一種微流控電噴霧芯片器件及制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及電噴霧器件，特別是作為質譜分析儀器離子源的電噴霧器件；本發明的器件涉及微流控芯片技術或者微流體芯片技術；本發明的器件的制作技術涉及微加工技術、微電子微機械加工技術，具體為一種微流控電噴霧芯片器件及制作方法。
【背景技術】
[0002]電噴霧通常是液體在強電場力作用下，在管狀的噴針口形成泰勒錐，錐尖噴射出微小帶電液滴。電噴霧技術作為一種主要的離子源，被廣泛用于質譜分析中，是液相色譜質譜連用分析技術的重要組成部分，在生物大分子的分析和研究中，起到了關鍵的作用。電噴霧作為連接液相色譜和質譜的離子源，按照流速的大小分為毫升級(流速在毫升/分鐘量級)、微升級(流速在微升/分鐘量級)和納升級(流速在納升/分鐘量級)三種。毫升級電噴霧用于毫米直徑的大色譜柱液相色譜與質譜連用的分析系統，如傳統的4.6毫米直徑色譜柱。微升級電噴霧一般用于直徑小于I毫米和大于100微米的色譜柱系統。納升級電噴霧用于直徑小于100微米的色譜柱系統。納升級電噴霧由于流速極小，可以用很小的噴針，在電場力作用下直接噴出，高效地把待檢測分子氣化和離子化。微升和毫升級電噴霧由于流速較大，需要較大的噴針，噴出的液滴直徑也比較大，氣化和離子化效率低，所以需要輔助氣流。通用的方法是圍繞噴針加上均勻和同軸的噴射氣流，Hen1n等人(美國專利號4861988)，在電噴霧針外面套一個同軸的套管，噴針略微伸出于套管之外，氣流通過噴針與套管的間隙噴射出來形成輔助氣流，以提高電噴霧氣化和離子化效率，同時也極大地提高電噴霧的重復性和穩定性。這種帶輔助氣流的電噴霧技術得到了市場的檢驗和最廣泛的應用，一直是連接液相色譜與質譜的標準技術。
[0003]在Hen1n等人發明的技術中，一個電勢被加在液體上，另一個電勢加在離電噴霧針一個距離的電極上，這兩個電勢之差在噴針口處產生一個電場，液體從針管中流出，在電場力作用下形成電噴霧；氣體從噴針與套管的間隙噴射出來，幫助電噴霧產生的液滴氣化和液滴中待測分子離子化。近年來技術發展的一個重要方向是用微加工技術在芯片上制作電噴霧器件。其中一個原因是液相色譜的微型化和集成化，也就是把液相色譜系統做到一個芯片里面，這需要與之配套的芯片電噴霧離子源。另一個原因是芯片電噴霧離子源能夠把多個噴針制作到芯片上一個很小的區域上，使芯片離子源具有高的離子化效率和靈敏度，同時還能夠用于更大流速的色譜和質譜分析系統。
[0004]已公開的電噴霧芯片離子源多用微加工技術制作。Moon等人用微電子微機械技術(MENS)制作電噴霧芯片(美國專利US6800202 B2)。他們用一個單片的硅片，通過等離子刻蝕技術在硅片上刻蝕穿孔和在硅片上形成電噴霧噴針。Staats用微注塑成型技術制作基于塑料材料的電噴霧芯片(美國專利US6800849 B2)，用激光微加工形成芯片的穿孔和電噴霧噴嘴。這些電噴霧芯片都不能在噴針處加輔助氣流，它們都只是納升級電噴霧器件。但是，市場上絕大部分需求是大流速的微升級和毫升級電噴霧，芯片電噴霧有待向更大的流速和更穩定的性能方向發展。Rossier等人(美國專利US7265348 B2)把電噴霧噴嘴做在芯片的邊沿上，并在芯片中做一個導氣的溝道把輔助氣流引入到噴嘴處。Li等人(美國專利申請Pub.N0.: US2007/0257190 Al )也把電噴霧噴嘴做在芯片的邊沿上，并在芯片中做了兩個導氣的溝道把噴射氣流對稱地引入到噴嘴處的左右兩邊。他們這種引入輔助氣流的方法，與市場上通用的已經被驗證的方法不同。市場上使用的方法是輔助氣流緊貼電噴霧噴針并且均勻地環繞噴針同軸噴射出來(Hen1n等人的美國專利號4861988)，實踐證明，這樣的輔助氣流在幫助電噴霧氣化的同時，又使電噴霧更加重復和穩定。已有的電噴霧芯片器件中的氣流不是均勻地環繞電噴霧噴針，很容易導致不穩定的電噴霧。Brekenfeld等人(美國專利申請Pub.N0.: US2014/0284406 Al)的芯片電噴霧的噴針垂直于芯片，液體從芯片的一面流入，在電場力作用下從芯片的另一面的噴針口噴出；在環繞噴針處的芯片上有幾個穿孔，氣體從孔中噴射出來形成輔助氣流。這同樣不能形成均勻環繞電噴霧噴針的氣流。這樣的結構還使得氣流不能夠緊貼著電噴霧噴針，氣流對電噴霧的剪切輔助作用減小。
【發明內容】
[0005]針對已有的電噴霧芯片器件存在的缺陷，本發明提供了一種微流控電噴霧芯片器件及制作方法，其提供緊貼電噴霧噴針的更加均勻的輔助氣流，用獨特的電極結構保證噴針器件的電噴霧均勻性，克服了不均勻性問題，制作方法方便地實現電噴霧芯片器件的制作。
[0006]本發明是用微加工技術制作的微流控芯片或者叫做微流體芯片，實現電噴霧功能。芯片包含提供氣體流路的微流控芯片(以下簡稱氣體芯片)和提供液體流路的微流控芯片(以下簡稱液體芯片)，兩部分芯片鍵合而成微流控電噴霧芯片
技術方案是這樣的:一種微流控電噴霧芯片器件，其包括相互鍵合的液體芯片和氣體芯片，所述液體芯片在與所述氣體芯片鍵合的一面上設置有電噴霧噴針、另一面上開有與所述電噴霧噴針流體相通的進液孔，所述氣體芯片表面覆蓋介電質薄膜，所述氣體芯片上開有出氣穿孔和凹槽，所述電噴霧噴針套于所述出氣穿孔內，所述電噴霧噴針與所述出氣穿孔的內壁之間留有間隙，所述凹槽一端連通所述出氣穿孔、另一端連通設置于所述液體芯片或氣體芯片或兩芯片界面上的進氣孔，所述進氣孔是位于所述液體芯片與所述氣體芯片鍵合后的邊沿由鍵合而在界面形成的孔，或者是所述液體芯片上的一個穿孔，或者是所述氣體芯片上的一個穿孔，所述液體芯片上設置有第一電極結構，所述氣體芯片上設置有第二電極結構，第二電極結構的電極位置要離所述液體芯片中的液體足夠遠以防空氣電擊穿，一個電勢通過第二電極結構加在氣體芯片上。
[0007]優選的，所述液體芯片包括相互大致平行的進液面和出液面，所述大致平行指進液面與出液面的夾角在O度到30度，所述進液孔設置于所述進液面，所述電噴霧噴針設置于所述出液面，所述電噴霧噴針的噴口為出液口，所述電噴霧噴針為大致垂直于所述出液面的管狀噴針，所述大致垂直指所述電噴霧噴針與所述出液面成90度± 10度夾角，所述管狀電噴霧噴針由圍繞出液口的一個區域沿垂直于所述液體芯片的方向刻蝕形成。上述大致平行和大致垂直中，相互平行和相互垂直為最佳方案。
[0008]優選的，所述氣體芯片包括相互大致平行的進氣面和出氣面，所述大致平行指進氣面與出氣面的夾角在O度到30度，所述氣體芯片的進氣面與所述液體芯片相互鍵合，所述出氣穿孔垂直于所述進氣面和出氣面，所述大致垂直指所述出氣穿孔與所述進氣面成90度±10度夾角，所述進氣面上刻蝕有所述凹槽。上述大致平行和大致垂直中，相互平行和相互垂直為最佳方案。
[0009]優選的，管狀的所述電噴霧噴針外徑小于所述出氣穿孔的內徑，所述電噴霧噴針與所述出氣穿孔同軸布置，所述電噴霧噴針穿過所述出氣穿孔、且電噴霧噴針的噴口外露于所述出氣穿孔。
[0010]優選的，所述液體芯片與所述氣體芯片鍵合使所述液體芯片上的所述電噴霧噴針套入所述氣體芯片的出氣穿孔中、并且使所述氣體芯片上的凹槽形成連接所述出氣穿孔與所述進氣孔的氣體通道。
[0011]更優選的，所述進氣孔位于所述液體芯片與所述氣體芯片鍵合后的邊沿，或者為所述液體芯片上的一個穿孔，或者為所述氣體芯片上的一個穿孔，氣體在壓力作用下從所述進氣孔流入，經過所述氣體通道從所述電噴霧噴針與所述出氣穿孔內壁之間的間隙流出，形成電噴霧的輔助氣流。
[0012]優選的，所說液體芯片上的第一電極結構給進入所述液體芯片的液體加上一個電勢，所述第一電極結構是由導電芯片材料制成的液體芯片本身，或者是置于由絕緣芯片材料制成的液體芯片的表面上位于所述進液孔處的導電薄膜，或者是置于表面覆蓋介電質薄膜的所述液體芯片的表面上位于所述進液孔處的導電薄膜，或者是置于液體進入所述進液孔之前的流路中與液體接觸的導電體。
[0013]優選的，所述氣體芯片材料為電的導體或半導體，所述氣體芯片表面覆蓋有電絕緣的介電質薄膜，所述第二電極結構設置于去掉所述介電質薄膜的氣體芯片上并與所述氣體芯片導電接觸。
[0014]優選的，在所述微流控電噴霧芯片的電噴霧噴針一側、距離所述電噴霧噴針的噴頭一定距離處設置有第三電極結構；第三電極結構可以是質譜儀器的采樣進氣口。
[0015]上述所述的液體芯片和氣體芯片鍵合，是指用任何方法把兩個芯片結合在一起，可以是用芯片表面之間的原子鍵結合、用焊接方式結合、用粘結劑粘合等；具體方法可以是但不限于是陽極鍵合、金硅共熔鍵合、硅/玻璃靜電鍵合、硅/硅直接鍵合、玻璃焊料燒結鍵合以及粘結劑鍵合。
[0016]所述電噴霧噴針穿過所述出氣穿孔并且有一段伸出出