技术领域

一般说来，本发明涉及一种集成的微型化流体系统，制造此系统采 用微机电系统(MEMS)技术，具体地说，本发明涉及一种能够由单一 的流体流产生多雾化的集成化的整体的微制造装置(integrated monolithic microfabricated device)。

                           背景技术

在药物发现和发展中的当今趋势是对分析技术正提出新的要求。例 如，常常采用组合化学发明新的前导化合物，或者产生一种前导化合 物的变种。组合化学技术可以在相对较短的时间内(在几天到几周的 时间内)产生数千种化合物(组合库)。以及时和有效的方式检验这 样大量的化合物的生物活性需要高通量的筛选方法，这些方法使得可 以快速地评估每种候选化合物的特性。

采用组合库的性质及其中包含的化合物的性质判断生物筛选数据 的有效性。对于每种化合物或者对于统计上相关数量的化合物连同对 化合物纯度的测量一起鉴别出正确的分子重量的确认是对组合库的性 质的两个重要的度量。通过由每个凹下部分(或阱)除去溶液的一部 分并且把内容物注入进一个分离装置比如连接到一台质谱仪上的液相 色谱仪或毛细管电泳仪上，可以分析出化合物的特征。

对于这些新的靶目标发展适用的筛选方法常常取决于快速的分离 和分析技术对于分析化验结果的可用性。例如，对于一种候选药物的 潜在的有毒代谢物的化验可能既需要鉴别候选药物，又需要鉴别该候 选药物的代谢物。理解一种新的化合物如何在身体内被吸收以及理解 该化合物如何被代谢可能可以预计出增加治疗效果或者缺乏治疗效果 的可能性。

在每天产生巨额数量的新化合物的条件下，也迫切需要一种改进的 系统，用来鉴别对于药物发现有潜在治疗价值的分子。因此，为了鉴 别潜在的候选药物，对于化合物-靶目标反应的高通量筛选和鉴别有迫 切的需要。

液相色谱(LC)是一种已经很好地建立起来的分析方法，用于分 离流体的组分，用来做后续的分析和/或鉴别。在传统上，液相色谱采 用一根分离柱，比如尺寸为内径4.6毫米、25厘米长的一个圆柱形的 管，用紧密填充的5微米直径的颗粒充满。最近，在长度较短的柱子 中正在使用的是3微米直径的颗粒。小的颗粒尺寸提供了大的表面积， 可以使表面积与产生固定相作用的各种化学反应一起得到改进。把一 种液体洗脱剂以在柱子尺寸和颗粒尺寸基础上达到最佳的流速泵送通 过LC柱。这种液体洗脱剂被称为流动相。把一定体积的样品在LC柱 的前面注入进流动相中。在样品中的被分析物与固定相相互作用，这 种相互作用以每种被分析物的分配系数为基础。分配系数被定义为被 分析物与固定相相互作用所花的时间与它和流动相相互作用所花的时 间之比。一种被分析物与固定相相互作用的时间越长，分配系数越大， 且该分析物保留在LC柱上的时间越长。一种分析物通过流动相的扩散 速率(流动相质量传递)也影响此分配系数。当颗粒比2微米大时， 流动相的质量传递可能在该分离柱的性能中起速率限制作用 (Knox，J.H.J. J.Chromatogr.Sci.18：453-461(1980))。当采用 较小的颗粒尺寸作为固定相支承时，可以提高色谱分离能力。

LC柱的目的是分离分析物，从而对于每种分析物可以由所选择的 检测器获得独特的响应，用来进行定量和定性测量。LC柱的尺寸和支 承固定相的颗粒尺寸确定该LC柱产生分离的能力。LC柱分离一种给定 的分析物的能力的度量被称为理论塔板数N。通过改变流动相的组成和 用于被分析物的分配系数可以调整被分析物的保留时间。对于一种给 定的被分析物的分配系数的实验和基础理解决定选择什么固定相。

为了提高LC分析的通过量，需要降低LC柱的尺寸和固定相颗粒 的尺寸。把LC柱的长度由25厘米降到5厘米将使一种被分析物的保 留时间降低5倍。同时，理论塔板数降低5倍。为了保持用5微米颗 粒填充的25厘米长的柱子的理论塔板数，一个5厘米长的柱子可能需 要用1微米的颗粒填充。然而，使用这样小的颗粒提出许多技术上的 挑战。

这些技术上的挑战之一是由推动流动相通过这些柱子中的每一根 所造成的反向压力。反向压力是对于在一个分离柱中由于以一个给定 的速率把流动相泵送通过该LC柱所产生的压力的度量。例如，4.6毫 米内径、25厘米长用5微米颗粒填充的柱子的典型反向压力在1.0 mL/min的流速下产生100巴的反向压力。用1微米颗粒填充的一个5 厘米的柱子产生的反向压力比用5微米颗粒填充的一个25厘米的柱子 的大5倍。大多数商业上可用的LC泵的运行压力被限制在低于400 巴，因此，采用有那些小颗粒的LC柱是不可行的。

在传统上通过使用光谱检测器实现在LC柱上分离的分析物的检 测。光谱检测器是靠在用一种适当的波长激发之后折射率、紫外光和/ 或可见光的吸收或者荧光的改变，检测出分离的成分。此外，可以使 由一个LC柱中流出的流出物雾化，产生一种烟雾，把这些烟雾喷射进 一个腔室，以测量由柱子洗提的分析物的光散射性能。替代地，可以 把被分开的成分由液体色谱柱通入到其它类型的分析仪器中，进行分 析。为了保持分离效率和分析灵敏度，要把由LC柱到检测器的体积减 到最小。所有不是直接由分离柱造成的系统体积被称为死体积，或柱 外体积。

把液体分离技术微型化到毫微级尺度包括小的柱内径(＜100微米 内径)以及低的流动相流速(＜300nL/min)。当前，一些技术比如毛 细区域电泳法(CZE)、毫微级LC、开口管状液相色谱(OTLC)，以 及毛细管电色谱(CEC)与传统尺寸的高性能液相色谱(HPLC)相比有 大量的优点。这些优点包括较高的分离效率、高速分离、小体积样品 的分析以及把二维技术耦合起来。对使用微型化的分离技术的一个挑 战是检测小的峰体积，以及有限数量的检测器可以适应这些小体积。 然而，把低流速的液体分离技术与电泳质谱法耦合起来形成了很好适 用的技术的一种组合，如在J.N.Alexander IV等人， Rapid Commun.Mass Spectrom.12：1187-91(1998)文章中所证明的那样。 在每分钟毫微升(“nL”)量级的流速的电泳过程被称为“毫微级电 泳”。

毛细管电泳是在小的毛细管中利用分子的电泳性质和/或流体的 电渗透流来分离在流体中的组分。典型地，用包括一种电解质的缓冲 溶液充满100微米或更小内径的熔融石英毛细管。把毛细管的每一端 放置在包含缓冲电解质的一个分开的流体贮室中。在缓冲流体贮室之 一中施加上一电压，在另一个缓冲流体贮室中施加上第二电压。带正 电和带负电的组分通过施加在缓冲流体贮室上的两个电压所建立的电 场的作用下在相反的方向上迁移，通过毛细管。电渗透流被定义为沿 着毛细管的壁由于来自缓冲溶液的带电组分在所施加的电场作用下迁 移而产生的流体流。某些分子在溶液中作为带电的组分存在，并将在 分子组分的荷质比的基础上迁移，通过毛细管。这种迁移被定义为电 泳移动性。流体的每种组成的电渗透流和电泳移动性决定每种流体组 分的总迁移。由电渗透流形成的流体流动图形是平的，这是由于摩擦 阻力沿着分离通道的壁的降低造成的。与液相色谱相比，这样可以改 善分离效率，在液相色谱中流动图形是抛物线形状的，这是由压力驱 动的流动造成的。

毛细管电色谱是一种混合技术，这种技术在用液相色谱中典型的固 体固定相填充的毛细管柱内利用电泳分离方法的电驱动流动特性。它 把反相液相色谱的分离能力与毛细管电泳的高效率结合起来。毛细管 电色谱法的分离可以获得比液相色谱更高的效率，因为当与由压力驱 动的流动造成的抛物线形状的流动图形相比时，由于摩擦阻力沿着分 离通道的壁降低，由电渗透流形成的流体流动图形是平的。还有，在 毛细管电色谱中可以使用比在液相色谱中更小的颗粒尺寸，这是因为 电渗透流不会产生任何反向压力。与电泳法相反，毛细管电色谱法能 够分离中性分子，因为被分析物利用液相色谱法的分离机制在柱颗粒 的流动相与固定相之间进行分配。

已经发展了以微芯片为基础的分离装置，用来对大量的样品进行快 速分析。与其它传统的分离装置相比，这些以微芯片为基础的分离装 置有较高的样品通过量，减少了样品和反应物的消耗，并减少了化学 废物。以微芯片为基础的分离装置的液体流速范围对于大多数应用来 说大约为每分钟1-300毫微升。以微芯片为基础的分离装置的例子包 括用于毛细管电泳(“CE”)，毛细管电色谱(“CEC”)和高性能液 相色谱(“HPLC”)的那些装置，包括：Harrison等人， Science 261：859-97(1993)；Jacobson等人， Anal.Chem.66：1114-18(1994)， Jacobson等人， Anal.Chem.66：2369-73(1994)，Kutter等人， Anal.Chem.69：5165-71(1997)以及He等人， Anal.Chem. 70：3790-97(1998)。这些分离装置与其它传统的分析仪器相比能够 实现快速分析，改进了精度和可靠性。

He等人， Anal.Chem.70：3790-97(1998)的工作显示了某些类 型的结构，可以把这些结构制造在一个玻璃基底上。这一著作表明采 用反应离子刻蚀(RIE)技术在玻璃基底中重复性地刻蚀出共同定位的 整体支撑结构(或者立柱)。现在，用于玻璃基底的各向异性的RIE 技术被限制为刻蚀深度为20微米或更低。这一工作表示出长方形5微 米乘5微米深度为10微米的立柱，并表明更深的结构难以实现。这些 立柱也被分开1.5微米。这些立柱支承固定相，就像在LC和CEC柱中 用颗粒支承固定相那样。这些立柱与传统的LC和CEC相比的一个优点 在于固定相的支承结构与基底为一体，因此不能移动。

He等人也描述了在分离通道的整个长度上保持截面积不变的重要 性。截面积大的变化可能在压力驱动的流动系统中产生压力降。在电 动驱动的流动系统中，沿着分离通道的长度的截面积大的变化可能产 生流动限制，这在分离通道中造成气泡的形成。因为流过分离通道的 流体的功能是作为可移动的形成溶剂化物的离子的来源和携带者，在 分离通道中形成气泡将造成电渗透流的中断。

电雾化电离实现了液体样品的大气压电离。电雾化过程产生高度带 电的液滴，这些液滴在蒸发条件下产生的离子代表在溶液中所包含的 组分。可以使用质谱仪的一个离子采样孔对这些气相离子进行采样， 用于质谱分析。当把相对于一个引出电极的一个正电压，比如在质谱 仪的离子采样孔上提供的电压，施加到毛细管的顶端上时，电场使得 在流体中带正电的离子迁移到流体在毛细管的顶端的表面。当把相对 于引出电极的一个负电压，比如在离子采样孔处提供到质谱仪上的电 压，施加到毛细管的顶端上时，电场使得在流体中带负电的离子迁移 到流体在毛细管的顶端的表面。

当形成溶剂化物的离子的排斥作用力超过被电雾化的流体的表面 张力时，流体的体积被拉成一个锥体的形状，被称作为Taylor锥体， 此锥体由毛细管的顶端伸展。一个液体射流由此Taylor锥体的顶端延 伸，变得不稳定，并产生带电液滴。把这些小的带电液滴拉向引出电 极。这些小液滴是带大量电荷的，溶剂由这些液滴蒸发将造成驻留在 电渗透流中的分析物分子的液滴中有过量的电荷。通过质谱仪的离子 采样孔把这些带电的分子或离子拉出，用于质谱分析。这种现象已经 例如被Dole等人， Chem.Phys.49：2240(1968)以及Yamashita等人， J.Phys.Chem.88：4451(1984)描述。产生电雾化所需要的电压(“V”) 取决于溶液的表面张力，如例如被Smith， IEEE Trns.Ind.Appl. 1986，IA-22：527-35(1986)描述过的那样。典型地，电场的数量级大 约为106V/m。毛细管的物理尺寸和流体表面张力决定产生电渗透所必 需的电场力线的密度。

当形成溶剂化物的离子的排斥作用力不足以克服由毛细管的顶端 流出的流体的表面张力时，形成带电荷少的大液滴。当施加在由毛细 管流出的导电或部分导电的流体与电极之间的电位差不足以克服流体 的表面张力形成一个Taylor锥体时，将产生流体滴。

由R.B.Cole编辑的 Electrospray Ionization  Mass Spectrometry：Fundamentals，Instrumentation，and Applications，ISBN 0-471-14564-5，John Wiley&Sons，Inc.，New York汇总了许多关于电渗透的基础研究。已经产生了几个数学模型解 释电渗透的原理。公式1定义了在离开被保持在接地电位的一个计数 电极(a counter electrode)距离d处施加电压Vc的条件下在半径 为rc的毛细管的顶端的电场Ec： $E_c=\frac{2V_c}{r_c\ln (4d/r_c)}......\left(1\right)$

为了形成一个Taylor锥体并形成流到这个毛细管的顶端的流体的 液体射流所需要的电场Eon近似地表示为： $E_{\mathrm{on}}\approx {\left(\frac{2\gamma \cos \theta }{{ϵ}_o{r}_c}\right)}^{1/2}........\left(2\right)$ 其中γ是流体的表面张力，θ是Taylor锥体的半角，ε0是真空的介电常 数。把公式1和2结合起来推导出公式3，此式近似地表示产生来自毛 细管的流体的电渗透所需要的开始电压Von： $V_{\mathrm{on}}\approx {\left(\frac{r_c\gamma \cos \theta }{2{ϵ}_0}\right)}^{1/2}\ln (4d/r_c).....\left(3\right)$

由考察公式3可以看到，所需要的开始电压比离开计数电极的距离 更多地取决于毛细管半径。

确定能够对于通常在CE、CEC和LC中使用的所有流体形成稳定的 电雾化的电雾化装置可能是希望的。对于这些分离通常用作移动相的 溶剂的表面张力的范围由100％的水成液(γ＝0.073N/m)到100％的甲 醇(γ＝0.0226N/m)。随着电雾化流体的表面张力提高，对于一个固 定的毛细管直径来说需要更高的开始电压才能产生电雾化。作为一个 例子，顶端直径为14微米的毛细管需要用1000V的开始电压把100％ 的水成液电雾化。M.S.Wilm等人， Int.J.Mass Spectrom.Ion Process 136：167-80(1994)的著作第一次证明以25nL/min的流速由被拉成5 微米外径的一个熔融石英毛细管产生毫微级电雾化 (nanoelectrospray)。特别是，在离开装有电雾化的质谱仪的离子 采样孔1-2毫米距离用600-700V由一个2微米内径和5微米外径的 拉制熔融石英毛细管以25nL/min的流速实现了毫微级电雾化。

在API质谱仪的离子采样孔的前面的电雾化产生来自质谱仪检测 器的定量响应，这是由于被分析物分子在由毛细管流出的流体中存 在。电雾化的一个优点在于：对于质谱仪检测器所测量的被分析物的 响应取决于被分析物在流体中的浓度，而与流体的流速无关。与100 nL/min的流速相比采用与质谱仪相结合的电雾化在每分钟100微升的 流速下在溶液中给定浓度的一种被分析物的响应可以与100nL/min的 流速下的响应相比较。D.C.Gale等人， Rapid Commun.Mass Spectrom. 7：1017(1993)证明了在较低的流速下可以获得较高的电雾化灵敏 度，这是由于被分析物的电离效率提高了。因此，通过在每分钟毫微 升量级的流速下对流体进行电雾化，当与质谱仪相结合时，对于包含 在流体中的一种被分析物可以提供最好的灵敏度。

因此，希望提供一种电雾化装置，用来把以微芯片为基础的分离装 置与API-MS集成在一起。这种集成对在微芯片上形成一个喷嘴的毛细 管顶端提出限制。在所有的实施例中，这个喷嘴将以关于形成分离装 置和/或电雾化装置的基底为一个平面或接近平面的几何形状存在。当 这个共平面或接近平面的几何形状存在时，如果围绕喷嘴的电场不是 确定并且可控的，发自喷嘴的顶端的电场力线将不会被增强，因此， 只有靠把相对较高的电压施加到流体上才能实现电雾化。

已经有人企图制造出用于以微芯片为基础的分离装置的电雾化装 置。Ramsey等人， Anal.Chem.69：1174-78(1997)描述了与一台电 雾化质谱仪耦合的以微芯片为基础的分离装置。这个研究组的先前著 作包括Jacobson等人， Anal.Chem.66：1114-18(1994)和Jacobson 等人， Anal.Chem.66：2369-73(1994)表示在芯片上的荧光检测实 现了令人印象深刻的分离。这个更近的作品表明由一块平面的玻璃微 芯片的边缘以90nL/min的流速实现了毫微级电雾化。以微芯片为基 础的分离通道的尺寸为10微米深，60微米宽，33毫米长。采用电渗 透流产生90nL/min的流体流。把4800V的电压施加到离开一台API 质谱仪的离子采样孔3-5毫米距离的微芯片的边缘上由分离通道流出 的流体上产生电雾化。在从微芯片的边缘形成一个Taylor锥体和稳定 的毫微级电雾化之前，在微芯片的边缘收集了大约12nL的样品流体。 这个以微芯片为基础的分离通道的体积为19.8nL。在毛细管电泳或 毛细管电色谱分离之后由这个微芯片装置的边缘产生毫微级电雾化被 认为是不实际的，因为这个系统的死体积接近柱(通道)体积的60％。 还有，因为这个装置提供了一个平的表面并因此相对很少量的物理表 面粗糙度用来形成电雾化，所以，该装置需要一个不实际的高电压克 服流体的表面张力，产生电雾化。

Xue，Q.等人， Anal.Chem.69：426-30(1997)也描述了由带有 25微米深，60微米宽和35-50毫米长的封闭通道的一个平面的玻璃微 芯片的边缘形成稳定的毫微级电雾化。通过把4200V的电压施加到离 开一台API质谱仪的离子采样孔3-8毫米距离的微芯片的边缘上由分 离通道流出的流体上形成电雾化。采用一个注射泵把样品流体以100 到200nL/min的流速输送到玻璃微芯片上。用一种疏水涂层处理玻璃 微芯片的边缘，以减轻与由一个平的表面形成毫微级电雾化有关的困 难中的某些困难，这稍微改进了毫微级电雾化的稳定性。尽管如此， 在该微芯片的边缘上的Taylor锥体的体积与分离通道的体积相比太 大，使得当与一台色谱分离装置结合起来时，这种直接由一个微芯片 的边缘产生电雾化的方法不是实际可行的。

T.D.Lee等人， 1997 International Conference on Solid-State Sensors and Actuators Chicago，pp.927-30(June 16-19，1997) 描述了一种多阶段过程，在直径或宽度为1-3微米，长度为40微米的 硅微芯片的边缘上产生一个喷嘴，并在离开一台API质谱仪的离子采 样孔0.25-0.4毫米的距离把4000V电压施加到整个微芯片上。因为 需要相对较高的电压用位于非常靠近质谱仪的离子采样孔的喷嘴形成 电雾化，所以，这个装置产生的电雾化不充足，这使得液滴不能在离 子进入采样孔之前充分地蒸发。喷嘴由微芯片的边缘伸展也使喷嘴暴 露，会无意中折断。更近期，T.D.Lee等人，在 1999 Twelfth IEEE International Micro Electro Mechanical Svstems Conference (January 17-21，1999)提出了这个相同的概念，其中把电雾化部件 制作成越过微芯片的边缘伸展2.5毫米，克服在一个表面附近对电场 的控制差的现象。

因此，提供雾化可以控制的电雾化装置和提供用来生产这样的装置 的方法也是希望的，该装置可以容易地重复生产，并可以大量制造。

授于Laermer等人的美国专利5501893报道了一个非各向同性等 离子体刻蚀硅的方法(Bosch过程)，它提供了一种生产深的竖直结构 的方法，这种方法很容易重复生产，并且是可以控制的。这种非各向 同性等离子体刻蚀硅的方法包括两阶段的过程。步骤一是采用六氟化 硫(SF6)的反应离子刻蚀(RIE)气体等离子体进行非各向同性刻蚀 的步骤。步骤二是一个钝化步骤，把一种聚合物沉积在硅基底的竖直 表面上。这个涂布聚合物的步骤使得在步骤一暴露的竖直表面上的刻 蚀停止。重复刻蚀和钝化这个两步骤的循环，直到获得所要求的结构 深度为止。这种非各向同性等离子体刻蚀的方法实现了对硅超过每分 钟3微米的刻蚀速度，这取决于被刻蚀的结构的尺寸。此过程也提供 了对于刻蚀硅对二氧化硅或者防护层比100∶1更大的选择性，当希望 得到深的硅结构时这是重要的。Laermer等人，在 1999Twelfth IEEE International Micro Electro Mechanical Systems Conference (January 17-21，1999)报道了对Bosch过程的改进。这些改进包括 硅刻蚀速度接近每分钟10微米，对二氧化硅掩模的选择性超过 300∶1，以及对于尺寸改变的器件的刻蚀速度更均匀。

本发明针对独特地使用这些特点，改进先前公布的以微芯片为基础 的电雾化系统的灵敏度。

                           发明内容

本发明涉及用来对流体进行雾化的电雾化装置，此装置包括一个绝 缘的基底，它有一个注入表面和与该注入表面相对的一个喷射表面。基 底是整体的一整块，它或者有单一的雾化单元，或者有多个雾化单元， 用来由单一的流体流产生多股雾化。每个雾化单元包括在注入表面上的 一个入口孔；在喷射表面上的一个出口孔；在入口孔与出口孔之间伸展 的一个通道；以及围绕着出口孔并位于注入表面与喷射表面之间的一个 凹进部分。多个雾化单元中的每一个的入口孔彼此流体连通，每个雾化 单元产生流体的一股电雾化卷流。该电雾化装置也包括一个产生电场的 源，它的位置确定了围绕至少一个出口孔的电场。在一个实施例中，该 产生电场的源包括安装到该基底上的第一电极，以把第一电位施加到该 基底上，以及施加第二电位的第二电极。第一和第二电极的位置确定围 绕出口孔的电场。可以使这一装置运行由每个雾化单元产生流体的多股 电雾化卷流，由多个雾化单元产生流体的单一的结合起来的电雾化卷 流，并且由多个雾化单元产生流体的多股电雾化卷流。也可以把该装置 与一个系统连接起来使用，用来处理电雾化的流体，提供产生流体的电 雾化的方法，进行质谱分析的方法和进行液相色谱分析的方法。

本发明的另一方面针对电雾化系统，用来由单一的流体流产生多股 雾化。该系统包括多个上述的电雾化装置的一个阵列。在阵列中电雾 化装置的设置密度超过每平方厘米大约5个装置，每平方厘米大约16 个装置，每平方厘米大约30个装置，或者每平方厘米大约81个装置。 在阵列中电雾化装置的设置密度也可以由每平方厘米大约30个装置到 每平方厘米大约100个装置。

本发明的另一方面针对多个上述电雾化装置的一个阵列，用来由单 一的流体流产生多股雾化。可以把电雾化装置设置在一个阵列中，其 中，在喷射表面上相邻的装置之间的间隔分别为大约9毫米或更小， 为大约4.5毫米或更小，为大约2.2毫米或更小，为大约1.1毫米或 更小，为大约0.56毫米或更小，为大约0.28毫米或更小。

本发明的另一方面针对产生电雾化的方法，其中把电雾化装置设置 成用来对流体进行雾化。电雾化装置包括一个基底，它有一个注入表 面和与该注入表面相对的一个喷射表面。基底是整体的一整块，它包 括在注入表面上的一个入口孔；在喷射表面上的一个出口孔；在入口 孔与出口孔之间伸展的一个通道；以及围绕着出口孔并位于注入表 面与喷射表面之间的一个凹进部分。该方法可以用来由每个雾化单元 产生流体的多股电雾化卷流，由多个雾化单元产生流体的单一的结合 起来的电雾化卷流，并且由多个雾化单元产生流体的多股电雾化卷 流。该电雾化装置也包括一个产生电场的源，它的位置确定了围绕至 少一个出口孔的电场。在一个实施例中，该产生电场的源包括安装到 该基底上的第一电极，把第一电位施加到该基底上，以及施加第二电 位的第二电极。第一和第二电极的位置确定围绕出口孔的电场。把来 自流体样品的被分析物沉积在注入表面上，随后用一种洗提流体洗 提。把包含被分析物的洗提流体通进入口，通过通道，并通过出口孔。 把第一电位施加到第一电极上，并把第二电位通过第二电极施加到流 体上。把第一和第二电位选择成使得由每个雾化单元的出口孔排放出 的流体形成电雾化。

本发明的另一方面针对生产电雾化装置的一种方法，它包括如下步 骤：提供一块基底，它有相对的第一和第二表面，用一个光防护层在 一种防刻蚀材料上涂布每个表面。使在第一表面上的光防护层对一个 图像曝光，以形成形式为在第一表面上的至少一个环的图案。随后， 除去在第一表面上的光防护层，其在至少一个环的外面和里面，形成 一个环形部分。由基底的第一表面除去防刻蚀的材料，在这些部位已 经除去了曝光的光防护层，在防刻蚀的材料中形成孔。随后，可选地 除去留在第一表面上的光防护层。用第二光防护涂层涂布第一表面。 使在至少一个环内的第二光防护涂层对一个图像曝光，并把它们除 去，形成至少一个孔。与在第一表面上的第二光防护层中的至少一个 孔重合地由基底除去材料，形成至少一个通道，它穿过在第一表面上 的第二光防护层伸展，并伸展进入基底中。随后，由第一表面除去光 防护层。把防刻蚀的层施加到基底的第一表面侧的所有暴露的表面 上。由基底的第一表面除去防刻蚀的层，这些部位围绕着至少一个环， 并由基底围绕着至少一个环除去材料，以在第一表面上形成至少一个 喷嘴。随后，使在第二表面上的光防护层对一个图像曝光，形成沿着 在第一表面的防刻蚀材料中形成的至少一个孔的圆周伸展的图案。随 后在图案的部位除去在第二表面上的防刻蚀材料。与被除去的第二光 防护层的图案相重合地除去材料，以形成一个贮室，它伸展进入基底 的程度为把贮室与至少一个通道连接起来所需要的程度。随后，把防 刻蚀的材料施加到基底的所有暴露的表面上，以形成电雾化装置。该 方法还包括在把防刻蚀的材料施加到基底的所有暴露的表面上之后， 在所有表面上涂布一层氮化硅的步骤。

本发明的另一方面针对生产电雾化装置的另一种方法，它包括如下 步骤：提供一块基底，它有相对的第一和第二表面，用一个光防护层 在一种防刻蚀材料上涂布第一侧面。使在第一表面上的光防护层对一 个图像曝光，以形成形式为在第一表面上的至少一个环的图案。除去 在第一表面上被曝光的光防护层，其在至少一个环的外面和里面，留 下未被曝光的光防护层。由基底的第一表面除去防刻蚀的材料，在这 些部位已经除去了曝光的光防护层，以在防刻蚀的材料中形成孔。由 第一表面除去光防护层。在第二表面上在防刻蚀材料上提供光防护 层，并使该光防护层对一个图像曝光，以形成沿着在第一表面的防刻 蚀材料中形成的至少一个环的圆周伸展的图案。除去在第二表面上被 曝光的光防护层。与被除去的光防护层的图案相重合地除去在第二表 面上的防刻蚀材料。与在第二表面上被除去的防刻蚀层相重合地由基 底除去材料，以形成伸展进入基底的一个贮室。除去在第二表面上的 剩余光防护层。用防刻蚀材料涂布第二表面。用第二光防护层涂布第 一表面。使在至少一个环内的第二光防护涂层对一个图像曝光。由在 至少一个环内除去曝光的第二光防护涂层，以形成至少一个孔。与在 第一表面上的第二光防护层中的至少一个孔重合地由基底除去材料， 以形成至少一个通道，它穿过在第一表面上的第二光防护层伸展，并 伸展进入基底中，其程度为达到涂布贮室的防刻蚀材料所需要的程 度。由第一表面除去光防护层。由围绕着至少一个环除去防刻蚀层而 暴露出的基底除去材料，以在第一表面上形成至少一个喷嘴。由基底 除去涂布贮室的防刻蚀材料。把防刻蚀的材料施加到基底的所有暴露 的表面上，以形成电雾化装置。

本发明的电雾化装置可以由单一的流体流产生多股电雾化卷流，并 且可以同时把该装置与质谱仪结合起来。每股电雾化卷流对于包含在 流体内的被分析物产生一个信号，此信号与被分析物的浓度成正比。 当由一个喷嘴产生多股电雾化卷流时，当被质谱仪测量时，对于给定 的被分析物的离子强度将随着由该喷嘴发出的电雾化卷流的数目增 加。当多个喷嘴阵列产生一股或多股电雾化卷流时，离子强度将随着 喷嘴数目乘以由喷嘴阵列发出的电雾化卷流的数目的乘积增加。

通过用电雾化质谱仪对被分析物进行高灵敏度的分析，本发明获得 了明显的好处。围绕紧密靠近的电雾化喷嘴控制电场的方法提供了在 一个很好地控制的过程中由紧密布置的喷嘴产生多股电雾化卷流的方 法。公开了一种电雾化喷嘴阵列，用来产生溶液的多股电雾化卷流， 目的是当用一台质谱仪测量时所产生的离子响应随着所产生的电雾化 卷流的总数目增加。与先前公开的电雾化系统和方法，相比，本发明 获得了明显的好处，这些系统和方法用来与微流体芯片为基础的装置 相结合，这些装置包括形成单一电雾化的单一喷嘴。

本发明的电雾化装置一般说来包括在注入表面上的入口孔与在喷 射表面(主表面)上的喷嘴之间形成通道的硅基底材料，使得由本装 置产生的电雾化大致与喷射表面垂直。该喷嘴有一个内径和一个外 径，由喷射表面凹进的一个环形部分形成该喷嘴。凹进的环形区域在 径向上由外径伸展。喷嘴的顶端与喷射表面共平面或齐平，最好不超 过喷射表面伸展。这样，可以保护喷嘴不会意外断裂。利用深度的反 应离子刻蚀和其它标准的半导体加工技术由硅基底刻蚀出喷嘴、通道 和凹进的环形区域。

硅基底的所有表面上最好有绝缘层，实现液体样品与基底的电绝 缘，并且使喷射表面与注入表面彼此电绝缘，使得可以单独地把不同 的电压施加到每个表面上、硅基底上和液体样品上。该绝缘层通常是 与氮化硅层结合起来的二氧化硅层。氮化硅层提供了对水汽的屏蔽， 防止水和离子渗透到基底，因此防止在流进通道的流体与基底之间造 成电击穿。电雾化设备最好包括至少一个控制电极，此电极在电路上 与基底接触，为的是把电压施加到基底上。

最好，利用反应离子刻蚀和其它标准的半导体处理技术由硅基底刻 蚀出喷嘴、通道和凹进区域。由一块单晶硅基底整体地制作出注射侧 的结构，穿过基底的流体通道，喷射侧的结构，以及控制电极，也就 是说，它们在一道制造工序的过程中制成，并作为一道工序的结果， 不需要任何处理，也不需要分开部件的组装。

因为采用反应离子刻蚀和其它标准的半导体处理技术制作出该电 雾化装置，这样的装置的喷嘴尺寸可以非常小，例如可以小到2微米 内径和5微米外径。这样，例如有5微米的内径和250微米厚的基底 的穿过基底的流体通道只有4.9pL(“微微升”)的体积。电雾化装 置的这种微米级的尺寸把死体积减到最小，从而当与一种分离装置结 合时提高了效率和分析灵敏度。

本发明的电雾化装置提供了高效率和效果好的电雾化形成。通过提 供流体由其以微米量级的尺寸喷射出的电雾化表面(即，喷嘴的顶 端)，电雾化装置限制了产生Taylor锥体和后来的电雾化所需要的电 压。电雾化装置的喷嘴提供了微米量级的物理粗糙度，强的电场集中 在此粗糙表面上。还有，该电雾化装置的喷嘴包括一个薄的导电硅的 区域，通过绝缘二氧化硅和氮化硅层使此区域与通过喷嘴流动的流体 绝缘。流体电压和基底电压以及把硅基底与流体分离开的绝缘层的厚 度决定了在喷嘴的顶端处的电场。可以在喷射表面上设置附加的电 极，可以与流体的电位和基底的电位无关地把电压施加到这些电极 上，并控制该电压，为的是有利地改变电场，并使电场达到最佳，以 便使由电雾化形成的气相离子聚焦。

本发明的以微芯片为基础的电雾化装置使柱外的分散为最小，这是 由于降低了柱外体积的结果，并使得电雾化的产生效率高、可重复产 生、可靠和稳定。这种电雾化装置适合于用作来自以微芯片为基础的 分离装置的流体的理想的电雾化装置。这种电雾化装置的设计也是坚 固的，使得可以容易地在一个成本有效的高产率的过程中大量生产此 装置。

可以把电雾化装置连接到或者集成到一个采样装置的下游，这取决 于具体的应用。例如，可以把被分析物电雾化到一个表面上，对该表 面进行涂布，或者送到另一个装置中，为了输送、分析和/或合成的目 的。如上所述，此电雾化装置由毫微升级体积的被分析物在大气压力 下形成高度带电的液滴。当使溶剂分子足够地蒸发时高度带电的液滴 产生气相离子，可以例如通过大气压力的电离质谱仪(“API-MS”) 的离子采样孔对这些气相离子进行采样，用来分析被电雾化的流体。

多系统芯片提供了一种采用微机电系统(MEMS)技术制作的快速 地接续进行化学分析的系统。多系统芯片使得可以把多个样品自动地 接续地分离和注入，使得分析的通过量明显地提高，并且可以采用质 谱仪器，用于药物发现的组合物的高通过量检测。

本发明的另一方面提供了一种以硅微芯片为基础的电雾化装置，用 来产生液体样品的电雾化。可以把此电雾化装置在下游对接到大气压 力的电离质谱仪(“API-MS”)上，用来对电雾化的流体进行分析。

用于来自同一的流体流的流体进行电雾化的多个喷嘴的用途扩展 了以微芯片为基础的电雾化装置的有用的流速范围。这样，可以以较 高的流速把流体引进多个电雾化装置中，因为可以把总流速在所有的 喷嘴之间分配。例如，对每个流体通道使用10个喷嘴，总流速可以比 当每个流体通道仅只使用一个喷嘴时高10倍。同样，对每个流体通道 使用100个喷嘴，总流速可以比当每个流体通道仅只使用一个喷嘴时 高100倍。形成这些电雾化装置的制造方法使得可以容易地把多个喷 嘴与单一的流体流通道结合在一起，大大地扩展了有用的流体流速的 范围，并增加了对于微流体装置的质谱分析灵敏度。

                           附图说明

图1A示出了本发明的一个喷嘴的电雾化装置的平面图；

图1B示出了本发明的两个喷嘴的电雾化装置的平面图；

图1C示出了本发明的三个喷嘴的电雾化装置的平面图；

图1D示出了本发明的十四个喷嘴的电雾化装置的平面图；

图2A示出了本发明的一个喷嘴的电雾化装置的透视图；

图2B示出了本发明的两个喷嘴的电雾化装置的透视图；

图2C示出了本发明的三个喷嘴的电雾化装置的透视图；

图2D示出了本发明的十四个喷嘴的电雾化装置的透视图；

图3A示出了本发明的一个喷嘴的电雾化装置的剖面图；

图3B示出了本发明的两个喷嘴的电雾化装置的剖面图；

图3C示出了本发明的三个喷嘴的电雾化装置的剖面图；

图3D示出了本发明的十四个喷嘴的电雾化装置的剖面图；

图4为本发明的电雾化装置的注入侧或贮室侧的透视图；

图5A示出了本发明的两个喷嘴的电雾化装置的剖面图，由每个喷 嘴产生一股电雾化卷流；

图5B示出了本发明的两个喷嘴的电雾化装置的剖面图，由每个喷 嘴产生两股电雾化卷流；

图6A示出了本发明的一个喷嘴的电雾化装置的透视图，由一个喷 嘴产生一股电雾化卷流；

图6B示出了本发明的一个喷嘴的电雾化装置的透视图，由一个喷 嘴产生两股电雾化卷流；

图6C示出了本发明的一个喷嘴的电雾化装置的透视图，由一个喷 嘴产生三股电雾化卷流；

图6D示出了本发明的一个喷嘴的电雾化装置的透视图，由一个喷 嘴产生四股电雾化卷流；

图7A示出了微机械制造出的电雾化喷嘴的摄像机抓拍照片，由一 个喷嘴产生一股电雾化卷流；

图7B示出了微机械制造出的电雾化喷嘴的摄像机抓拍照片，由一 个喷嘴产生两股电雾化卷流；

图8A示出了正在进行电雾化的一种溶液的全离子色谱图 (“TIC”)；

图8B示出了在m/z 315处经过质子化的被分析物的质谱图。区域 1为由一个喷嘴形成的一股电雾化卷流的离子强度。区域2来自由一个 喷嘴形成的两股电雾化卷流。区域3来自由一个喷嘴形成的三股电雾 化卷流。区域4来自由一个喷嘴形成的四股电雾化卷流。区域5来自 由一个喷嘴形成的两股电雾化卷流；

图9A示出了来自图8B的区域1的质谱图；

图9B示出了来自图8B的区域2的质谱图；

图9C示出了来自图8B的区域3的质谱图；

图9D示出了来自图8B的区域4的质谱图；

图10为在m/z 315处的离子强度关于由一个喷嘴发出的电雾化卷 流的股数的图表；

图11A为一个电雾化装置的四喷嘴组的2乘2阵列的平面图；

图11B为经一排喷嘴的一条线取的四喷嘴组的2乘2阵列的透视 图；

图11C为一个电雾化装置的四喷嘴组的2乘2阵列的剖面图；

图12A为20微米直径的喷嘴的剖面图，喷嘴的高度为50微米； 流体的电压为1000V，基底的电压为0V，而第三电极(由于图的比 例的原因未画出)位于离开基底5毫米的位置，并有0V的电压。以 50V的增量示出了等电位电力线；

图12B为围绕在图12A所示出的喷嘴的一个扩展的区域；

图12C为20微米直径的喷嘴的剖面图，喷嘴的高度为50微米； 流体的电压为1000V，基底的电压为0V，而第三电极(由于图的比 例的原因未画出)位于离开基底5毫米的位置，并有800V的电压。 以50V的增量示出了等电位电力线；

图12D为20微米直径的喷嘴的剖面图，喷嘴的高度为50微米； 流体的电压为1000V，基底的电压为800V，而第三电极(由于图的 比例的原因未画出)位于离开基底5毫米的位置，并有0V的电压。 以50V的增量示出了等电位电力线；

图13A-13C为本发明的电雾化装置的剖面图，示出了一个离散的 样品转移到包含在基底表面上的一个贮室中；

图13D为本发明的电雾化装置的剖面图，示出了溶剂的蒸发，留 下了包含在贮室表面上的流体中的被分析物；

图13E为本发明的电雾化装置的剖面图，示出了在注入表面上密 封的一个流体探头，该表面送出重新构成的流体以将被分析物重新溶 解，用于电雾化质谱法分析；

图14A为电雾化装置的掩模一的平面图；

图14B为硅基底200的剖面图，示出了二氧化硅层210和212以 及光防护层208；

图14C为硅基底200的剖面图，示出了除去光防护层208，以在光 防护层中形成204和206的图案；

图14D为硅基底200的剖面图，示出了由区域204和214除去二 氧化硅210，把在这些区域的硅基底暴露出来，在二氧化硅层210中形 成204和206的图案；

图14E为硅基底200的剖面图，示出了除去光防护层208；

图15A为电雾化装置的掩模二的平面图；

图15B为图14E的硅基底200的剖面图，此基底带有一层新的光 防护层208’；

图15C为硅基底200的剖面图，示出了除去光防护层208’，以在 光防护层中形成204的图案，并把硅基底218暴露出来；

图15D为硅基底200的剖面图，示出了由区域218除去硅基底材 料，以形成柱体224；

图15E为硅基底200的剖面图，示出了除去光防护层208’；

图15F为硅基底200的剖面图，示出了暴露的硅基底200的热氧 化，以分别在暴露的硅的水平表面和竖直表面上形成二氧化硅层226 和228；

图15G为硅基底200的剖面图，示出了由所有水平的表面上选择 性地除去二氧化硅层226；

图15H为硅基底200的剖面图，示出了除去硅基底220，以围绕着 喷嘴232形成一个环形空间230；

图16A为电雾化装置的掩模三的平面图，示出了贮室234；

图16B为图15I的硅基底200的剖面图，此基底在二氧化硅层212 上带有一层新的光防护层232；

图16C为硅基底200的剖面图，示出了除去光防护层232，以在光 防护层中形成234的图案，把二氧化硅236暴露出来；

图16D为硅基底200的剖面图，示出了由区域234除去二氧化硅 236，以把在234图案中的硅238暴露出来；

图16E为硅基底200的剖面图，示出了由区域234除去硅238，以 234的图案形成贮室240；

图16F为硅基底200的剖面图，示出了除去光防护层232；

图16G为硅基底200的剖面图，示出了暴露的硅基底200的热氧 化，以在所有暴露的硅表面上形成二氧化硅层242；

图16H为硅基底200的剖面图，示出了氮化硅244的低压蒸气沉 积，把电雾化装置300的所有表面共形地涂布起来；

图16I为硅基底200的剖面图，示出了在硅基底200上的电极246 的金属沉积；

图17A为电雾化装置的掩模四的平面图；

图17B为硅基底300的剖面图，示出了二氧化硅层310和312，以 及光防护层308；

图17C为硅基底300的剖面图，示出了除去光防护层308，以在光 防护层中形成304和306的图案；

图17D为硅基底300的剖面图，示出了由区域318和320除去二 氧化硅310，以在这些区域中的硅基底暴露出来，在二氧化硅310中形 成204和206的图案；

图17E为硅基底300的剖面图，示出了除去光防护层308；

图18A为电雾化装置的掩模五的平面图；

图18B为硅基底300的剖面图，示出了在二氧化硅层312上沉积 一个正向工作的光防护层326；

图18C为硅基底300的剖面图，示出了除去光防护层326的被暴 露的区域324；

图18D为硅基底300的剖面图，示出了对二氧化硅层312的被暴 露的区域328进行刻蚀；

图18E为硅基底300的剖面图，示出了对贮室332进行刻蚀；

图18F为硅基底300的剖面图，示出了除去剩余的光防护层326；

图18G为硅基底300的剖面图，示出了沉积二氧化硅层334；

图19A为电雾化装置的掩模六的平面图，示出了穿透晶片的通道 304；

图19B为硅基底300的剖面图，示出了在二氧化硅层310上沉积 一层光防护层308’；

图19C为硅基底300的剖面图，示出了除去光防护层的被暴露的 区域304；

图19D为硅基底300的剖面图，示出了对穿透晶片的通道336进 行刻蚀；

图19E为硅基底300的剖面图，示出了除去光防护层308’；

图19F为硅基底300的剖面图，示出了除去硅基底320，以围绕喷 嘴形成环形的空间338；

图19G为硅基底300的剖面图，示出了除去二氧化硅层310、312 和334；

图20A为硅基底300的剖面图，示出了沉积二氧化硅层342，把电 雾化装置300的所有硅表面涂布起来；

图20B为硅基底300的剖面图，示出了氮化硅层344的沉积，把 电雾化装置300的所有表面涂布起来；

图20C为硅基底300的剖面图，示出了对电极346和348的金属 沉积；

图21A和21B示出了按照本发明制造的多喷嘴装置的扫描电子显 微镜图像的透视图；

                           具体实施方式

在喷嘴的顶端对电场的控制对于以微芯片为基础的微流体系统成 功地产生电雾化是一个重要的因素。在由一块整体的硅基底微型制作 出的喷嘴中和围绕该喷嘴本发明对于电场提供了足够的控制和限定， 为的是由位置紧靠在一起的喷嘴形成多股电雾化卷流。采用设计用来 对三维结构进行微机械加工的微机电系统(“MEMS”)制造技术由一 块硅基底制作出本发明的喷嘴系统。MEMS技术特别是深度的反应离子 刻蚀(“DRIE”)使得可以对小的竖直结构进行刻蚀，这些小的结构 是为了成功地对流体进行毫微级电雾化形成形式为喷嘴的微米尺寸的 表面所需要的。也使用二氧化硅和氮化硅的绝缘层用来围绕喷嘴独立 地施加电场，最好通过把一个电压施加到通过硅装置流动的流体上并 把一个电压施加到硅基底上实现。这种独立地把电压施加到由喷嘴顶 端流出的流体和硅基底上在喷嘴的顶端产生一个强电场，数量级在108 V/m。在喷嘴的顶端的这个强电场使得可以形成Taylor锥体，流体射 流和高度带电的流体液滴，这些是对流体产生电雾化的特征。这两个 电压，即流体电压和基底电压，控制着由这种以微芯片为基础的电雾 化装置形成稳定的电雾化。

已经很好地知道硅和以硅为基础的材料的电性能。已经很好地知道 使用在硅基底的表面上生长或沉积的二氧化硅层和氮化硅层以提供电 绝缘性能。把二氧化硅层和氮化硅层与带有所形成的喷嘴的整块的硅 电雾化装置结合起来增强了在由整块的硅基底刻蚀出的结构中的电场 和围绕这些结构的电场。这是通过独立地把电压施加到由喷嘴流出的 流体上和施加到围绕喷嘴的区域上实现的。可以在一个炉子中通过加 热把二氧化硅层生长到所要求的厚度。可以采用低压化学蒸气沉积 (“LPCVD”)沉积氮化硅。可以进一步用蒸气沉积把金属沉积在这些 表面上，使得可以把电压施加到该装置的表面上。二氧化硅和氮化硅 层的功能都是作为电绝缘层，使得可以把电压施加到基底上，此电压 与施加到装置的表面上的电压不同。氮化硅的一个重要特点是它在硅 基底、二氧化硅与任何可能与该装置接触的流体样品之间提供了对水 汽的阻挡。氮化硅防止水和离子通过二氧化层扩散到硅基底，这种扩 散可能在流体与硅基底之间引起电击穿。还可以在氮化硅层上沉积二 氧化硅、金属和其它材料的附加层，对以硅为基础的装置提供化学功 能。

图1A-1D分别示出了有1、2、3和14个喷嘴的本发明的电雾化装 置。图2A-2D示出了电雾化装置的喷嘴一侧的透视图，分别示出了由 硅基底200刻蚀出的1、2、3和14个喷嘴232。图3A-3D分别示出了 有1、2、3和14个喷嘴的电雾化装置的剖面图。穿透晶片的通道224 把装置的喷嘴或喷射一侧和装置的贮室或注入一侧连接起来，因此产 生穿过硅基底200的流体通道。

可以用一个流体发送装置比如一个探头、导管、毛细管、微量滴管、 微芯片或者类似装置把流体引进这个微型制作的电雾化装置中。图4 的透视图示出了一个探头252，把它移到与本发明的电雾化装置的注入 侧或贮室侧接触。该探头可以有一个一次性的顶端。这个流体探头在 其顶端有一个密封件，例如一个o形环254，以在探头顶端与基底200 的注入表面之间形成密封。图4示出了在一整块基底上制作出的多个 电雾化装置的一个阵列。为了清楚，只示出了一个流体样品处理装置， 然而，可以采用多个流体采样装置对按照本发明的一个或多个电雾化 装置提供一个或多个流体样品。可以把流体探头和基底以三维的方式 处理，为的是例如对在一台质谱仪或其它样品检测设备前面的不同装 置进行分阶段处理。

如在图5中所示出的那样，为了产生电雾化，可以用例如毛细管 256、微量滴管或微芯片把流体送到电雾化装置250的穿过基底的通道 224。流体经受到例如在毛细管256中或者在贮室242中的电压，或者 通过设在贮室表面上并与周围的表面区域以及基底200绝缘的一个电 极受到电压。也可以通过在硅基底200的边缘上的电极246把电压施 加到硅基底上，此电压的大小最好是可调节的，为的是使电雾化特性 达到最佳。流体流过通道224，并以Taylor锥体258、液体射流260 以及非常细的高度带电的流体液滴262的形式由喷嘴232流出。图5 示出了本发明的两喷嘴阵列的剖面图。图5A示出了由用于单一流体流 的每个喷嘴产生一股电雾化卷流的两喷嘴电雾化装置的剖面图。图5B 示出了由用于单一流体流的每个喷嘴产生两股电雾化卷流的两喷嘴电 雾化装置的剖面图。

喷嘴232提供了促进形成Taylor锥体258并形成流体256的有效 电雾化262的物理表面粗糙度。喷嘴232也形成穿过晶片的通道224 的连续部，并用作该通道的出口孔。凹进的环形区域230用来在物理 上把喷嘴232与表面隔绝起来。本发明使得可以使由喷嘴232流出的 流体232发出的电场力线达到最佳，例如通过独立地控制流体256的 电压和基底200的电压实现这种最佳。

图6A-6D分别示出了由一个喷嘴232产生1、2、3和4股卷流。 图7A-7B分别示出了由一个喷嘴产生一股电雾化卷流和由一个喷嘴产 生两股电雾化卷流的本发明的微型制造的电雾化装置的摄像机抓拍照 片。图8示出了由一个喷嘴产生1到4股电雾化卷流的本发明的微型 制造的电雾化装置获得的质谱结果。施加到流体的电压与施加到基底 上的电压的相对大小控制所产生的电雾化卷流的数目。图8A示出了由 本发明的微型制造的电雾化装置对流体的电雾化所产生的包含5微摩 尔浓度的被分析物的溶液的全离子色谱图(“TIC”)。这个例子的基 底电压保持为零伏(V)，而改变流体电压来控制由喷嘴流出的电雾化 卷流的数目。图8B示出了被分析物选择在m/z 315处的质谱图。在这 一示例中，区域I为用950V的流体电压由喷嘴顶端流出的一股电雾 化卷流。区域II为用1050V的流体电压由喷嘴顶端流出的两股电雾 化卷流。区域III为用1150V的流体电压由喷嘴顶端流出的三股电雾 化卷流。区域IV为用1250V的流体电压由喷嘴顶端流出的四股电雾 化卷流。区域V为由喷嘴顶端流出的两股电雾化卷流。

图9A示出了有一股电雾化卷流的区域I所产生的质谱图。图9B 示出了有两股电雾化卷流的区域II所产生的质谱图。图9C示出了有 三股电雾化卷流的区域III所产生的质谱图。图9D示出了有由喷嘴顶 端流出的四股电雾化卷流的区域IV所产生的质谱图。由这些结果清楚 地看到：本发明可以使被质谱仪测量的被分析物的响应与由喷嘴顶端 流出的电雾化卷流数目成比例地增加。图10对于由喷嘴顶端流出的 1、2、3和4股电雾化卷流在m/z 315处的离子强度列出图表。

图11A-11C示出了一个有二乘二阵列的电雾化装置的系统。每个 装置有一组四个电雾化喷嘴，与包含单一的流体样品源的一个共同的 贮室流体连通。因此，这个系统可以对于每股流体流直到四股不同的 流体流产生多次雾化。

可以采用SIMIONTM离子光学软件模拟喷嘴顶端的电场。SIMIONTM 使得可以对于确定的电极阵列模拟出电场力线。图12A示出了20微米 直径的喷嘴232的剖面图，喷嘴的高度为50微米。流过喷嘴232并由 形状为半球形的喷嘴顶端流出的流体256有1000V的电压。基底200 有零伏的电压。一个模拟的第三电极(由于图的比例在图中未画出) 位于离开基底的喷嘴一侧5毫米的位置，并有零伏的电压。这个第三 电极一般是大气压电离质谱仪的离子取样孔。这模拟了用来形成一个 Taylor锥体所需要的电场，而不是维持电雾化所需要的电场。图12A 以50V的增量示出了等电位线。等电位线的间隔靠得越近，电场越强。 在有这样的尺寸和电压的流体顶端的模拟电场为8.2×107V/m。图12B 示出了围绕图12A的喷嘴的一个扩大的区域，示出了等电位线更多的 细节。图12C示出了围绕同一个喷嘴的等电位线，但是流体电压为1000 V，基底电压为零V，并且第三电极电压为800V。在喷嘴顶端的电场 强度为8.0×107V/m，表明这个第三电极所施加的电压对喷嘴顶端的电 场几乎没有影响。图12D示出了围绕同一个喷嘴的电力线，但是流体 电压为1000V，基底电压为800V，而第三电极电压为0V。在喷嘴 顶端的电场强度明显地降低到2.2×107V/m。这表明本发明通过独立地 控制所施加的流体电压和基底电压实现了对在喷嘴顶端的电场非常精 细的控制，并且，在喷嘴顶端的电场对于其它电极相当不敏感，这些 其它电极的位置离开装置一直可以达到5毫米。对在喷嘴顶端的电场 这样水平的控制对于来自一个喷嘴的流体进行电雾化非常重要此喷嘴 与基底的表面共平面。

这种对电场的精细控制使得可以严格地控制来自这些喷嘴的流体 的电雾化。当由本发明对流体进行电雾化时，这种对电场的精细控制 使得可以由单一的喷嘴可控地形成多个Taylor锥体和多股电雾化卷 流。通过简单地提高流体电压，同时维持基底电压在零V，由一个喷嘴 发出的电雾化卷流的数目可以阶梯形地由一股增加到四股，如在图6 和7中所示出的那样。

在喷嘴顶端的强电场对由喷嘴流出的流体内包含的离子施加作用 力。当相对于基底电压把一个正电压施加到流体上时，这个作用力把 带正电荷的离子推到流体表面。由于带相同电荷的离子的排斥力， Taylor锥体的表面积一般确定并限制在流体表面可以驻留的离子的总 数目。一般相信：当离子驻留在流体的表面上时，对于电雾化一种被 分析物的气相离子可能最容易由该被分析物形成。随着在喷嘴顶端 Taylor锥体的数目增加，流体的总表面积增加，造成在形成电雾化之 前在流体的表面上的溶液相离子增加。当电雾化卷流的数目增加时， 被质谱仪测量的离子强度将增强，如在上面的示例中所示出的那样。

本发明的另一个重要特点在于：因为围绕每个喷嘴的电场最好由在 喷嘴顶端的流体电压和基底电压确定，所以可以在很接近的距离内， 在几十微米的数量级上设置多个喷嘴。本发明的这个新颖的特点使得 可以由单股流体流的多个喷嘴形成多股电雾化卷流，因此，大大提高 以微芯片为基础的电雾化装置可以使用的电雾化灵敏度。在流体上彼 此连通的一个电雾化装置的多个喷嘴不仅改进了灵敏度，而且提高了 该装置的流过能力。例如，通过尺寸为10微米内径、20微米外径、50 微米长的一个喷嘴的单股流体流的流速大约是每分钟1微升；而通过 200个这样的喷嘴的流速大约为每分钟200微升。因此，可以把装置制 作成有流速高达每分钟2微升的能力，由大约每分钟2微升到大约每 分钟1毫升，由大约每分钟100毫微升到大约每分钟500毫微升，并 且可能比大约每分钟2微升更高。

按照本发明可以制作出有任何喷嘴数目和格式的多个电雾化装置 的阵列。可以把电雾化装置的位置做成由装置的低密度阵列到高密度 阵列构成。可以提供的这些阵列在相邻装置之间的间隔分别为9毫米、 4.5毫米、2.25毫米、1.12毫米、0.56毫米、0.28毫米并且更小， 直到紧靠着地离开大约50微米的间隔，这些尺寸与用于液体处理或者 由电雾化系统接受样品的商业仪器中所使用的间隔相对应。类似地， 可以把电雾化装置的系统制作成阵列的装置密度超过大约每平方厘米 5个装置，超过大约每平方厘米16个装置，超过大约每平方厘米30 个装置，超过大约每平方厘米81个装置，最好由大约每平方厘米30 个装置到大约每平方厘米100个装置。

可以按照多种因素确定电雾化装置的密度，比如按照具体的应用， 布置的设计以及上游和/或下游的装置，电雾化装置将与这些装置对接 或者集成。还有，可以对于流体样品所要求的流速使通道和喷嘴的尺 寸达到最佳。使用反应离子刻蚀技术使得生产小直径的喷嘴可以是能 重复生产的并且是成本有效的，例如喷嘴有2微米内径和5微米外径。 可以把这些喷嘴制作成接近到离开20微米，使得密度高达大约每平方 厘米160000个喷嘴。在一个电雾化装置中可以分别提供高达大约每平 方厘米10000个喷嘴，高达大约每平方厘米15625个喷嘴，高达大约 每平方厘米27566个喷嘴，以及高达大约每平方厘米40000个喷嘴的 喷嘴密度。类似地，可以提供这样的喷嘴：其中在注射表面上于雾化 单元的相邻出口孔的中心之间的间隔分别小于大约500微米，小于大 约200微米，小于大约100微米，以及小于大约50微米。例如，由外 径为20微米的一个喷嘴的电雾化装置可能分别有一个30微米宽的围 绕的样品阱(well)。这种喷嘴的紧密填充的阵列的间隔当由喷嘴中 心测量时可以接近到只离开50微米。

在一个当前优选的实施例中，电雾化装置的硅基底大约250-500 微米厚，穿过基底的通道的截面积小于大约2500平方微米。在通道为 圆形截面的情况下，通道和喷嘴有达到50微米的内径，更可取的是达 到30微米；喷嘴有达到60微米的外径，更可取的是达到40微米；喷 嘴的高度(以及环形区域的深度)达到100微米。凹进的部分最好由 喷嘴向外伸展达到300微米。二氧化硅层的厚度大约为1-4微米，最 好1-3微米。氮化硅层的厚度大约小于2微米。

还有，可以使电雾化装置运行产生出较大的带电极少的液滴。这通 过把在喷嘴出口的电场减小到比在给定的流体中产生电雾化所要求的 值要低的一个值实现。调节流体的电压与基底电压的比值控制此电 场。流体电压与基底电压的比值大约小于2对于形成液滴来说是优选 的。在这种运行模式下液滴的直径由流体的表面张力，所施加的电压 以及到液滴接收阱或板的距离来控制。这种运行模式理想上适用于输 送和/或分配多股离散的流体，并且可能在比如喷墨打印机的装置和需 要流体的可控分布的设备和仪器中找到用途。

本发明的电雾化装置包括一种在贮室表面上的通道孔与在喷嘴表 面上的喷嘴之间形成一个通道的硅基底材料，使得由本装置产生的电 雾化大致与喷嘴表面垂直。该喷嘴有一个内径和一个外径，由表面凹 进的一个环形部分形成该喷嘴。凹进的环形区域由喷嘴的外径在径向 上伸展。喷嘴的顶端与基底表面共平面或齐平，最好不超过基底表面 伸展。以这样的方式，可以保护喷嘴不会意外断裂。利用反应离子刻 蚀和其它标准的半导体处理技术由硅基底刻蚀出喷嘴、通道、贮室、 和凹进区域。

硅基底的所有表面最好有绝缘层，实现液体样品与基底的电绝缘， 使得可以单独地把不同的电压施加到基底和液体样品上。该绝缘层可 以是与氮化硅层结合起来的二氧化硅层。氮化硅层提供了对水汽的屏 蔽，防止水和离子渗透到基底，在流进通道的流体与基底之间造成电 击穿。电雾化设备最好包括至少一个控制电极，此电极在电路上与基 底接触，为的是把电压施加到基底上。

最好，利用反应离子刻蚀和其它标准的半导体处理技术由硅基底刻 蚀出喷嘴、通道和凹进区域。最好由一块单晶硅基底整体地制作出喷 嘴侧的结构，穿过基底的通道，贮室侧的结构，以及控制电极，也就 是说，它们在一道制造工序的过程中制成，并作为一道工序的结果， 不需要任何处理，也不需要分开部件的组装。

因为采用反应离子刻蚀和其它标准的半导体处理技术制作出该电 雾化装置，这样装置的尺寸可以非常小，例如可以小到2微米内径和5 微米外径。这样，例如有5微米的内径和250微米厚的基底的穿过基 底的流体通道只有4.9pL的体积。电雾化装置的这种微米级的尺寸把 死体积减到最小，从而当与一种分离装置结合时提高了效率和分析灵 敏度。

本发明的电雾化装置提供了高效率和效果好的电雾化形成。通过提 供流体由该表面以微米量级的尺寸喷射出的电雾化表面，电雾化装置 限制了产生Taylor锥体所需要的电压，这是因为该电压与喷嘴直径， 流体的表面张力，以及喷嘴离开引导电极的距离无关。电雾化装置的 喷嘴提供了微米量级的物理粗糙度，强的电场集中在此粗糙表面上。 还有，该电雾化装置可以在喷出表面上设置附加的电极，可以把电压 施加到这些电极上，并可以控制电压，而与流体和引出电极的电位无 关，为的是有利地改变电场并使电场达到最佳，以便使由流体的电雾 化形成的气相离子聚焦。这样，喷嘴与附加电极的结合增强了在喷嘴、 基底与引出电极之间的电场，最好把电极的位置定在离开出口孔大约 500微米以内的位置，更可取地在离开出口孔大约200微米以内的位 置。

本发明的以微芯片微基础的电雾化装置使柱外的分散为最小，这是 由于降低了柱外体积的结果，并使得电雾化的产生效率高、可重复产 生、可靠和稳定。这种电雾化装置适合于用作来自以微芯片为基础的 分离装置的流体的理想的电雾化装置。这种电雾化装置的设计也是坚 固的，使得可以容易地在一个成本有效的高产率的过程中大量生产此 装置。

在使用中，把导电的或部分导电的流体样品引进在注入表面上的穿 过基底的通道入口孔。或者靠把流体送到电雾化装置的导电装置，或 者靠在与周围的表面区域绝缘并与基底绝缘的在注入表面上形成一个 电极，把流体保持在一定电压。通过把一个电压施加到基底上和/或施 加到注入表面上增强在喷嘴的顶端的电场强度，此电压最好为零伏直 到大约比施加到流体的电压的一半低。这样，通过独立地控制流体/喷 嘴和基底/喷射表面的电压，本发明的电雾化装置使得由喷嘴发出的电 场可以达到最佳。可以把本发明的电雾化装置设置在离开大气压电离 (“API”)质谱仪的孔1-2毫米或直到10毫米的位置，在每分钟几 毫微升流速的范围内建立稳定的毫微级电雾化。

可以把电雾化装置对接到或者集成到一个采样装置的下游，这取决 于具体的应用。例如，可以把被分析物电雾化到一个表面上，对该表 面进行涂布，或者送到另一个装置中，为了输送、分析和/或合成的目 的。如上所述，此电雾化装置由毫微升级体积的被分析物在大气压力 下形成高度带电的液滴。当使溶剂分子足够地蒸发时高度带电的液滴 产生气相离子，可以例如通过大气压力的电离质谱仪(“API-MS”) 的离子采样孔对这些气相离子进行采样，用来分析被电雾化的流体。

本发明的一个实施例的形式为多个电雾化装置的阵列，这使得可以 进行大量的平行加工处理。随后可以把在单一晶片上通过大量平行加 工处理制造出的多电雾化装置或系统切开或用其它方式分开，成为多 个装置或系统。

此电雾化装置也可以用来通过毫微级电雾化或者通过液滴的方法 可重复性地把一种样品由一块母板分布和沉积到子板上。包括一个反 应阱块体的以芯片为基础的组合化学系统可以形成一个贮室阵列，用 来包容来自一种组合合成的化合物的反应产物。该反应阱块体还形成 通道、喷嘴和凹进部分，使得在每个贮室中的流体可以流过一个相应 的通道，并以液滴的形式通过一个相应的喷嘴流出。反应阱块体可以 以任何希望的构形形成任何数目的贮室，每个贮室有适当的尺寸和形 状。一个贮室的体积的范围可以由几微微升一直到几微升。

反应阱块体可以用作对接到以微芯片为基础的化学合成设备的一 块母板，使得可以采用电雾化装置的液滴方法可重复性地把预估数量 的产品溶液分布到一块接收板或子板上。该子板确定对应于每个贮室 的接收壁。随后可以利用在子板中被分布的产品溶液在生物靶上筛分 组合化学库。

此电雾化装置也可以用来把来自一块母板的样品阵列可重复性地 分布和沉积到子板上，例如，用于对新的候选药物进行蛋白 (proteomic)筛选。这可以采用液滴形成的方式或者电雾化的运行模 式。可以把电雾化装置刻蚀成能够合成组合化学库的微型装置。在所 要求的时刻，喷嘴可以把来自一块母板的所要求数量的样品或反应物 分配到子板上。控制喷嘴的尺寸、所施加的电压和时间可以提供严格 地和可重复性地对来自一个喷嘴阵列的样品的分配和沉积，比如用来 产生样品板，为的是用基质帮助的激光解吸附/电离飞行时间质谱仪 (“MALDI-TOFMS”)确定分子量。由一块母板把被分析物转移到子板 上的能力也可以用来使其它的子板用于其它类型的分析，比如进行蛋 白(proteomic)筛选。可以在具体应用的基础上把流体与基底电压的 比选择成用来形成电雾化或者形成液滴的方式。

可以把多电雾化装置的阵列构形成散布墨水，在喷墨打印机中使 用。在基底上的喷嘴出口处对电场的控制和增强将使得可以改变墨水 分配方案，这包括形成大约为喷嘴直径两倍的液滴，或者形成亚微米 的高度带电的液滴，用来混合不同颜色的墨水。

可以把本发明的电雾化装置与微型化的液体样品处理装置集成起 来，为的是对液体样品进行高效率的电雾化，使用质谱仪进行检测。 也可以使用电雾化装置分布和分配液体样品，用来与高通量的筛分技 术一起使用。可以把电雾化装置芯片对芯片或者晶片对晶片地粘接到 以塑料、玻璃或者硅以芯片为基础的液体分离装置上，这些分离装置 例如可以进行毛细管电泳，毛细管电色谱，亲合色谱，液体色谱 (“LC”)，或者任何其它凝聚相分离技术。

可以在一块单一的微芯片上制作出本发明的多电雾化装置的阵列 或母体，如采用标准的很好控制的薄膜加工进行硅制作那样。这样不 仅不用处理这些微型部件，而且使得可以对功能类似的部件进行快速 的平行加工处理。这些电雾化装置的低成本使得可以一次性使用，从 而可以消除来自不同液体样品的交叉污染。

图13A-13E示出了把预估数量的样品沉积到本发明的电雾化装置 上。图13A-13C示出了把一种样品沉积到或传递到注入表面上的一个 贮室的流体探头。把通常少于100nL的一个预估体积的流体样品送到 该贮室中。‘点’表示包含在流体内的被分析物。图13D示出了经过 蒸发的流体样品体积，把被分析物留在贮室表面上。可以用一种固定 相比如通常用于LC应用的疏水的C18类的固定相涂布这个贮室表面， 用来增加包含在流体内的被分析物对于贮室表面的分配。图13E示出 了密封在注入表面上的一个流体探头，以把一种流体的流动相送到微 芯片上，重建所传递的被分析物，用电雾化质谱仪进行分析。该探头 可以是一次性的顶端，如毛细管、微量滴管或微芯片。

这样，多系统芯片提供了一种采用微机电系统(MEMS)技术制作 的快速地接续进行化学分析的系统。例如，多系统芯片使得可以把多 个样品自动地接续地分离和注入，使得分析的通过量明显地提高，并 且可以采用质谱仪器例如用于药物发现的组分的高通过量检测。

本发明的另一方面提供了一种以硅微芯片为基础的电雾化装置，用 来产生液体样品的电雾化。可以把此电雾化装置在下游对接到大气压 力的电离质谱仪(“API-MS”)上，用来对电雾化的流体进行分析。 本发明的另一方面是集成的微型化液相分离装置，此装置可以有与电 雾化装置集成在一起的例如玻璃的、塑料的或硅的基底。 电雾化装置的制作步骤

最好采用已经很好建立的可控的薄膜硅加工处理技术比如热氧 化，光刻，反应离子刻蚀(RIE)，化学蒸气沉积，离子注入，以及金 属沉积，把电雾化装置250制作成一块整体的硅基底。采用这些硅加 工处理技术制作使得可以容易地对类似的装置进行大批量的平行加 工，这种制作是时间有效的并且是成本有效的，可以更严格地控制要 求严格的尺寸，可以容易地重复生产，生成整体集成的装置，从而不 需要进行任何组装。还有，可以容易地把制造工序扩展到在电雾化装 置的注入表面和/或喷射表面上产生物理粗糙度或结构，使得可以容易 地对接到或连接到一个流体发送系统上，或者容易地与一个流体发送 子系统集成起来，以产生单一的集成系统。 喷嘴表面加工：

图14A-14E和图15A-15I示出了在制作本发明的电雾化装置的过 程中加工处理基底的喷嘴侧或喷出侧的步骤。参见图14A的平面图， 使用一个掩模形成图案202，此图案将在完成的电雾化装置250中形成 喷嘴的形状。形状为圆204和206的图案分别形成完成的电雾化装置 中的穿过晶片的通道和围绕喷嘴的凹进的环形空间。图14B是沿着图 14A的线14B-14B取的剖面图。把两侧抛光的硅晶片200在一个氧化 环境中加热到升高的温度，在喷嘴侧生长一个二氧化硅层或薄膜210， 并且在基底200的贮室侧生长一个二氧化硅层或薄膜212。所形成的二 氧化硅层210，212中的每一层的厚度大约为1-3微米。二氧化硅层 210，212用作后续的对硅基底200的某些面积进行选择性刻蚀的掩 模。

在基底200的喷嘴侧的二氧化硅层210上沉积一层正向工作的光 防护薄膜208。参见图14C，用通过短波长光比如365，405或者436 毫微米波长的兰光或近紫外光的一个光刻曝光工具经过一个掩模(图 14A)使光防护层204与穿过晶片的通道的入口相对应的面积和光防护 层与凹进的环形区域206相对应的面积选择性地曝光，这些面积和区 域随后将被刻蚀。

如在图14C的剖面图中所示出的那样，在沉积了光防护层208之 后，把光防护层的被暴露的面积204除去，使这些面积对于下面的二 氧化硅层214是敞开的，并把光防护层的被暴露的面积206除去，使 这些面积对于下面的二氧化硅层216是敞开的，而未被暴露的面积仍 然被光防护层208保护。参见图14D，随后，用以氟为基础的等离子体 刻蚀二氧化硅层210的被暴露的面积214，216，这种等离子体对保护 的光防护层208有高度的非各向同性和选择性，直到达到硅基底21g， 220为止。如在图14E的剖面图中所示出的那样，把剩余的光防护层 208由硅基底200上除去。

参见图15A的平面图，使用一个掩模形成图案204，此图案的形状 为圆。图15B是沿着图15A的线15B-15B取的剖面图。在基底200的 喷嘴侧的二氧化硅层210上沉积一层正向工作的光防护薄膜208’。参 见图15C，用通过短波长光比如365，405或者436毫微米波长的兰光 或近紫外光的一个光刻曝光工具通过一个掩模(图15A)使光防护层 204与穿过晶片的通道的入口相对应的面积选择性地曝光。

如在图15C的剖面图中所示出的那样，在沉积了光防护层208’之 后，把对于下面的硅基底218的光防护层的被暴露的面积204除去。 剩余的光防护层208’用作在接续的用以氟为基础的DRIE刻蚀硅的一个 掩模，在竖直方向上刻蚀出在图15D中示出的穿过晶片的通道224。在 刻蚀出穿过晶片的通道224之后，把剩余的光防护层208’由硅基底200 上除去。

如在图15E的剖面图中所示出的那样，除去光防护层208’暴露出 在图14E中示出的在二氧化硅层210中形成的图14A的掩模图案。参 见15F把图15E的硅晶片在一个氧化环境中加热到升高的温度，在晶 片的所有暴露的硅表面上生长一个二氧化硅层或薄膜226，228。参见 图15G，随后，用以氟为基础的等离子体刻蚀二氧化硅层216，这种等 离子体有高度的非各向同性和选择性，直到达到硅基底220为止。把 二氧化硅层228设计成用作在图15H的DRIE刻蚀过程中的刻蚀停止 件，这种DRIE刻蚀用来形成喷嘴232和凹进的环形区域230。

在这里描述的制作过程的一个优点在于：此过程简化了穿过晶片的 通道和凹进的环形区域的准直。这使得更容易制作出较小的喷嘴，而 没有任何掩模的复杂的准直。可以可靠地并且可重复性地限制和控制 穿透通道的尺寸比如长宽比(即，深度比宽度)。 贮室表面的加工：

图16A-16I示出了在制作本发明的电雾化装置250的过程中加工 基底200的贮室侧或注入侧的步骤。如在图16B的剖面图(这是沿着 图16A的线16B-16B取的剖面图)中所示出的那样，在二氧化硅层212 上沉积一层正向工作的光防护薄膜236。采用穿过基底的准直使在贮室 侧的图案与先前在基底的喷嘴侧上形成的那些图案对准。

在对准之后，用通过短波长光比如365，405或者436毫微米波长 的兰光或近紫外光的一个光刻曝光工具通过一个掩模(图16A)使光防 护层236与圆形的贮室234相对应的面积选择性地曝光。如在图16C 的剖面图中所示出的那样，随后对光防护层236进行处理，把光防护 层234的被暴露的面积234除去，使贮室区域对于下面的二氧化硅层 238是敞开的，而未被暴露的面积仍然被光防护层236保护。随后，用 以氟为基础的等离子体刻蚀二氧化硅层212的被暴露的面积238，这种 等离子体对保护的光防护层236有高度的非各向同性和选择性，直到 达到硅基底240为止，如在图16D中所示出的那样。

如在图16E中所示出的那样，以氟为基础的刻蚀产生了形成一个 贮室242的一个圆柱形的区域。对贮室242进行刻蚀直到达到穿过晶 片的通道224为止。在达到所要求的深度之后，在一个氧化等离子体 中或在一个活性氧化化学池比如用过氧化氢(H2O2)活化的硫酸(H2SO4) 中除去剩余的光防护层236。 为了电绝缘对基底的制备

参见图16G，把硅晶片200在一个氧化环境中加热到升高的温度， 在所有的硅表面上生长一个二氧化硅层或薄膜244，达到大约为1-3 微米的厚度。此二氧化硅层用作电绝缘层。进一步采用低压化学蒸气 沉积(LPCVD)沉积氮化硅246，在所有表面上提供一层共成形的氮化 硅涂层，厚度达到2微米，如在图16H中所示出的那样。LPCVD沉积 的氮化硅也提供了进一步的电绝缘和一个液体的屏蔽，它防止引入该 电雾化装置的流体和其中包含的离子在流体与硅基底200之间造成电 连接。这使得可以把电压独立地施加到流体和基底上，用这个电雾化 装置在喷嘴顶端产生强电场，这个强电场是由微芯片装置成功地实现 流体毫微级电雾化所需要的。

在单一的硅晶片上制作出多个电雾化装置之后，可以把晶片切开或 切割成单个的装置。这样暴露出硅基底200的一部分，如在图16I的 剖面图中所示出的那样，在暴露的部分上沉积了一层导电金属248。

将所有的硅表面氧化，形成一定厚度的二氧化硅，可以通过选择温 度和氧化的时间控制此厚度。用氮化硅对所有二氧化硅表面进行LPCVD 涂布。可以选择二氧化硅和氮化硅的最终厚度，在装置中提供所要求 的电绝缘程度。较厚的二氧化硅和氮化硅提供较高的抵抗电击穿的能 力。把硅基底分成所要求的尺寸或者所要求的电雾化装置阵列，为了 把硅基底的边缘金属化的目的。如在图16I中所示出的那样，采用众 所周知的热蒸发和金属沉积技术，用一导电材料248涂布硅基底200 的边缘。

通过由单晶的硅基底刻蚀出电雾化装置的结构而不需要任何组 装，这种制作方法可以使所制作出的电雾化装置有极好的机械稳定 性。对准的方案使得可以重复性地制作出小于2微米的喷嘴壁和低至5 微米的喷嘴外径。进而，可以与它的深度无关地控制凹进的环形区域 的横向尺寸和形状。凹进的环形区域的深度也确定了喷嘴的高度，而 该深度由在基底的喷嘴侧进行刻蚀的程度确定。

上面描述的用于电雾化装置的制作工序可以很容易地用于同时制 作包括多个电雾化装置的单一整体系统，该系统包括在单一的整块基 底上实现的多个通道和/或多个喷射喷嘴。还有，仅只通过例如改变布 局设计和/或通过改变光掩模的极性，并且采用负向工作的光防护层而 不是采用正向工作的光防护层，可以把加工步骤改进成制作类似的或 不同的电雾化装置。

在另一个实施例中，在图17-20中描述了另一种制作技术。这种 技术与前面的技术相比有几个优点，这主要是由于在基底的贮室侧沉 积的刻蚀停止件的功能造成的。这个特点改进了在它的整个长度上直 径一致地穿过晶片的通道的生产。可是刻蚀过程的一个问题是当由内 部接近基底的一个暴露的表面时难以保持一致的通道直径。典型地， 刻蚀过程形成的通道在通道的端部有稍微小一点的直径，这是因为通 道通过开孔折断。通过当与刻蚀停止件接触时对通道稍微过度地刻蚀 可以改进这种情况。还有，刻蚀贮室并在通道刻蚀之前沉积一个刻蚀 停止件的另一个好处在于：避免了有残留在通道开孔上的通道侧面钝 化所造成的微小突出。当形成通孔时，刻蚀停止件的功能也将等离子 体区域与冷却气体隔绝开，并避免了由刻蚀产物造成的可能污染。

图17A-17E和图19A-19G示出了在制作本发明的电雾化装置的过 程中加工基底的喷嘴侧或喷射侧的步骤。图18A-18G示出了在制作本 发明的电雾化装置的过程中加工基底的贮室侧或注入侧的步骤。图 20A-20C示出了为了电绝缘对基底的制备。

参见图17A的平面图，使用一个掩模形成图案302，此图案将在完 成的电雾化装置250中形成喷嘴的形状。形状为圆304和306的图案 分别形成完成的电雾化装置中的穿过晶片的通道和围绕喷嘴的凹进的 环形空间。图17B是沿着图17A的线17B-17B取的剖面图。把两侧抛 光的硅晶片300在一个氧化环境中加热到升高的温度，在基底300的 喷嘴侧上生长一个二氧化硅层或薄膜310，并且在基底300的贮室侧生 长一个二氧化硅层或薄膜312。所形成的二氧化硅层310，312中的每 一层的厚度大约为1-3微米。二氧化硅层310，312用作后续的对硅基 底300的某些面积进行选择性刻蚀的掩模。

在基底300的喷嘴侧上的二氧化硅层310上沉积一层正向工作的 光防护层308。参见图17C，用通过短波长光比如365，405或者436 毫微米波长的兰光或近紫外光的一个光刻曝光工具通过一个掩模(图 17A)使光防护层304与穿过晶片的通道的入口相对应的面积和光防护 层与凹进的环形区域306相对应的面积选择性地曝光，这些面积和区 域随后将被刻蚀。

如在图17C的剖面图中所示出的那样，在沉积了光防护层308之 后，把光防护层的被暴露的面积304除去，使这些面积对于下面的二 氧化硅层314是敞开的，并把光防护层的被暴露的面积306除去，使 这些面积对于下面的二氧化硅层316是敞开的，而未被暴露的面积仍 然被光防护层308保护。参见图17D，随后，用以氟为基础的等离子体 刻蚀二氧化硅层310的被暴露的面积314，316，这种等离子体对保护 的光防护层308有高度的非各向同性和选择性，直到达到硅基底318， 320为止。如在图17E的剖面图中所示出的那样，把剩余的光防护层 308由硅基底300上除去。

参见图18A的平面图，使用一个掩模形成图案324，此图案的形状 为圆。图18B是沿着图18A的线18B-18B取的剖面图。如在图18B的 剖面图中所示出的那样，在二氧化硅层312上沉积一层正向工作的光 防护薄膜326。采用穿过基底的准直使在贮室侧的图案与先前在基底的 喷嘴侧形成的那些图案对准。

在对准之后，用通过短波长光比如365，405或者436毫微米波长 的兰光或近紫外光的一个光刻曝光工具通过一个掩模(图18A)使光防 护层326与圆形的贮室324相对应的面积选择性地曝光。如在图18C 的剖面图中所示出的那样，随后对光防护层326进行处理，把光防护 层的被暴露的面积324除去，使贮室区域对于下面的二氧化硅层328 是敞开的，而未被暴露的面积仍然被光防护层326保护。随后，用以 氟为基础的等离子体刻蚀二氧化硅层312的被暴露的面积328，这种等 离子体对保护的光防护层326有高度的非各向同性和选择性，直到达 到硅基底330为止，如在图18D中所示出的那样。

如在图18E中所示出的那样，以氟为基础的刻蚀产生了形成一个 贮室332的一个圆柱形的区域。对贮室332进行刻蚀直到达到穿过晶 片的通道深度为止。在达到所要求的深度之后，在一个氧化等离子体 中或在一个活性氧化化学池比如用过氧化氢(H2O2)活化的硫酸(H2SO4) 中除去剩余的光防护层326，如在图18F中所示出的那样。

参见图18G，在基底300的贮室侧上沉积等离子体增强的化学蒸气 沉积(“PECVD”)的二氧化硅层334，用作后面对在图19D中示出的 穿过基底的通道336进行刻蚀的刻蚀停止件。

在基底300的喷嘴侧上的二氧化硅层310上沉积一个正向工作的 光防护薄膜308’，如在图19B中所示出的那样。参见图19C，用通过 短波长光比如365，405或者436毫微米波长的兰光或近紫外光的一个 光刻曝光工具通过一个掩模(图19A)使光防护层304与穿过晶片的通 道的入口相对应的面积选择性地曝光。

如在图19C的剖面图中所示出的那样，在沉积了光防护层308’之 后，把对于下面的硅基底318的光防护层的被暴露的面积304除去。 剩余的光防护层308’用作接续的用以氟为基础的DRIE刻蚀硅的一个掩 模，在竖直方向上刻蚀出在图19D中示出的穿过晶片的通道336。在刻 蚀出穿过晶片的通道336之后，把剩余的光防护层308’由硅基底300 上除去，如在图19E的剖面图中所示出的那样。

除去光防护层208’暴露出在图19E中示出的在二氧化硅层310中 形成的图17A的掩模图案。使用以氟为基础的DRIE硅刻蚀在竖直方向 上刻蚀出在图19F中示出的凹进的环形区域338。参见图19G，用一种 氢氟酸处理由基底除去二氧化硅层310，312和334。

在这里描述的制作过程的一个优点在于：此过程简化了穿过晶片的 通道和凹进的环形区域的准直。这使得更容易制作出较小的喷嘴，而 没有任何掩模的复杂准直。可以可靠地并且可重复性地限制和控制穿 透通道的尺寸比如长宽比(即，深度比宽度)。 为了电绝缘对基底的制备

参见图20A，把硅晶片300在一个氧化环境中加热到升高的温度， 在所有的硅表面上生长一个二氧化硅层或薄膜342，达到大约为1-3 微米的厚度。此二氧化硅层用作电绝缘层。进一步采用低压化学蒸气 沉积(LPCVD)沉积氮化硅344，在所有表面上提供一层共成形的氮化 硅涂层，厚度达到2微米，如在图20B中所示出的那样。LPCVD沉积 的氮化硅也提供了进一步的电绝缘和液体的屏蔽，它防止引入该电雾 化装置的流体和其中包含的离子在流体与硅基底300之间造成电连 接。这使得可以把电压独立地施加到流体和基底上，用这个电雾化装 置在喷嘴顶端产生强电场，这个强电场是由微芯片装置成功地实现流 体毫微级电雾化所需要的。

在单一的硅晶片上制作出多个电雾化装置之后，可以把晶片切开或 切割成单个的装置。这暴露出硅基底300的一部分，如在图20C的剖 面图中所示出的那样，在暴露的部分上沉积了一层导电金属346，把此 导电层用作基底电极。在贮室侧的氮化硅层上沉积一层导电金属348， 这一层用作流体的电极。

将所有的硅表面氧化，形成一定厚度的二氧化硅，可以通过选择温 度和氧化的时间控制此厚度。用氮化硅对所有二氧化硅表面进行LPCVD 涂布。可以选择二氧化硅和氮化硅的最终厚度，在装置中提供所要求 的电绝缘程度。较厚的二氧化硅和氮化硅提供较高的抵抗电击穿的能 力。把硅基底分成所要求的尺寸或者所要求的电雾化装置阵列，为了 把硅基底的边缘金属化的目的。如在图20C中所示出的那样，采用众 所周知的热蒸发和金属沉积技术，用一导电材料248涂布硅基底300 的边缘。

通过由单晶的硅基底刻蚀出电雾化装置的结构而不需要任何组 装，这种制作方法可以使所制作出的电雾化装置有极好的机械稳定 性。对准的方案使得可以重复性地制作出小于2微米的喷嘴壁和低至5 微米的喷嘴外径。进而，可以与它的深度无关地控制凹进的环形区域 的横向尺寸和形状。凹进的环形区域的深度也确定了喷嘴的高度，而 该深度由在基底的喷嘴侧进行刻蚀的程度来确定。

图2A和21B示出了按照本发明制作的多喷嘴装置的扫描电子显微 镜图像的透视图。喷嘴的外径为20微米，内径为8微米。喷嘴的节距 是喷嘴中心到喷嘴中心的间隔，为50微米。

上面描述的对于电雾化装置的制作工序可以很容易地用于同时制 作包括多个电雾化装置的单一整体系统，该系统包括在单一的整块基 底上实现的多个通道和/或多个喷射喷嘴。还有，仅只通过例如改变布 局设计和/或通过改变光掩模的极性，并且采用负向工作的光防护层而 不是采用正向工作的光防护层，可以把加工步骤改进成制作类似的或 不同的电雾化装置。 把多系统芯片连接到质谱仪上

可以通过使喷嘴的位置靠近采样孔，使在多系统芯片上的电雾化喷 嘴阵列与质谱仪的采样孔对接。电雾化喷嘴的紧密构形使得它的位置 可以紧邻着质谱仪的采样孔。

可以相对于离子采样孔操纵多系统芯片，对一个或多个喷嘴进行定 位，为的是靠近采样孔进行电雾化。随后，可以把适当的电压施加到 一个或多个喷嘴上，用来实现电雾化。

虽然已经为了说明的目的详细地描述了本发明，但是，应该理解 到，这些细节仅只是为了说明的目的，熟悉技术的人可以做出改变， 而不偏离由下面的权利要求书确定的本发明的范围。

本申请对在1999年12月30日提交的美国临时专利申请序列号 No.60/173674的权益提出权利要求，把该申请的整体结合在这里，作 为参考文件。