【摘要】 本文详解玻璃微纤维基底在纸基ToF-SIMS系统中的创新应用，涵盖激光刻划工艺优化、多肽检测性能验证及工业前景分析，揭示其在高通量分子检测领域的技术优势。

在表面敏感性质谱分析中，背景干扰是长期存在的技术瓶颈。传统纤维素纸基底在拉曼光谱和二次离子质谱（SIMS）分析中易产生高强度背景信号，严重影响检测灵敏度。本研究创新性地采用玻璃微纤维纸作为基底材料，结合激光刻划技术，成功实现多分子平行检测系统的构建。

 

技术突破：玻璃微纤维基底优势解析

玻璃微纤维纸与纤维素纸背景信号对比图：ToF-SIMS谱图显示玻璃基底高质量区背景强度降低80%

图1 （a）和（b）激光刻写OTS sam改性玻璃微纤维滤纸，激光功率设置不同;（c）和（d） 亲水性区域阵列，激光输出为6%。（a）和（c）均为准备模式。（b）和（d）浸泡在水性蓝墨中后，对亲水性和可湿性区域着色

 

作为惰性无机材料，玻璃微纤维纸（主要成分为SiO_x）在以下方面展现显著优势：

1.超低背景特性：硅基材料在m/z>500区域的本底强度仅为纤维素基底的12%-15%

2.​表面工程潜力：通过自组装单层（OTS SAM）改性，可精准调控表面润湿性

3.激光兼容性：纤维直径4μm级结构可承受激光刻蚀而不碳化

 

激光刻划工艺优化关键

不同激光功率刻蚀效果SEM对比：4%功率下OTS层完全去除，纤维结构保持完整

图2 （a）原始玻璃微纤维滤纸的SEM图像。（b）至（f）分别在3%、4%、5%、6%和7%激光功率下激光刻划后的OTS sam改性玻璃微纤维

 

  • 功率阈值：3%以下功率无法有效去除OTS层，4%-5%为最佳工作区间（刻蚀深度120±15nm）
  • ​加工精度：1mm直径亲水区定位误差<50μm，满足微阵列加工需求
  • ​工艺效率：单点加工时间缩短至0.8秒，较传统光刻工艺提升20倍

 

多肽检测性能验证

基于优化参数制备的15×15微阵列（间距1.5mm）展示出：

  • ​检测限突破：C_{60}^+团簇离子源下实现10s/pmol级多肽直接检测
  • ​定量可靠性：SiOx基质信号校正后，混合多肽浓度-强度线性度R²>0.998
  • ​批量检测能力：单次可完成225样本平行分析，通量提升两个数量级

 

工业应用前景

该集成系统在以下领域具有重要应用价值：

  • 生物标志物高通量筛查
  • 药物代谢产物快速分析
  • 表面修饰材料性能评估

当前技术局限主要在于：

  • 激光刻划设备成本较高（约$25k/台）
  • 复杂生物样本基质效应仍需优化

 

参考文献：1.Chu, K.-J.;  Chen, P.-C.;  You, Y.-W.;  Chang, H.-Y.;  Kao, W.-L.;  Chu, Y.-H.;  Wu, C.-Y.; Shyue, J.-J., Integration of paper-based microarray and time-of-flight secondary ion mass spectrometry （ToF-SIMS） for parallel detection and quantification of molecules in multiple samples automatically. Anal. Chim. Acta 2018, 1005, 61-69.

 

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