一种微流控电喷雾芯片器件及制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电喷雾器件，特别是作为质谱分析仪器离子源的电喷雾器件；本发明的器件涉及微流控芯片技术或者微流体芯片技术；本发明的器件的制作技术涉及微加工技术、微电子微机械加工技术，具体为一种微流控电喷雾芯片器件及制作方法。
【背景技术】
[0002]电喷雾通常是液体在强电场力作用下，在管状的喷针口形成泰勒锥，锥尖喷射出微小带电液滴。电喷雾技术作为一种主要的离子源，被广泛用于质谱分析中，是液相色谱质谱连用分析技术的重要组成部分，在生物大分子的分析和研究中，起到了关键的作用。电喷雾作为连接液相色谱和质谱的离子源，按照流速的大小分为毫升级(流速在毫升/分钟量级)、微升级(流速在微升/分钟量级)和纳升级(流速在纳升/分钟量级)三种。毫升级电喷雾用于毫米直径的大色谱柱液相色谱与质谱连用的分析系统，如传统的4.6毫米直径色谱柱。微升级电喷雾一般用于直径小于I毫米和大于100微米的色谱柱系统。纳升级电喷雾用于直径小于100微米的色谱柱系统。纳升级电喷雾由于流速极小，可以用很小的喷针，在电场力作用下直接喷出，高效地把待检测分子气化和离子化。微升和毫升级电喷雾由于流速较大，需要较大的喷针，喷出的液滴直径也比较大，气化和离子化效率低，所以需要辅助气流。通用的方法是围绕喷针加上均匀和同轴的喷射气流，Hen1n等人(美国专利号4861988)，在电喷雾针外面套一个同轴的套管，喷针略微伸出于套管之外，气流通过喷针与套管的间隙喷射出来形成辅助气流，以提高电喷雾气化和离子化效率，同时也极大地提高电喷雾的重复性和稳定性。这种带辅助气流的电喷雾技术得到了市场的检验和最广泛的应用，一直是连接液相色谱与质谱的标准技术。
[0003]在Hen1n等人发明的技术中，一个电势被加在液体上，另一个电势加在离电喷雾针一个距离的电极上，这两个电势之差在喷针口处产生一个电场，液体从针管中流出，在电场力作用下形成电喷雾；气体从喷针与套管的间隙喷射出来，帮助电喷雾产生的液滴气化和液滴中待测分子离子化。近年来技术发展的一个重要方向是用微加工技术在芯片上制作电喷雾器件。其中一个原因是液相色谱的微型化和集成化，也就是把液相色谱系统做到一个芯片里面，这需要与之配套的芯片电喷雾离子源。另一个原因是芯片电喷雾离子源能够把多个喷针制作到芯片上一个很小的区域上，使芯片离子源具有高的离子化效率和灵敏度，同时还能够用于更大流速的色谱和质谱分析系统。
[0004]已公开的电喷雾芯片离子源多用微加工技术制作。Moon等人用微电子微机械技术(MENS)制作电喷雾芯片(美国专利US6800202 B2)。他们用一个单片的硅片，通过等离子刻蚀技术在硅片上刻蚀穿孔和在硅片上形成电喷雾喷针。Staats用微注塑成型技术制作基于塑料材料的电喷雾芯片(美国专利US6800849 B2)，用激光微加工形成芯片的穿孔和电喷雾喷嘴。这些电喷雾芯片都不能在喷针处加辅助气流，它们都只是纳升级电喷雾器件。但是，市场上绝大部分需求是大流速的微升级和毫升级电喷雾，芯片电喷雾有待向更大的流速和更稳定的性能方向发展。Rossier等人(美国专利US7265348 B2)把电喷雾喷嘴做在芯片的边沿上，并在芯片中做一个导气的沟道把辅助气流引入到喷嘴处。Li等人(美国专利申请Pub.N0.: US2007/0257190 Al )也把电喷雾喷嘴做在芯片的边沿上，并在芯片中做了两个导气的沟道把喷射气流对称地引入到喷嘴处的左右两边。他们这种引入辅助气流的方法，与市场上通用的已经被验证的方法不同。市场上使用的方法是辅助气流紧贴电喷雾喷针并且均匀地环绕喷针同轴喷射出来(Hen1n等人的美国专利号4861988)，实践证明，这样的辅助气流在帮助电喷雾气化的同时，又使电喷雾更加重复和稳定。已有的电喷雾芯片器件中的气流不是均匀地环绕电喷雾喷针，很容易导致不稳定的电喷雾。Brekenfeld等人(美国专利申请Pub.N0.: US2014/0284406 Al)的芯片电喷雾的喷针垂直于芯片，液体从芯片的一面流入，在电场力作用下从芯片的另一面的喷针口喷出；在环绕喷针处的芯片上有几个穿孔，气体从孔中喷射出来形成辅助气流。这同样不能形成均匀环绕电喷雾喷针的气流。这样的结构还使得气流不能够紧贴着电喷雾喷针，气流对电喷雾的剪切辅助作用减小。
【发明内容】
[0005]针对已有的电喷雾芯片器件存在的缺陷，本发明提供了一种微流控电喷雾芯片器件及制作方法，其提供紧贴电喷雾喷针的更加均匀的辅助气流，用独特的电极结构保证喷针器件的电喷雾均匀性，克服了不均匀性问题，制作方法方便地实现电喷雾芯片器件的制作。
[0006]本发明是用微加工技术制作的微流控芯片或者叫做微流体芯片，实现电喷雾功能。芯片包含提供气体流路的微流控芯片(以下简称气体芯片)和提供液体流路的微流控芯片(以下简称液体芯片)，两部分芯片键合而成微流控电喷雾芯片
技术方案是这样的:一种微流控电喷雾芯片器件，其包括相互键合的液体芯片和气体芯片，所述液体芯片在与所述气体芯片键合的一面上设置有电喷雾喷针、另一面上开有与所述电喷雾喷针流体相通的进液孔，所述气体芯片表面覆盖介电质薄膜，所述气体芯片上开有出气穿孔和凹槽，所述电喷雾喷针套于所述出气穿孔内，所述电喷雾喷针与所述出气穿孔的内壁之间留有间隙，所述凹槽一端连通所述出气穿孔、另一端连通设置于所述液体芯片或气体芯片或两芯片界面上的进气孔，所述进气孔是位于所述液体芯片与所述气体芯片键合后的边沿由键合而在界面形成的孔，或者是所述液体芯片上的一个穿孔，或者是所述气体芯片上的一个穿孔，所述液体芯片上设置有第一电极结构，所述气体芯片上设置有第二电极结构，第二电极结构的电极位置要离所述液体芯片中的液体足够远以防空气电击穿，一个电势通过第二电极结构加在气体芯片上。
[0007]优选的，所述液体芯片包括相互大致平行的进液面和出液面，所述大致平行指进液面与出液面的夹角在O度到30度，所述进液孔设置于所述进液面，所述电喷雾喷针设置于所述出液面，所述电喷雾喷针的喷口为出液口，所述电喷雾喷针为大致垂直于所述出液面的管状喷针，所述大致垂直指所述电喷雾喷针与所述出液面成90度± 10度夹角，所述管状电喷雾喷针由围绕出液口的一个区域沿垂直于所述液体芯片的方向刻蚀形成。上述大致平行和大致垂直中，相互平行和相互垂直为最佳方案。
[0008]优选的，所述气体芯片包括相互大致平行的进气面和出气面，所述大致平行指进气面与出气面的夹角在O度到30度，所述气体芯片的进气面与所述液体芯片相互键合，所述出气穿孔垂直于所述进气面和出气面，所述大致垂直指所述出气穿孔与所述进气面成90度±10度夹角，所述进气面上刻蚀有所述凹槽。上述大致平行和大致垂直中，相互平行和相互垂直为最佳方案。
[0009]优选的，管状的所述电喷雾喷针外径小于所述出气穿孔的内径，所述电喷雾喷针与所述出气穿孔同轴布置，所述电喷雾喷针穿过所述出气穿孔、且电喷雾喷针的喷口外露于所述出气穿孔。
[0010]优选的，所述液体芯片与所述气体芯片键合使所述液体芯片上的所述电喷雾喷针套入所述气体芯片的出气穿孔中、并且使所述气体芯片上的凹槽形成连接所述出气穿孔与所述进气孔的气体通道。
[0011]更优选的，所述进气孔位于所述液体芯片与所述气体芯片键合后的边沿，或者为所述液体芯片上的一个穿孔，或者为所述气体芯片上的一个穿孔，气体在压力作用下从所述进气孔流入，经过所述气体通道从所述电喷雾喷针与所述出气穿孔内壁之间的间隙流出，形成电喷雾的辅助气流。
[0012]优选的，所说液体芯片上的第一电极结构给进入所述液体芯片的液体加上一个电势，所述第一电极结构是由导电芯片材料制成的液体芯片本身，或者是置于由绝缘芯片材料制成的液体芯片的表面上位于所述进液孔处的导电薄膜，或者是置于表面覆盖介电质薄膜的所述液体芯片的表面上位于所述进液孔处的导电薄膜，或者是置于液体进入所述进液孔之前的流路中与液体接触的导电体。
[0013]优选的，所述气体芯片材料为电的导体或半导体，所述气体芯片表面覆盖有电绝缘的介电质薄膜，所述第二电极结构设置于去掉所述介电质薄膜的气体芯片上并与所述气体芯片导电接触。
[0014]优选的，在所述微流控电喷雾芯片的电喷雾喷针一侧、距离所述电喷雾喷针的喷头一定距离处设置有第三电极结构；第三电极结构可以是质谱仪器的采样进气口。
[0015]上述所述的液体芯片和气体芯片键合，是指用任何方法把两个芯片结合在一起，可以是用芯片表面之间的原子键结合、用焊接方式结合、用粘结剂粘合等；具体方法可以是但不限于是阳极键合、金硅共熔键合、硅/玻璃静电键合、硅/硅直接键合、玻璃焊料烧结键合以及粘结剂键合。
[0016]所述电喷雾喷针穿过所述出气穿孔并且有一段伸出出