石墨烯溶液(溶剂为水/乙醇=1:1)滴加2μL于5mm×5mm的硅纳米线芯片表面,待其干燥,于70-90℃的水合肼气体氛围中反应0.5-3h。反应结束冷却至常温,硅纳米线芯片用去离子水洗涤除未吸附紧密的石墨烯,即可得到表面修饰有不同还原程度的还原氧化石墨烯(即石墨烯)的硅纳米线芯片。硅纳米线芯片表面的石墨烯薄膜呈网络状结构,不影响硅纳米线的纳米结构。

应用于皮肤或组织表面代谢物采样的硅纳米线芯片的制造过程如下:

步骤一,将单晶硅片经表面洗涤预处理后经过金属辅助刻蚀、碱后刻蚀得到具有尖端的硅纳米线芯片;

步骤二,将经金属辅助刻蚀所得的硅纳米线芯片或经过金属辅助刻蚀与碱后刻蚀的硅纳米线芯片经氧等离子处理暴露表面Si-OH后与3-氨丙基三乙氧基硅烷或十八烷基三氯硅烷的甲苯溶液在干燥环境下反应10-120min,洗涤后于110℃环境下固化1h,得到表面带有含氨基的烷基链或不含氨基的烷基链的硅纳米线芯片;

一种基于硅纳米线芯片的质谱检测五分时时彩方法,包括如下步骤:

步骤一,制造硅纳米线芯片;

将单晶硅片经表面洗涤预处理后经过金属辅助化学刻蚀、碱后刻蚀得到具有尖端的硅纳米线芯片;

对硅纳米线芯片进行表面化学或纳米材料修饰,

表面化学修饰包括:氨基修饰,羧基修饰,烷基链修饰;

纳米材料修饰包括:金属纳米颗粒修饰,金属氧化物纳米颗粒修饰,石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管、石墨烯量子点等碳纳米材料修饰;

步骤二,硅纳米线芯片质谱性能评估,

在一定大小的硅纳米线芯片表面滴加标准溶液,在室温下自然干燥,通过碳导电胶将硅纳米线芯片贴于靶板上,于干燥真空环境中保存至质谱检测;

标准溶液包括:靛蓝,苄基吡啶,磷脂酰乙醇胺,磷脂酰胆碱;

在质谱仪器中在相同能量强度条件下检测标准溶液在硅纳米线表面的质谱信号;

评估结果:以只进行金属辅助化学刻蚀法制备的硅纳米线为对照,其他经过碱后刻蚀、纳米材料修饰的硅纳米线上能够提高标准溶液的质谱信号至两倍以上的材料为优化成功的硅纳米线芯片。

原位离子化质谱检测五分时时彩方法的性能评估五分时时彩方法的具体步骤如下:

1)以靛蓝、苄基吡啶及目标分析物纯品为分析对象,在相同能量强度条件下检测其在硅纳米线表面的质谱信号。分析比较不同结构、不同表面修饰的硅纳米线的电子转移能力(靛蓝)、热解吸能力(苄基吡啶)及对于目标分析物的灵敏度差异。靛蓝在负离子模式下进行检测,分子离子峰包含M-2,M-1,M,M+1四个峰,苄基吡啶在正离子模式下进行检测,其主要以M+和[M-79]+两峰存在。目标分子根据分子极性选择正负离子模式。

2)以实际汗液样本、模型动物组织样本为分析对象,在相同能量强度下检测其在硅纳米线表面的质谱信号强度与信息量。分析比较不同结构、不同表面修饰的硅纳米线经过顶端接触取样及芯片上原位离子化过程的综合效率。将硅纳米线进行高温氧化处理可衡量其电子转移作用在分析实际复杂样本时起的作用。

需要说明的是:步骤1)和2)中的质谱检测均在无有机小分子基质的情况下进行。

步骤三,顶端接触取样及原位离子化质谱检测,

将待采样样本进行清洗或擦拭,将硅纳米线芯片无距离接触需要采样的固体表面或浸渍在液体中,采样结束后对芯片进行洗涤,待芯片自然干燥后,完成接触取样过程;将完成取样的硅纳米线芯片固定于靶板槽中,送入质谱仪于相应的反射模式下进行检测。

作为一种实施例,对体表汗液的接触取样步骤具体为:用于汗液分泌小分子的接触取样的硅纳米线芯片固定于小型创可贴中,贴附在后颈、手臂等易于分泌汗液的部分。需收集汗液的部位需先分别用医用酒精与去离子水擦拭干净,再将附着有硅纳米线芯片的创可贴平整贴在皮肤表面一段时间。结束采样后,硅纳米线芯片根据需要经过或不经过去离子水洗涤,干燥后用于质谱检测。

作为一种实施例,对皮肤表面残留爆炸物和药物的接触取样步骤具体为:手指经清水洗涤洁净后自然分泌油脂10-30min,爆炸物或药物以溶液状或粉末状置于洁净载玻片上。而后将手指用力摁压在爆炸物或药物的溶液或粉末表面保持5-10s,再将该手指通过短时间轻摁压(10s左右)的方式在硅纳米线芯片表面留下指纹印记,完成取样。

作为一种实施例,对果蔬表面和水体样本中的农药的接触取样步骤具体为:在水果或蔬菜外表皮喷洒一定浓度的农药标准溶液,待其溶剂蒸发后,将硅纳米线芯片手动或机械臂带动下摁压在不经处理或经过洗涤处理的水果外表皮保持5-60s完成该原位采集过程。取自池塘或湖泊的自然水中标准加入一定浓度的农药标准品,2mm×2mm的硅纳米线芯片浸渍在该水体样本中,保持一定转速震荡10-180s。将硅纳米线芯片从水样本中取出自然干燥,完成该取样过程。

作为一种实施例,对组织表面脂质代谢物的接触取样步骤具体为:将无血污染已解冻的组织样本水平放置在取样台上,切割成一定大小(例如2.5mm×2.5mm)的硅纳米线芯片固定在可程序操控的机械臂下方,设定一定的高度、移动速度和摁压时间后,控制硅纳米线芯片顶端与组织表面紧密接触取样。取样结束,取下硅纳米线芯片用去离子水充分洗涤超过10s,待其干燥即可用于正离子和负离子模式下的质谱检测。

以下通过制造出表面有碳纳米材料修饰的硅纳米线芯片进行芯片的性能和效果验证实验;

需要说明的是:以下虽然只验证了石墨烯复合的硅纳米线芯片的效果,但是氧化石墨烯、碳纳米管、石墨烯量子点等均具有紫外光能量吸收能力和提高电荷传递的功能,因此通过其他碳纳米材料复合得到硅纳米线芯片也同样具有相同的性能和效果。

一、实验材料制备过程:

硅纳米线芯片的制备和石墨烯修饰过程如下;

1)将经过洗涤与清洁的单晶硅片浸入含AgNO3(0.04-0.4mol/L)和HF(4.8mol/L)的混合溶液中于室温下刻蚀5-30min。刻蚀完成后,用去离子水充分洗涤,并浸入稀硝酸(HNO3与H2O体积比为1:1)中浸泡0.5-12h除去硅片表面的银,得到亲水性的无修饰的硅纳米线芯片A。

2)用低浓度氢氟酸乙醇溶液(5%-15%)浸泡1)中的硅纳米线芯片A5-30min以除去其表面的薄氧化层。与低浓度氢氧化钾(0.1-1%质量浓度,溶剂为水:乙醇=9:1)后刻蚀液反应30-180s,得到具有尖端较细的硅纳米线芯片B。

3)2)中的硅纳米线芯片B经氧等离子处理暴露表面Si-OH后与1%-5%的3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)甲苯溶液在干燥无水环境下反应10-120min,反应结束后用甲苯、乙醇依次洗涤,并于110℃环境下固化1h,即可得到表面为烷基链且末端为氨基的硅纳米线芯片B。

4)将质量分数浓度为0.1-1%浓度的氧化石墨烯溶液(溶剂为水/乙醇=1:1)滴加2μL于5mm×5mm的末端为氨基的硅纳米线芯片B表面,待其干燥,于70-90℃的水合肼气体氛围中反应0.5-3h。反应结束冷却至常温,硅纳米线芯片用去离子水洗涤除未吸附紧密的石墨烯,即可得到表面修饰有不同还原程度的还原氧化石墨烯(即石墨烯)的硅纳米线芯片C。硅纳米线芯片表面的石墨烯薄膜呈网络状结构。附图1为硅纳米线芯片A、B、C的扫描电镜图。

二、硅纳米线芯片质谱性能评估;

1)在进行实际样本的顶端接触式取样及原位离子化质谱检测前,需对硅纳米线芯片的质谱性能进行评估。其评估内容包括其电荷转移能力、解吸效率以及对目标分子的综合检测能力。靛蓝分子为良好的多步电子受体,为表征电荷转移能力的模型分子,苄基吡啶离子为常用质谱温度计,其信号强弱代表材料的解吸能力。若为检测汗液或者组织表面的脂肪酸和脂质分子,则以磷脂酰乙醇胺和磷脂酰胆碱为分析标准品。附图2为以上四种分析标准品的分子结构及其在硅纳米线芯片上的代表性谱图。

2)分析标准品根据需要用50%乙醇溶液配制成0.001-1mg/mL溶液。取2-5μL滴加于硅纳米线芯片表面,在室温下自然干燥,通过碳导电胶将硅纳米线芯片贴于靶板上,于干燥真空环境中保存至质谱检测。

3)在质谱仪器中相同能量强度条件下检测模型分子或分析标准品在硅纳米线表面的质谱信号。分析比较不同结构、不同表面修饰的硅纳米线的电子转移能力、热积累能力及对于目标分析物的灵敏度差异。靛蓝分子在负离子模式下进行检测,其分子离子峰包含M-2,M-1,M,M+1四个峰,苄基吡啶离子在正离子模式下进行检测,其主要以M+和[M-79]+两峰存在。目标分子根据分子极性选择正负离子模式,磷脂酰乙醇胺倾向于得到电子或失去质子,在负离子模式下检测,磷脂酰胆碱倾向于得到质子或加和碱金属离子,在正离子检测模式下检测。

三、采集与检测;

实验一,顶端接触取样及原位离子化质谱检测用于体表汗液的原位采集和检测;

1)硅纳米线芯片用75%的酒精浸泡过夜,在紫外灯下消毒超过12小时,并切割成较小正方形片状(2mm×2mm),片固定于小型创可贴中,于干燥封闭环境中储存备用;

2)志愿者的后颈部位先后用75%医用酒精和纯净水擦拭干净,后贴上内含有硅纳米线芯片的创可贴。志愿者依次进行中等强度的运动30-60min、安静无运动睡眠期6-9h,期间硅纳米线芯片接触皮肤表面自动萃取与吸附体表分泌的汗液分子。

3)采样结束,硅纳米线芯片从创可贴敷料内部撕下,用去离子水充分冲洗除去氯化钠等盐分,若需测定葡萄糖等水溶性小分子且排除大量油脂分子的干扰,可用有机溶剂进行适当洗涤。后用氮气吹干,干燥密封保存该芯片。

4)将硅纳米线芯片固定于靶板槽中,送入质谱仪于负离子模式及正离子模式反射模式下进行检测。负离子模式下得到的分子信息多为脂肪酸等分子,正离子模式下得到的多为甘油二酯与甘油三酯等信息。安静状态下与运动状态下进行比较,后者明显能够产生更多的代谢分子,如附图3所示。

实验二,顶端接触取样及原位离子化质谱检测用于指纹成像及外源性爆炸物和药物检测

1)手指经清水洗涤洁净后自然分泌油脂10-30min。

2)取10-20μL1mg/mL三硝基甲苯(TNT)的50%甲醇溶液或0.5mg/mL氯霉素(CAP)的50%甲醇溶液滴加于洁净载玻片上,待其溶剂蒸发后,将手指用力摁压在滴加过爆炸物或药物的载玻片表面保持5-10s。

3)将该手指通过摁压的方式与硅纳米线芯片表面接触10s,留下指纹印记。该硅纳米线芯片正面经扫描仪扫描得到dpi>600的图像。

4)将硅纳米线芯片固定于靶板槽中,送入质谱仪于负离子反射模式下进行检测,借助于成像软件选择一定的分子量范围进行芯片表面的二维成像。如附图4-7所示,得到的质谱图既包含指纹中的脂肪酸(软脂酸,C16:0,m/z=253.2)分子,又包括外源性的TNT(m/z=227.0)或CAP(m/z=322.4)分子信息。内源性的脂肪酸的分布较为均匀,能够反映手指的纹路信息,而TNT和CAP因为在摁压载玻片时其分布不均匀,最后粘附在手指表面存在一定的不均性。TNT因存在光致电子转移诱导地碎裂,其存在多个特征峰m/z=197,210,226等,可以对其在手指表面的存在进行鉴定和验证。

实验三,顶端接触取样及原位离子化质谱检测用于水果表面农残的检测;

1)在水果外表皮均匀喷洒浓度为0.01ng/cm2~5000ng/cm2的噻苯咪唑、抑霉唑等农药标准溶液,待其溶剂蒸发后,水果样本可(a)不经任何操作、(b)用清水洗涤或(c)用清水和洗涤剂依次清洗等操作后自然晾干后用于后续采样过程。

2)将尺寸为2mm×5mm的硅纳米线芯片用手摁压在水果外表皮保持5-60s完成原位采集过程,如图8所示。

3)将硅纳米线芯片固定于靶板槽中,送入质谱仪于负离子反射模式下进行检测,结果如附图9所示。接触式取样过程既能够采集农药分子信息,也能够采集水果表面的脂肪酸信息(m/z=227,255,283等),但后者不干扰农药分子的检测。未经洗涤的果皮表面检测到的噻苯咪唑质谱强度最高,经过清水洗涤和经过清水/洗涤液依次洗涤的果皮表面检测到的噻苯咪唑信号依次减弱,但仍旧存在。通过农药梯度浓度的设置和果皮质量的称重,可计算该五分时时彩方法的果皮表面噻苯咪唑农药检测限在0.1-0.2μg/kg,低于国际上食品中的农药含量浓度的允许浓度(1-10mg/kg)。

实验四,顶端接触取样及原位离子化质谱检测用于水体中农残的检测;

1)取自池塘或湖泊的自然水,离心后取无颗粒状的上清液,向其中标准加入浓度为1ng/mL~1mg/mL的噻苯咪唑、抑霉唑等标准品。

2)将硅纳米线芯片切割成2mm×2mm大小,浸渍在上述水体样本中,保持500-1000rpm/min转速震荡10-180s。其后硅纳米线芯片从水样本中取出自然干燥,即完成该取样过程。

3)将硅纳米线芯片固定于靶板槽中,送入质谱仪于负离子反射模式下进行检测,结果如附图10-11所示。通过调整取样时间,可得到萃取动力学曲线。控制一定的取样时间,可计算该五分时时彩方法检测噻苯咪唑的检测限低于1ng/mL。

实验五,顶端接触取样及原位离子化质谱检测用于组织表面代谢物检测及成像,以及硅纳米线芯片在与组织的接触取样过程中能够保留原位空间信息的效果验证;

1)将无血污染已解冻的裸鼠肾脏组织样本水平放置在取样台上,切割成2mm×2mm大小或较长的如2mm×6mm的硅纳米线芯片固定在可程序操控的机械臂下方,设定一定的高度、移动速度和摁压时间后,控制硅纳米线芯片顶端与组织表面紧密接触取样,较小的硅纳米线芯片可单独取样肾脏组织中髓质区域或皮质区域,长条形的硅纳米线芯片可同时取样肾脏组织中的皮质区域与髓质区域。

2)取样结束,取下硅纳米线芯片用去离子水充分洗涤以除去表面盐分或共吸附蛋白,待其干燥后放置于真空干燥环境中保存。

3)将硅纳米线芯片固定于靶板槽中,送入质谱仪于负离子反射模式下进行检测。

肾脏组织表面的皮质区和髓质区的代谢分子谱图如附图12-14所示。

使用硅纳米线芯片主动摁压肾脏组织实现多点检测(附图13)时,可以发现部分峰从髓质到皮质的相对强度的变化过程(附图14)。m/z=776.5,778.5,885.5,888.5,892.5等峰在皮质中有较高的信号,而在髓质区显示较低的信号,且与附图12所示的单点检测结果一致,体现硅纳米线芯片在与组织的接触取样过程中能够保留原位空间信息。

实验六,顶端接触取样及原位离子化质谱检测用于组织表面代谢物检测的接触取样时间优选实验;

1)将取自裸鼠的脑、肾、肝、肺等组织样品从-80℃超低温冰箱中取出,置于室温下解冻,并适当切开,使内表面暴露出来。

将硅纳米线芯片切割后,使芯片能碰到组织表面并使组织产生一定的变形,接触取样时间为5s-180s,完成顶端接触取样;作为一种优选,芯片碰到组织表面并使组织具有0.5mm的变形;

2)取样结束,取下硅纳米线芯片用去离子水充分洗涤以除去表面盐分或共吸附蛋白,待其干燥后放置于真空干燥环境中保存。

3)将硅纳米线芯片固定于靶板槽中,送入质谱仪于负离子反射模式下进行检测。统计各种组织的代谢分子谱图中的信号最强的峰在不同接触取样时间下的离子强度,根据最强的离子强度对应的接触取样时间为最佳接触取样时间;实验结果如表1所示,

表1

结果分析:如表1所示,不同的接触取样时间同样会影响所得的脂质谱图的信号强度。以取自小鼠的脑、肾、肝、肺这四种组织为例,若取样的组织为肾组织、脑组织或肺组织,最佳接触取样时间为30s;若取样的组织为肝组织,则最佳接触取样时间为60s。

实验七,实验验证硅纳米线芯片具备良好的能量吸收积累与电子转移能力;

硅纳米线芯片的能量吸收积累能力主要通过芯片对紫外光的反射率进行评价,电子转移能力主要通过场发射实验和质谱检测靛蓝模型分子的总离子强度进行评价。

1)将硅纳米线芯片和硅片分别固定在用于测定固体表面反射率的积分球装置上,将紫外光光源通过输入光纤将光以入射角为8°照射至样品表面。来自样品的反射光被积分球均匀地散射,并通过光谱仪收集该信号。以未刻蚀的硅片接收到的消光信号设定为100%的反射率,经刻蚀的硅纳米线芯片的反射率根据其消光信号与硅片的信号的比值计算得到。附图15为以未刻蚀的硅片为100%反射率的背景对照下,通过金属辅助化学刻蚀的硅纳米线(SiNWs-1)和通过金属辅助化学刻蚀和碱后刻蚀得到的硅纳米线(SiNWs-2)在紫外区的反射率结果图,显示二者均有较强的紫外光能量吸收积累作用,反射率均小于30%。

2)将硅纳米线芯片作为负电极,ITO玻璃作为正电极,固定于聚四氟乙烯空腔内。刻蚀有纳米线阵列的芯片与ITO正面相对,中间边缘位置用厚度为100μm的黑色胶带相隔离。用紫外光光源固定在ITO玻璃的顶部并且可以直接照射在硅纳米线芯片的表面。将真空泵与腔室相连接以保持真空环境。在两电极之间施加从0~500 V的偏压扫描,用皮安表实时测量电流值,并实时记录。为证明材料半导体性质对硅纳米线电子发射能力的影响,在800℃下热处理20min后硅纳米线以及未刻蚀的硅片也用于场发射。附图16为该场发射结果图,表明在相同的电场环境下,硅纳米线在紫外光和外加电场的情况下具有很强的电子发射能力,其电子发射能力明显高于硅片5倍以上。而经高温氧化处理的硅纳米线则因为失去半导体特性而不能发生电子发射。

3)分别测定靛蓝分子在硅纳米线芯片、硅片以及经过高温氧化处理后的硅纳米线芯片上的负离子模式下的质谱信号并计算其总离子强度。靛蓝分子的总离子强度可以用于评价材料基底的电子转移能力。如附图17所示,对于电导率相同的硅材料,具有纳米结构的硅纳米线上检测到的离子强度远高于未蚀刻的硅片上的总离子强度,同时经过碱后刻蚀的硅纳米线芯片相较于没有经过碱后刻蚀的硅纳米线芯片表现出更高的模型分子信号和更低的能量阈值,在任何相对激光能量强度条件下,两者的靛蓝分子的总离子强度比值均超过2倍,表明带有尖端的纳米线可以促进电子转移过程。而靛蓝的离子信号在经过热氧化处理的材料基底上,强度会大大下降,体现出电子转移过程受阻碍的过程。

4)分别测定靛蓝分子在硅纳米线芯片和表面复合有石墨烯的硅纳米线芯片上的负离子模式下的质谱信号并计算其总离子强度。如附图18所示,复合芯片与硅纳米线芯片相比能够在任意相对激光能量强度条件下获得高于2倍的靛蓝分子总离子强度值,表明硅纳米线-纳米碳复合芯片更优异的电子转移能力。

综上的实验可知,本发明的硅纳米线芯片既能作为采样的芯片,有萃取功能,又可以作为质谱基底,有良好的能量吸收和电荷传递功能,市场上的单纯免基质基底一般都是把样品滴加在材料底板上,不好操控,而本发明可以把它先当做采样芯片,再作为质谱检测芯片,这样的话,适用范围也会更广,可以分布式采集,集中式检测。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解,上述实施例不以任何形式限制本发明,凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案,均落在本发明的保护范围内。

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