专利名称：用于微射流芯片的自动电喷射的机器人自动取样机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种机器人自动取样机。这种机器人自动取样机可用于微射流芯片的自动操作，此微射流芯片具有多个与检测装置如质谱仪接口的电喷射装置和/或样品入口。可将多个样品传送到电喷射装置中以进行电喷射，并且传送系统的任一部分不会同时接触超过一个样品，因而消除了交叉污染。这种装置还可用于与电喷射装置的控制电压的连接，以促进带电微滴和离子的激励、控制和引导。
背景技术：
蛋白质鉴定、药物发现和药物研究中的当前趋势对分析技术产生了新的需求。例如，在致力于鉴定新的药物目标和鉴定疾病状态的标示中，使用质谱仪来鉴定已知的和序列未知的蛋白质正经历快速的发展。试图标出整个有机体(蛋白体)内的所有蛋白质的特征是过去十年由基因组排序研究所导致的自然进展，但它甚至可能是更艰巨的任务。其中一个的原因是蛋白质可能会经历大量不同的转译后变型。这些变型如磷酸化、糖基化、乙酰化和泛醌化(ubiquitination)可能发生在蛋白质上的几处位置上，这极大地提高了蛋白质的可能形式的数量，并通常会改变蛋白质的生物功能。因此，除了蛋白质在酶消化之后的例行鉴定之外，当前蛋白体研究的大部分工作都致力于确定所关注的蛋白质上的氨基酸变型的位置和类型。
毫微级电喷射质谱分析是确定并标出低丰度蛋白质特征的可选方法。这种技术由Wilm和Mann在Int.J.Mass Spectrom，Ion Processes136167-180(1994)以及在Anal.Chem.681-8(1996)的文章中进行了研究，其在结合少量样品消耗的情况下提供了较高灵敏度的分析，从而提供了较长的数据采集时间和对珍贵样品的多次实验。例如，5μL的样品在100nL/min的流速下预期可持续50分钟。这允许分析人员在质谱仪上进行多次实验，随后数据库搜索可能的蛋白质鉴定，或者鉴定失败，进行蛋白质重新排序的附加实验。迄今为止，进行毫微级电喷射质谱分析的工艺涉及单独地拔出毛细管尖头的人工操作。这些尖头的制备费时，而且在需要将样品传送到新的尖头上时，由于尖头阻塞而产生了困难。
药物发现和研究中的当前趋势也对分析技术产生了新的需求。例如，通常采用组合化学技术来发现新的铅化合物，或制造铅化合物的变体。组合化学技术可以在相对较短的时间(数天到数周左右)内产生数千种化合物(组合库)。以及时有效的方式测试如此大量化合物的生物活性需要很高处理能力的筛选方法，其可快速地评估各种侯选化合物的特征。
组合库及其所包含的化合物的质量用于评估生物筛选数据的有效性。确认对各化合物所鉴定的正确分子量或化合物的统计相关数量以及化合物纯度的测量是评价组合库质量的两个重要方面。通过从各插孔中取出部分溶液并将此内容物注射到分离装置、例如与质谱仪相连的液相色谱仪或毛细管电泳仪中，就可以分析化合物的特征。
对于这些新的目标，可行的筛选方法的研究通常取决于快速分离的可行性和用于分析化验结果的分析技术。例如，化验候选药物的潜在的有毒代谢物需要鉴定候选药物及其代谢物。关于新化合物如何吸收到人体内及其如何代谢的知识使得可以预计增强疗效或缺乏疗效的可能性。
由于每天都生产出大量的新化合物，因此正在研究用于药物发现的鉴定具有潜在疗效的分子的改进系统。为了快速分析大量的样品，已经研制出了基于微芯片的分离装置。与其它的传统分离装置相比，这些基于微芯片的分离装置具有较高的样品处理能力、较少的样品和反应剂消耗，以及较少的化学废物。对于大多数应用来说，基于微芯片的分离装置的液流速度的范围在大约1-500nL/min。基于微芯片的分离装置的例子包括在Harrison等人于Science261859-97(1997)；Jacobson等人于Anal.Chem.661114-18(1994)；Jacobson等人于Anal.Chem.662369-73(1994)；Kutter等人于Anal.Chem.695165-71(1997)以及He等人于Aaal.Chem.703790-97(1998)的文章中所提出的用于毛细管电泳分析(“CE”)、毛细管电色谱分析(“CEC”)和高性能液相色谱分析(“HPLC”)的装置。与其它的传统分析仪器相比，这种分离装置能够快速地进行分析，并提供较高的精度和可靠性。
目前正在设计更快且更灵敏的系统来提供高处理能力的对目标化合物反应的筛选和鉴定，以鉴别潜在的药物试验对象。这种改良系统的例子包括在2000年12月22日提交的题为“多个电喷射装置、系统和方法”的美国专利申请No.09/748518和2001年1月18日提交的题为“分离媒介、多个电喷射喷嘴系统和方法”的美国专利申请No.09/764698中所公开的装置，它们均通过引用而完整地结合于本文中。
这种装置所提供的较传统技术更有利的可能的阵列尺寸、高处理能力和速度提高都可通过对这些装置进行适当的自动化来得到提高。这样就需要具有多个与检测装置如质谱仪接口的电喷射装置和/或样品分离入口的微射流芯片能进行自动操作。
发明概要本发明涉及一种机器人取样机，包括探针滑座，其可在样品源和电喷射芯片的固定器之间运动，并包括流体传送探针，该探针可从样品源中接受样品并将样品排放至芯片固定器上；电喷射芯片的固定器；和对准机构，其可使探针和芯片固定器对准，并使芯片固定器和检测器对准。
本发明的另一方面允许流体传送探针旋转90度，使其可探寻到多个样品，这些样品例如位于具有96个或384个插孔的样品托盘中，以及位于样品加载装置如吸移管尖头、注射器尖头或毛细管的阵列中。内部注射泵通过产生部分真空而增强了将样品吸入到尖头/毛细管内的能力。这样，本发明就可以连续地选取密封在电喷射装置背面上的一次性尖头内的样品，这样，不仅可使电喷射技术完全自动化，而且可使样品传送也完全自动化。对于各样品均使用新的尖头/毛细管以及电喷射喷嘴，这就保证了样品之间不存在交叉污染。
本发明的另一方面涉及一种电压探针，其安装在流体传送探针上并与之电绝缘。
本发明的另一方面涉及安装在芯片固定器上的电喷射芯片。
本发明的另一方面涉及与电喷射芯片电喷射地相联系的检测器。此检测器可以是质谱仪装置。
本发明的另一方面涉及用于自动地操作与检测器相联系的多个电喷射的方法，其包括提供如上所述的机器人自动取样机，从至少一个电喷射芯片上的电喷射装置中电喷射出至少一种分析物，并操作与检测器相联系的电喷射芯片，从而检测电喷射中的分析物。
本发明的另一方面涉及用于自动地操作多个样品以产生与检测器相联系的多个电喷射的方法，包括提供机器人自动取样机，其被编程以使尖头与流体传送探针相接合，为尖头加载含有至少一种分析物的样品，传送已加载样品的尖头以使其与包括至少一个电喷射装置的电喷射芯片相联系，电喷射所述至少一种分析物，丢弃用过的尖头，使另一尖头与探针相接合，重复加载、传送和电喷射的循环；使尖头接合在自动取样机的探针上；在探针的尖头上加载含有至少一种分析物的样品；
将所述至少一种分析物传送到电喷射芯片上的至少一个电喷射装置中；从电喷射芯片上的至少一个电喷射装置中电喷射出所述至少一种分析物；操作与检测器相联系的电喷射芯片，以便检测电喷射中的分析物；和重复接合、加载、传送和电喷射的循环。
附图简介
图1是根据本发明的一个实施例的机器人自动取样机从其一侧看去的透视图，其中探针滑座组件处于寻找芯片的位置；图2是机器人自动取样机从其一侧看去的局部透视图，其中探针滑座组件处于旋转位置；图3是机器人自动取样机从其一侧看去的透视图，其中探针滑座组件处于寻找样品的位置；图4是机器人自动取样机从其另一侧看去的透视图，显示了探针滑座的凸轮轨道；图5是机器人自动取样机取掉一部分之后从其另一侧看去的透视图，显示了探针滑座的凸轮轨道；图6是探针滑座组件的截面图；图7是与尖头顶出组件接合的探针滑座组件的透视图；图8是机器人自动取样机从其另一侧看去的局部透视图，显示了芯片固定器组件；图9是机器人自动取样机的另一实施例的部分剖开的局部透视图，显示了芯片固定器组件和平台调节组件；图10是机器人自动取样机的某些部件的相对运动能力的透视图；图11是通过流体探针对流体施加电压的截面图12是通过使电压探针与电喷射离子化(“ESI”)芯片的导电表面相接触来对流体施加电压的截面图；图13是芯片电路的顶视平面图，其中电压可同时单独地施加到任何数目的单个或成组的电喷射装置上；图14是具有电极的电喷射离子化芯片的截面图，其中电压可同时施加到芯片的所有电喷射装置上；图15是为芯片提供电压的电喷射离子化芯片的固定器的截面图；图16A是具有环形电极的电喷射离子化芯片的截面图；图16B是具有表面电极的电喷射离子化芯片的截面图；和图16C是具有堆叠电极的电喷射离子化芯片的截面图。
发明的详细介绍本发明涉及一种具有流体传送探针滑座的机器人自动取样机，其可与吸移管尖头相接合，将样品加载到吸移管尖头内，并使加载了样品的吸移管尖头探针与电喷射装置相联系。作为选择，吸移管尖头可以预加载样品。电喷射芯片放置成与可分析所喷射的分析物样品的检测装置相联系。探针滑座包括注射泵，其通过气密连接与探针相连。探针滑座从样品托盘中取走样品，在吸移管尖头上加载样品，并将样品从吸移管尖头喷射到芯片上。在一个实施例中，自动取样机为芯片提供电流。自动取样机将样品电喷射到检测装置如质谱仪中。在喷射之后，丢弃使用过的吸移管尖头，并选取新的吸移管尖头以开始另一循环。自动取样机包括吸移管尖头托盘和样品托盘，吸移管尖头托盘可夹持多个吸移管尖头，而样品托盘包含多个样品。在另一实施例中，自动取样机包括吸移管尖头托盘，其中吸移管尖头预加载了样品。芯片固定器安装在自动取样机上，其将芯片放置成与检测装置相联系。
本发明还涉及到一种自动地操作与检测器相联系的多个电喷射的方法，包括提供一种机器人自动取样机，其可与探针尖头相接合，为尖头加载样品并将样品传送到电喷射芯片上；将至少一种分析物从电喷射芯片上的至少一个电喷射装置中电喷射出；操作与检测器相联系的电喷射芯片，以检测电喷射中的分析物。作为选择，相接合的探针尖头可预加载样品。
参见图1-5，在这一具体示例中，自动取样机1包括带有沿Z轴延伸并与芯片固定器4相邻的托架3的壳体2、包括有尖头17的吸移管托盘5，以及包括有样品插孔18的样品托盘6。带有三个部分的轨道7沿着托架3的上部延伸，然而轨道7的这些部分的数目是可变的。导辊12可旋转地安装在从托架3中延伸出来的轴10上。可旋转的驱动轴9与探针滑座的电动机11相连。驱动辊8安装在驱动轴9上。皮带14安装在导辊12和驱动辊8上，并沿着Z轴延伸。探针滑座的电动机11与驱动轴9相连，并根据探针滑座15的所需运动而在两个方向上使驱动轴9旋转。
探针滑座15包括探针滑座的驱动系统(未示出)，其带有凸轮从动件16，然而探针滑座的驱动系统也可以包括其它和/或不同的部件。凸轮从动件16从探针滑座15中延伸出来并处于轨道7内，以便可沿轨道7运动。探针滑座的驱动系统例如通过皮带扣与皮带14相连，以便使探针滑座15沿Z轴运动。
探针滑座15还包括与探针齿条31相连的探针30，如图6所示。虽然在本实施例中仅显示了一个探针，然而可通过类似的方式在探针滑座上安装多个探针。探针齿条31包括与探针驱动齿轮34的齿33啮合的齿32。探针驱动齿轮34安装在与探针电动机36相连的可旋转的驱动轴35上。探针电动机36与驱动轴35相连，并根据探针30的所需运动而在两个方向上使驱动轴35旋转。探针30包括中空管37，其在一端通过第一止动环39并在另一端通过弹簧40而可滑动地固定在圆柱形探针隔离件38中，弹簧40围绕着管37并在探针隔离件38和第二止动环41之间延伸，并可在相反的方向上拉紧中空管37。尖头17连接在探针30的装有弹簧的端部上，其可以是吸移管尖头或其它尖头。探针端部42成形为可插入并连接在尖头17的一端上。软管43通过压力配合44而连接在中空管37的另一端44上，以便形成气密密封。软管的另一端连接到可在管内提供部分真空的注射泵(未示出)上，并连接到可调节的压力调节器46上，从而提供正压力以喷出样品。这种注射泵和压力调节器46通过两个阀而与软管相连，可以促动阀以在注射泵和压力调节器46之间切换。
注射泵可以包括任意数量的可买到的注射泵。本领域内已知的适于实施本发明的传统注射泵包括吸移管管理器，其通过移动活塞以增大体积而产生部分真空，因此减小了压力，从而使液体被吸入到尖头内，还包括那些在“小体积吸移操作”，T.W.AstieJournal of theAssociation of Laboratory Automation(JALA)，Vol.3，No.3，1998中所介绍的注射泵，其通过引用而完整地结合于本文中。
如图3-5所示，在此示例中，轨道7的第一部分60靠近吸移管托盘5和样品托盘6。作为选择，吸移管托盘5可包括预加载了样品110的吸移管17，并且第一部分60靠近包括有预加载尖头的吸移管托盘5。注射泵或其它液泵可提供流体以将样品传送到芯片上。轨道7的第一部分60形成了平行于Z轴的直线。如图1，4和5所示，轨道7的第三部分61靠近芯片固定器4，并且形成了平行于Z轴的直线。轨道7的第二部分62处于第一部分60和第三部分61之间。第二部分62在Z-Y平面内形成了一个90°的弧。凸轮从动件16与探针滑座15相连，其在探针滑座15沿轨道7的第一部分60移动时使探针30保持与Y轴平行，而在探针滑座15沿轨道7的第三部分61移动时使探针30保持与Z轴平行。当探针滑座15沿轨道7的第二部分62移动时，凸轮从动件16在Z-Y平面内通过一个90°的弧，以使探针30在平行于Z轴的位置和平行于Y轴的位置之间变换。
样品托盘6可滑动地安装在自动取样机的壳体2中的一对支撑轴63上。样品托盘6包括多个样品插孔18，例如标准的96个插孔的样品板或384个插孔的样品板。导辊(未示出)旋转地安装在从壳体2中延伸出的轴(未示出)上。可旋转的驱动轴(未示出)与样品托盘的电动机(未示出)相连。驱动辊(未示出)安装在驱动轴上。皮带(未示出)安装在导辊和驱动辊上并沿X轴延伸。样品托盘电动机与驱动轴相连，并根据样品托盘6的所需运动而在两个方向上使驱动轴旋转。样品托盘6包括样品托盘的驱动系统(未示出)，然而其也可包括其它和/或不同的部件。样品托盘的驱动系统例如通过皮带扣与皮带相连，以便使样品托盘沿X轴移动。
吸移管尖头托盘5可滑动地安装在自动取样机壳体2中的一对支撑轴64上。吸移管尖头托盘5包括多个吸移管尖头17，例如标准的96个吸移管尖头的托盘。导辊(未示出)可旋转地安装在从壳体2中延伸出的轴(未示出)上。可旋转的驱动轴(未示出)与吸移管尖头托盘的电动机(未示出)相连。驱动辊(未示出)安装在驱动轴上。皮带(未示出)安装在导辊和驱动辊上并沿X轴延伸。吸移管尖头托盘的电动机与驱动轴相连，并根据吸移管尖头托盘5的所需运动而在两个方向上使驱动轴旋转。吸移管尖头托盘5包括吸移管尖头托盘的驱动系统(未示出)，然而其也可包括其它和/或不同的部件。吸移管尖头的驱动系统例如通过皮带扣而与皮带相连，以便使样品托盘沿X轴移动。
如图7所示，顶出板70与样品托盘6相连并靠近轨道7。顶出板70具有V形叉槽71，其在促动时可与探针30的吸移管尖头17相接合。叉槽71的叉齿72沿Z轴定位，并在促动探针电动机36时垂直于探针30的运行方向。
如图8所示，电喷射芯片80安装在芯片固定器4上。芯片固定器4通过一对支撑轴81而可滑动地安装在芯片固定器壳体82上。导辊83可旋转地安装在从芯片固定器壳体82中延伸出的轴84上。可旋转的驱动轴85与芯片固定器的电动机86相连。驱动辊87安装在驱动轴85上。皮带88安装在导辊83和驱动辊87上并沿Y轴延伸。芯片固定器的电动机86与驱动轴85相连，并根据芯片固定器4的所需运动而在两个方向上使驱动轴85旋转。芯片固定器4包括芯片固定器的驱动系统(未示出)，然而其也可包括其它和/或不同的部件。芯片固定器的驱动系统例如通过皮带扣而与皮带88相连，以便使芯片固定器沿Y轴移动。
如图2和8所示，芯片固定器壳体82可滑动地安装在自动取样机壳体2的一对支撑轴100上。导辊101旋转地安装在从芯片固定器壳体82中延伸出的轴102上。可旋转的驱动轴(未示出)与芯片固定器壳体的电动机103相连。驱动辊(未示出)安装在驱动轴上。皮带104安装在导辊101和驱动辊上并沿X轴延伸。芯片固定器壳体的电动机103与驱动轴相连，并根据芯片固定器壳体82的所需运动而在两个方向上使驱动轴旋转。芯片固定器壳体82包括芯片固定器壳体的驱动系统(未示出)，然而其也可包括其它和/或不同的部件。芯片固定器壳体的驱动系统例如通过皮带扣而与皮带104相连，以便使芯片固定器壳体82沿X轴移动。
芯片固定器和芯片固定器壳体的电动机最好具有小于10微米的分辨率。整体对准精度最好超过40微米。处于这一误差范围内的吸移管尖头通常是买不到的。在这种情况下，最好需要一种对准机构来校正可能会超过优选规定范围的吸移管尖头的误差限值。适当的对准机构包括可将尖头末端移动到正确位置上的机械装置。对准机构(未示出)安装在托架3上并处于芯片固定器4和探针滑座15之间。这种对准机构是在尖头平行于Z轴时相对于尖头中心而定位的板中的孔，用于校正尖头的任何制造误差。
芯片固定器4、芯片固定器壳体82、探针30、探针滑座15、吸移管尖头托盘5、托架3和样品托盘6的系统均安装在自动取样机的壳体2内，并通过齿条-齿轮连接(未示出)而与电动机(未示出)相连，以便根据芯片80相对于检测器111的所需位置而使该系统沿X轴移动，无须移动自动取样机设备1的外壳112。这种系统还通过齿条-齿轮连接而与电动机(未示出)相连，以便根据芯片80相对于检测器111的所需位置而使该系统沿Y轴移动，无须移动自动取样机设备1的外壳112，如图10所示。
如图1所示，汇编控制系统120通过电导线121与控制箱122相连。控制箱包括微处理器、用于驱动电动机的电源，用于电喷射芯片的控制电压和电喷射电压。汇编控制系统120根据所需的样品分析顺序来控制驱动电动机。控制箱122通过与自动取样机1的驱动电动机、芯片和探针相连的电导线127而与自动取样机1相连。汇编控制系统120包括中央处理器(CPU)或处理器、存储器、图形用户界面或显示屏，以及用户输入装置，它们通过总线系统或其它的连接各自相连，然而汇编控制系统还可包括其它的部件、其它数量的部件，以及部件的其它组合。
根据这里介绍的本发明的一个实施例，处理器可以执行一个或多个存储的指令程序，其用于自动操作多个样品以产生与检测器相联系的多个电喷射。在此特定的实施例中，CPU所执行的程序指令储存在存储器中，然而，这些程序指令中的一些或全部也可存储在其它任何位置中，并从中检索并执行。
此存储器可采用各种不同类型的存储装置，例如系统中的随机存取存储器(RAM)或只读存储器(ROM)，或软盘、硬盘、CD-ROM或其它通过磁的、光的方式读和/或写的计算机可读媒体，或其它与处理器相连的读和/或写系统。图像用户界面为操作人员提供信息显示，例如样品、吸移管尖头和芯片的位置数据。可以使用各种不同类型的显示器，如阴极射线管显示装置。用户输入设备使得操作人员可以产生信号或命令并将其发送给CPU，例如样品的选择和芯片的位置。可以使用各种不同类型的用户输入设备，如键盘、小键盘、触摸屏或计算机鼠标。
在操作中，通过促动探针滑座电动机11来使探针滑座15沿Z轴移动，为了启动分析循环，探针滑座15起初悬置在吸移管托盘5的一个预选吸移管尖头17的上方。通过探针电动机36促动探针30运动，探针30沿Y轴移动，以便伸出并与预选吸移管尖头17相接合，并使吸移管尖头17连接到探针30的端部42上。探针电动机36反转，使得探针30沿Y轴收回到探针滑座15中，并离开吸移管尖头托盘5。通过探针滑座电动机11使探针滑座15沿Z轴移动，并使其悬置在样品托盘6的预选样品插孔18的上方。促动探针电动机36以使探针30沿Y轴伸到探针滑座15之外，并使吸移管尖头17与样品溶液110相接触。
促动注射泵以产生部分真空，并使样品110从所选样品托盘插孔18吸入到吸移管尖头17中。通过探针电动机36使探针30沿Y轴退回到探针滑座15中。通过探针滑座电动机11使探针滑座15沿Z轴移向芯片固定器4。当探针滑座15靠近芯片固定器4时，通过凸轮从动件16使探针滑座15相对于Z轴旋转90°，这使得探针30从平行于Y轴的方位重新定向到平行于Z轴的方位。
从图2，4和5中可以看出，凸轮从动件16安装在轨道7中，其在芯片固定器4一端使探针滑座15相对于Z轴旋转90°。在图3和4中显示了探针滑座电动机11，其可使探针滑座15在轨道7中沿Z轴移动。
如图2所示，当探针滑座15的凸轮从动件16与轨道7的第二部分62相接合时，探针滑座15相对于Z轴旋转90°，并将探针30与芯片固定器4对准且平行于Z轴。促动探针电动机36以使探针30从探针滑座15中伸出，并使加载了样品的吸移管尖头17与芯片80的预选电喷射容纳孔130接触。促动压力调节器以将样品110喷射到电喷射芯片80的容纳孔130中，并为电喷射芯片80的电极114提供电接触，以促进样品110喷射到邻近的检测装置111中。注射泵在促动后可用来在吸移管尖头内产生部分真空，从而吸回任何残留的样品以免样品打湿芯片。通过探针滑座电动机11使探针滑座15沿Z轴在远离芯片固定器4的方向上移动，并根据凸轮从动件16在轨道7中的路径而沿Z轴旋转90°，从而使探针30平行于Y轴。
图1所示的吸移管托盘5安装在两个平行轴64上并与皮带-滑轮系统相连，皮带-滑轮系统由吸移管托盘的电动机驱动，此电动机可沿X轴使吸移管托盘5移动。顶出板70安装在吸移管尖头托盘5的边缘处，当吸移管尖头托盘5沿X轴移动并经过探针滑座15时，顶出板70与探针滑座15对齐。探针滑座15通过探针滑座电动机11沿Z轴移动，此时探针30处于伸出位置。
如图7所示，当沿Z轴移动的探针滑座15的探针30与顶出板70相接合时，吸移管尖头17会被取下。通过探针电动机36使探针30收回到探针滑座15中，这样吸移管尖头17与顶出板70的叉齿71相接合，尖头17就从探针30上取下来。探针滑座15现就准备好可与吸移管托盘5中的新的预选吸移管尖头17相接合，并可重新开始循环以分析下一样品110。或者，吸移管尖头内的残留样品可以在顶出尖头之前送回到原始样品插孔中，以便保存样品。
如图8所示，电喷射芯片80安装在芯片固定器4上。芯片固定器4和芯片固定器壳体82可以相对于检测器111移动，以便与芯片80的所需电喷射装置115对准。芯片固定器、芯片固定器支架、探针、探针滑座，吸移管尖头托盘以及样品托盘均安装在一个壳体中并与电动机相连，这些电动机可使系统沿X轴和Y轴移动，以使芯片定位成与质谱仪111成一直线，而无须移动自动取样机1的外壳112，如图9和10所示。
可采用两个阶段运动来确定芯片80在质谱仪111入口前方的X轴和Y轴位置，采用第三阶段的运动使探针30沿Z轴在样品110和吸移管尖头托盘5的上方移动，并朝向芯片80。当探针30沿着这一阶段移动时，其处于Y-Z平面内，如同在样品110和尖头托盘5上穿过一样，然后当其靠近芯片80时，凸轮从动件16在Y-Z平面上使探针旋转90°。第四阶段的运动根据探针30的方位而使探针沿Y轴移动，以选取样品和尖头，或者沿Z轴移动以与芯片80的后部相接合。第五阶段的运动使样品托盘6和尖头托盘5沿X轴在探针30的下方移动，以允许通过利用这一运动以及沿Z轴移动探针30的运动一起使各样品/尖头分度。采用两个附加阶段的运动沿Z轴和X轴移动整个组件，以允许优化相对于质谱仪入口的电喷射位置。第八阶段的运动使注射泵移动以抽吸并分配样品。
所有阶段的运动最好均处于计算机控制之下。这就产生了从一个微射流芯片上的多个电喷射装置的栅格阵列中提供一个或多个电喷射的能力。电喷射芯片80最好具有高密度的电喷射装置115的阵列或装置115的群组。各电喷射装置115均具有至少一个电喷射出口116和流体入口113，它们通过通道117相连，入口113和出口116可处于微射流芯片80的同一侧或相对侧。最好是多个出口与一股液流110流体相通。
X，Y和Z轴上的自动线性运动装置设置成可使流体传送探针能在质谱仪孔口的方向上运动。微射流芯片可在X轴和Y轴方向上相对于质谱仪孔口和流体传送探针移动。这样，流体传送探针相对于质谱仪保持在恒定的X轴和Y轴位置上，并可在Z轴方向上移动，以接通/断开为微射流芯片的后部提供电喷射的液流。芯片保持在离质谱仪孔口为恒定的Z轴距离处，多个电喷射装置可在流体探针的前方沿X轴和Y轴方向移动，使得电喷射装置的栅格阵列可以顺序地电喷射，而且各电喷射装置的电喷射在空间上源于相同的点。
其它线性运动阶段允许整个组件在质谱仪的前方运动。这允许在进行电喷射时可对装置的定位进行优化，以便实现质谱仪的最佳性能。在图1所示的装置中，设置了两个阶段的运动以提供流体探针和芯片在X轴和Y轴方向上的运动，无须相互间移动它们的位置，这样，当为了优化检测器的离子响应而产生电喷射流时，它们可以移开。这些阶段的运动可与质谱仪信号的反馈一起对电喷射相对于检测器的位置进行自动的优化。
可采用最好由软材料制成的密封件118来密封流体110到芯片80的传送。可采用O形密封圈或密封垫片来将流体探针相对于微射流芯片密封住。或者，在进入流体与电喷射流体的要求符合以使流体以与独立进行的电喷射要求相同的速度传送到入口中时，可以不需要密封材料。或者，当流体探针的材料能够在有效电喷射所需的压力下对芯片形成直接密封时，可以不需要密封材料。
流体探针可以重复使用，或是一次性的以便为各个样品和/或电喷射装置使用新的探针。探针可以用色谱分析材料进行填充，以用于成分分离或样品净化。探针可以预加载样品，或者可使用适当的泵或其它压力装置而将样品从容槽中以溶液的形式传送到探针内。溶液的成分可随时间而变化，以帮助促进色谱分离。探针还可将纯净的溶剂传送到微射流芯片上，芯片具有预加载样品的容槽。预加载的样品可能仍是溶液形式，其可被分离装置的色谱分析材料吸收，或者以干燥的形式被探针所传送的溶剂溶解。色谱分析材料/固定相可以位于吸移管尖头内或电喷射芯片中。此外，可同时使用多个流体探针以为多个电喷射装置提供样品。
在一个实施例中，当流体探针往回运动以选取样品时，其会从水平面移动到垂直面上。这时探针就可上下移动以选取新的吸移管尖头，或者是毛细管柱或其它的样品传送装置。如果样品未被预加载的话，那么探针在移回到芯片处之前可以移动到多孔式样品托盘处，并从插孔中加载样品。一旦样品密封在芯片的后部，就通过压力调节器46提供通常小于5磅/平方英寸(“psi”)的较小排出压力，以促发电喷射。这样，可对各样品使用新的样品容器和电喷射喷嘴，以便消除交叉污染。在分析完成之后，通过例如使用机械捕获器就可将用过的尖头/毛细管自动地顶出，并在吸入下一样品之前将新的探针尖头装好。
用于电喷射的控制电压通过微射流芯片的底座(mount)或者通过流体传送探针来提供。如图11所示，当探针是导电的或与探针的流体下游相接触时，电喷射电压可由流体传送探针来提供。或者，这种电压可以通过与探针30电绝缘的连接件119来提供，其与芯片80上的导电表面123接触，如图12所示。这就具有可在电喷射离子化芯片80的流体入口113处提供电压的优点，并减小了发生在流体探针30内的电渗透和电色层分离。
这种电压也可通过延伸至芯片边缘并与芯片底座125相接触的导电表面124来提供，这样就可以通过芯片底座125来施加电压。这就具有不需要探针而在任何时间施加电压的优点。电压可以同时施加到任意数量的电喷射装置上，例如图13所示的单独地或成组地，或如图14所示的同时施加到芯片上的所有电喷射装置上，图14显示了覆盖了芯片的整个进入表面的导电层124。
其它电压也可通过芯片固定器125来提供，如图15所示。在图16A-C中显示了施加所需的衬底电压、在整个芯片或各电喷射装置或装置组的周围的芯片中的前表面上或层126中的电极上施加控制电压的其它实施例。这些电压可用于控制离子、驱散空间电荷和驱散表面电荷，从而提高电喷射装置的灵敏度。
流体探针可以包括色谱吸附柱、脱盐柱或其它固定相，包括填充材料或表面涂层。流体探针还可以是毛细管样品容器，或较大内径的样品容器。流体探针还可以是导电的吸移管尖头，例如由石墨浸渍的聚丙烯制成的吸移管尖头。流体探针本身可以重复使用或是一次性的，或者具有可重复使用或一次性的尖头。
由于在流体和芯片衬底之间产生了受控电场，因而产生了电喷射。芯片固定器可为芯片衬底提供电压。当芯片固定器是导电的时，固定器可以连接到地电位，并且通过将芯片边缘固定到芯片底座上就可以简单地施加衬底电压。这可通过任何已知的方法来实现，例如机械的方法或通过使用导电糊膏或环氧树脂。更具体地说，芯片固定器可在芯片处为流体提供电喷射电压，一次一个喷嘴或所有喷嘴。或者，可采用传送探针/柱/样品毛细管来提供电喷射电压。可采用安装在流体探针上但与之电绝缘并可与其一起运动的小型探针来单个地或全部一起或成组地提供电喷射电压。这也提供了柱/探针在一定程度上的与电喷射电压的绝缘，从而提供很少的电渗透或电色层分离。
可在芯片的后部设置单独的导电垫片，从而单独地对各喷嘴施加电压。类似地，可在芯片的前部涂覆金属涂层，从而为各喷嘴施加电压。
由于各喷嘴周围的电场最好由喷嘴尖端处的流体和衬底的电压来限定，因此多个喷嘴可以非常紧密地定位，其间距约为数十微米左右。这就允许一股液流从多个喷嘴中形成多个电喷射流，从而极大地提高了基于微芯片的电喷射装置可获得的电喷射灵敏度。电喷射装置的彼此流体相通的多个喷嘴不但提高了灵敏度，而且提高了装置的流速性能。例如，通过一个尺寸为10微米内径、20微米外径和50微米长度的喷嘴的一股液流的流速约为1μL/min；而通过200个这样的喷嘴的流速约为200μL/min。因此，可以制造出流速达到约2μL/min、从约2μL/min到约1mL/min、从约100nL/min到约500nL/min以及大于约2μL/min的装置。
可以制出具有任意喷嘴数目和规格的多个电喷射装置的阵列。可以将电喷射装置定位成使其形成从低密度阵列到高密度阵列的装置。例如，可以提供相邻装置之间的间距分别为9mm、4.5mm、2.25mm、1.12mm、0.56mm、0.28mm以及小到接近约50μm间隔的相应阵列，其对应于流体传送或从电喷射系统中接受样品的商用仪器中所使用的间距。类似地，可以阵列形式制造电喷射装置的系统，其装置密度超过约5个装置/cm2、超过约16个装置/cm2、超过约30个装置/cm2，以及超过约81个装置/cm2，并最好是从约30个装置/cm2到约100个装置/cm2。
电喷射装置的尺寸可根据不同的因素来确定，例如具体的应用、布图设计以及与电喷射装置接口或集成在一起的上游和/或下游装置。此外，可以优化通道和喷嘴的尺寸，以便得到流体样品的所需流速。采用活性离子蚀刻技术能够以可重复的且成本效率合算的方式来生产小直径喷嘴，例如2μm内径和5μm外径的喷嘴。这种喷嘴可制成间距接近20μm，从而提供达到160000个喷嘴/cm2的密度。在一个电喷射装置中可分别提供达到约10000个/cm2、达到约15625个/cm2、达到约27566个/cm2以及达到约40000个/cm2的喷嘴密度。类似地，喷嘴可设置成其中喷射单元的相邻出口孔的中心之间在喷出表面上的间距分别小于约500μm、小于约200μm、小于约100μm以及小于约50μm。例如，具有一个外径为20μm的喷嘴的电喷射装置将相应地具有30μm宽的周围的样品插孔。这种喷嘴的密集填充阵列的间距可接近至25μm，此间距从喷嘴中心处测得。
例如，在一个现有的优选实施例中，电喷射装置的硅衬底的厚度约为250-500μm，穿过衬底的通道的截面积小于约2500μm2。在通道具有圆形截面形状时，通道和喷嘴的内径可达到50μm，最好达到30μm；喷嘴的外径可达到60μm，最好达到40μm；且喷嘴的高度(环形区域的深度)可达到100μm。下凹部分最好从喷嘴处向外延伸达到300μm。二氧化硅层的厚度约为1-4μm，最好是1-3μm。氮化硅层的厚度约小于2μm。可以制造与具有上述喷嘴密度和流速的电喷射装置接口的本发明的自动取样机，使得取样过程自动化，并获得这种高密度系统的优点。
此外，可以操作这种电喷射装置以产生更大的最少带电的微滴。这可通过将喷嘴出口处的电场降低到小于产生给定流体的电喷射所需的值来实现。调节流体电位与衬底电位之比可以控制此电场。约小于2的流体与衬底的电位比对于形成微滴是最佳的。在这种操作方式下的微滴直径由流体的表面张力、所施加的电压以及至微滴接受孔或板的距离来控制。这种操作方式在理论上可适于多个不连续量的流体传送和/或分配，并可用于例如喷墨印刷机的设备以及需要控制流体分配的装置和器械。
虽然出于说明的目的已经详细介绍了本发明，然而应当理解，这些细节仅用于该目的，在不脱离所附权利要求限定的本发明的精神和范围的前提下，本领域的技术人员可以对其进行修改。
权利要求
1.一种机器人自动取样机，包括探针滑座，其可在样品源和电喷射芯片的固定器之间运动，并包括至少一个流体传送探针，所述探针可从所述样品源中接受样品并将样品排放至所述芯片固定器中的芯片上；电喷射芯片的固定器；和对准系统，其可使所述探针和所述芯片固定器对准，并使所述芯片固定器和检测器对准。
2.根据权利要求1所述的机器人自动取样机，其特征在于，所述机器人自动取样机还包括电压探针，其安装在所述流体传送探针上并与之电绝缘。
3.根据权利要求1所述的机器人自动取样机，其特征在于，所述机器人自动取样机还包括安装在所述芯片固定器上的电喷射芯片。
4.根据权利要求3所述的机器人自动取样机，其特征在于，所述机器人自动取样机还包括与所述电喷射芯片电喷射地相联系的检测器。
5.根据权利要求4所述的机器人自动取样机，其特征在于，所述检测器包括质谱仪。
6.根据权利要求1所述的机器人自动取样机，其特征在于，所述流体传送探针包括色谱吸附柱或脱盐柱。
7.根据权利要求1所述的机器人自动取样机，其特征在于，所述流体传送探针包括毛细管样品容器或更大内径的样品容器。
8.根据权利要求1所述的机器人自动取样机，其特征在于，所述流体传送探针包括可重复使用的探针、一次性探针、可重复使用的尖头，或一次性尖头。
9.根据权利要求1所述的机器人自动取样机，其特征在于，所述芯片固定器通过芯片底座来为所述芯片的衬底提供电喷射电压。
10.根据权利要求1所述的机器人自动取样机，其特征在于，所述芯片固定器为所述芯片的衬底和至少一个喷嘴提供电压或零电位，以提供或控制电喷射。
11.根据权利要求1所述的机器人自动取样机，其特征在于，所述流体传送探针为所述流体提供电喷射电压。
12.根据权利要求2所述的机器人自动取样机，其特征在于，所述电压探针可为所述芯片的表面提供电喷射电压，其方式为独立地提供给各个喷嘴、一组喷嘴或一次提供给所有喷嘴。
13.根据权利要求3所述的机器人自动取样机，其特征在于，所述电喷射芯片还包括多个单独的导电垫片，其应用到所述芯片的后部以施加电压。
14.根据权利要求3所述的机器人自动取样机，其特征在于，所述电喷射芯片还包括涂覆到所述芯片的前部以施加电压的金属涂层。
15.根据权利要求1所述的机器人自动取样机，其特征在于，所述流体传送探针还包括密封件，其可在将流体传送到所述芯片上的过程中防止泄漏。
16.根据权利要求3所述的机器人自动取样机，其特征在于，所述电喷射芯片包括多个电喷射装置，各所述电喷射装置在促动时可产生一个或多个电喷射流。
17.根据权利要求3所述的机器人自动取样机，其特征在于，所述电喷射芯片包括以高密度阵列成组设置的多个电喷射装置，各所述电喷射装置在促动时可产生一个或多个电喷射流。
18.根据权利要求1所述的机器人自动取样机，其特征在于，所述机器人自动取样机还包括与所述自动取样机相联系的汇编控制单元。
19.一种用于自动地操作多个样品以产生与检测器相联系的多个电喷射的方法，包括提供机器人自动取样机，其被编程以便可使尖头与流体传送探针相接合，为所述尖头加载含有至少一种分析物的样品，传送已加载所述样品的尖头以使其与含有至少一个电喷射装置的电喷射芯片相联系，电喷射所述至少一种分析物，丢弃用过的尖头，使另一尖头与所述探针相接合，重复加载、传送和电喷射的循环；使尖头接合在所述自动取样机的探针上；在所述探针的尖头上加载含有至少一种分析物的样品；将所述至少一种分析物传送到所述电喷射芯片上的至少一个电喷射装置中；从电喷射芯片上的至少一个电喷射装置中电喷射出所述至少一种分析物；操作与检测器相联系的电喷射芯片，以便检测所述电喷射中的分析物；和重复所述接合、加载、传送和电喷射的循环。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述检测器为质谱仪。
21.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述尖头预加载了含有至少一种分析物的样品。
22.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述尖头可重复使用。
23.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，通过所述自动取样机来将控制电压施加到所述电喷射装置上。
24.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，通过可编程的计算机软件来控制所述自动操作。
全文摘要
一种可用于自动操作微射流芯片的机器人自动取样机(1)，此微射流芯片具有多个与质谱仪(111)或其它检测装置接口的电喷射装置和/或样品入口(113)。自动取样机还提供了与电喷射装置的控制电压的连接，以促进带电微滴和离子的激励、控制和引导。自动取样机还提供了一种一次性的或可重复使用的流体传送方法。这种传送装置含有用于成分分离或样品净化的材料。此传送装置可含有预加载的样品，或者通过自动取样机来装载样品。一种用于自动操作与检测器相联系的多个电喷射装置(115)的方法，包括提供具有电喷射芯片(80)的机器人自动取样机；从电喷射芯片上的至少一个电喷射装置中电喷射出至少一种分析物；以及操作与检测器相联系的电喷射芯片，以便检测所述电喷射中的分析物。
文档编号G01N35/04GK1498129SQ02806979
公开日2004年5月19日 申请日期2002年1月28日 优先权日2001年1月26日
发明者S·J·普罗塞尔, G·S·鲁勒, G·A·舒尔茨, T·N·科尔索, S J 普罗塞尔, 科尔索, 舒尔茨, 鲁勒 申请人:阿德维昂生物科学公司