高效毛细管电泳——非接触式电导检测法

高效毛细管电泳一一非接触式电导检测法测矿泉水中四种阳离子含量化学与化学工程学院分析科学研究所中山大学，广东510275摘要权实验利用高效毛细管电泳的仪器，通过标准加入法，结合非接触式电导检测的方法对中山大学水厂生产的“中大逸仙泉矿泉水产品中的四种金属离子一一KL Na Mg2 Ca?进行定性定量分析。条件：8mmolLTris + 6mmol/L酒石酸为电泳运行液；分离电压+14 kV。结果测得矿泉水样品中K离子浓度为5.30mg/L, Na离子浓度为2.06mg/L, Mg离子浓度为0.44mg/L, Ca离子浓度为L52mg/L。关键词高效毛细管电泳法非接触式电导检测法标准加入法矿泉水阳离子分析。引言矿泉水(Mineral Water)是指水中含有矿物质或其他溶解的物质。而这些物质中的K、Na Mg2 Ca?四种阳离子含量的测定方法，国家标准中对于K'和Na是用火焰发射光度法、火焰原子吸收分光光度法和离子色谱 法等：而Mg?和Ca?则较多使用EDTA二钠滴定法以及火焰原子吸收分光光度法。但以上方法均受限于单元素测 定，效率较低且基底影响较大。现今也有使用ICP作为光源对金属元素进行测定的应用，但仪器价格较为昂贵, 普及度较低。高效毛细管电泳(High Performance Capillary Eletrophoresis,HPCE)利用了电泳和电渗的原理，通过在充满缓冲液的毛细管两边加上高电压后进行电泳，由于样品各组分在毛细管内的迁移速度不同，使得经过一段时间后, 各组分会按照其速度大小顺序依次经过检测器而被检出，从而进行定性和定量分析。该方法具有成本低、分离效 能高、速度快、应用范围广和样品用量少等优点，巳经成为现今重要的分离分析手段。对应的检测手段中，紫外/可见检测器的应用较广泛，但由于检测光程受到毛细管内径的限制导致灵敏度低。而电导法不仅灵敏度高，而且操作简单，其根据电极与待测溶液是否接触分为接触式和非接触式电导检测。而接 触式电导检测一般是将微电极内置于毛细管中，工艺较为复杂，不易维修和清洗，且容易导致污染闵。近些年发 展起来的一种非接触式电导检测法(Contactless Conductivity Detection,CCD ),全称为电容耦合非接触性电导检i则法(Capacitively-Coupled Contactless Conductivity Detection,C4D)则较好地克服 了以上缺点国。综上所述，本实验中将采用高效毛细管电泳-非接触式电导检测法进行阳离子分析，并用标准加入法进行定 性定量辅助分析。1实验部分1.1仪器和试剂仪器：CES2008毛细管电泳仪(中山大学化学与化学工程学院研制)：非接触式电导检测池：熔融石英毛细 管（50cmx50|im）;注射器：微量移液器。试剂：（1） O.lmol-LNaOH溶液：0.1molL气西石酸溶液；O.lmoHJ1三羟甲基氨基甲烷（Tris）溶液。（2） 电泳运行液：移取8mL0.1moH?Tris溶液、6mL0.1 mol-L1酒石酸溶液于100 mL容量瓶中，加超纯水定容至刻度。（3） l.OxlOmol-LV. Na Ca2 Mg2*单一标准溶液。（4）样品:市售瓶装饮用水（本实验采用“中大逸仙泉 矿泉水。进样前稀释30倍。1.2实验过程12.1实验前准备（1）开启：将电导检测池的工作电极、辅助电极和高压地电极与电泳平台上的接线端正确联接。依次打开 计算机，检测器（检测方式设为非接触式电导检测）和高压电源（"进样/分离按钮处于“进样"位置，电压极性设 定为正高压）的电源开关。检测器预热30min°双击Windows桌而上的“CES2008”图标，待出现“毛细管电泳数 据工作站CES2008”界而后，准备进行样品测试工作。（2）“冲管”：在进样端毛细管柱用注射器注入l»2mL电泳运行液，将高压电源的"分离/进样"按钮按向“分 离"位置。设定“分离电压”值为+14 kV （己是默认设定）。2min后停止，将毛细管柱放回装有运行液的储液瓶， 并点击"毛细管电泳数据工作站"工具栏中的“背景"图标，背景测试完毕后弹出一个结果框显示当前的背景值，按 “确认"键后该值自动作为“参数设置”中的“补偿"值，进行背景扣除。（3）“走基线”：点击工具栏中的"启动图标，这时记录开始，可观察到屏幕上显示出基线。待基线稳定 后（一般需要5min）,停止记录，并将"分离/进样"按钮按向“进样"位置，准备进样测量。1.2.2测量（1）样品：吸取3.00 mL矿泉水样品于一个干净的进样瓶中。（2）进样：取下储液瓶，换上盛进样瓶，采用电动进样方式，按照设定的进样参数（进样电压+9.0 kV,时 间为5s）进样。进样结束后，取下进样瓶，换回储液瓶。（3）分离：将高压电源的“分离/进样”按钮按向“分离”位置。点击工具栏中的“启动”图标，开始记录 电泳谱图。待C Na Ca, Mg?+的电泳峰和水峰出现后再运行lmin,点击工具栏中的“停止”图标。随后将 高压电源的“分离/进样”按钮按向“进样位置。点击工具栏中的“峰高”图标，可自动给出电泳峰的“迁移时间” 和“峰高”等数据（也可手动测量）。点击“保存”图标对电泳图谱进行保存。记录峰高和迁移时间。（4）鉴定：用微量移液管逐次移取100jiLK Na Ca2 Mg?+单一标准溶液于重新装入3.00mL的样品的进 样瓶中，按照（2）和（3）的操作步骤，观察峰高变化情况，确定各个电泳峰所对应的离子组分，记录结果。每 一次加标准溶液都应该进行实验前准备工作中的“冲管”和“走基线”的步骤。2结果与讨论2.1实验结果实验谱图如下图:图2矿泉水+K单标图4矿泉ZK+Mg2+单标图5矿泉*+Ca2+单标根据加单标后的峰形对比空白样品可以判断出阳离子在此实验条件下的迁移时间长短为：KSNa+>Mg2+>Ca2且由上述数据，K Na Mg2 Ca?+含量整理得下表：表1阳离子含分析结果待测阳离子迁移时间/s矿泉水中峰高hl加入单标后峰高h2离子含量c/(mg/L)矿泉水瓶注含量/(mg/L)K+2.581672865.301.0-4.0Na+4.061473062.062.0-7.52Mg2+4.50491460.440.15-0.45Ca2+5.42*33 (103)1171.520.51-18.90,图1中的Ca离子峰高度异常，应该是在测量过程中受到了污染，故采用K作为单标加入样品进行检测的图2 中的廿离子峰高度柚(Ca2+) =33来计算以减少原数据带来的偏差。其中各离子加入浓度G =寿=堂也/ = 3.23 x 10-3mmol/L.根据下式: s Vj +V23X>m£+0.1m£'人 1 _“2cx Cx + Cs求算出Cx，再根据离子含量c=cxX30XMr,计算出样品中各目标离子浓度。从表1中可知“中大逸仙泉”矿泉水中各离子含量基本与标注相符，其中K浓度为5.30mg/L,比标注含量偏 高，而Na*浓度为2.06mg/L, Mg?+浓度为O.44mg/L, Ca"浓度为i.52mg/L,均与标注相符e2.2实验结果讨论阳离子迁移时间分析：可以看出钾离子和钠离子的迁移时间较短，镁离子和钙离子的迁移时间较长，与质核 比大小关系Mg2+>Ca2+>Na+>K+出入很大，这其中有很多影响因素，例如：二价碱土金属水合能力更强，实际质核 比偏小，另外，电泳运行液中的酒石酸对Ca离子有螯合作用，与Na离子结合能力也较强，对迁移时间也会产生 一定影响。各离子含量分析：钾离子浓度偏高，最有可能的原因是矿泉水中钾离子浓度偏高了，虽然比瓶注最大值超出 25%,但总含量并不会太大，对水质影响也不明显，属于可以接受的范围：另外也有可能是实验操作过程中的误 差，这方而需要进一步实验验证。钠离子、镁离子和钙离子含量准确落于所标注的区间，说明本次实验准确度较 高，矿泉水标注与实际相符。水样中Ca?,峰偏高：因为实验一开始测得的水样图峰高值均较小，故在最后测完钙离子单标的样品后再测了 一次样品，故最大的可能就是毛细管端或者能与储液瓶接触的地方沾上了少许钙离子的标准溶液，然后在测试水 样的时候又将其溶入，由此导致峰高异常；也有可能是仪器当时受到了环境噪音的影响。发现此问题后本小组原 本应该重测一次，但发现问题的时间与试验时间相距较远，故采用其他谱图中的数据进行计算。综上所述，利用高效毛细管电泳-非接触式电导检测法测定矿泉水中四种阳离子含量简单快速，准确度高。 于是“中大逸仙泉”矿泉水四种阳离子含量除钾离子偏高外均符合标注情况。3思考题1. 接触式电导与非接触式电导的主要区别是什么？答：通常的电导率仪的电极会与溶液直接接触来测溶液的电导率，而非接触式电导检测器原理是连接于毛细 管或高效液相通道上，溶液在管道内流动经过非接触式电导耦合检测器时其内一对电极施加高电压于溶液，根据 溶液中所含物质种类和浓度的不同会产生相应的电信号，信号收集器收集电信号传导给分析记录仪转化为谱图形 式呈现在电脑上。非接触式电导的电极与待测溶液隔离，避免了因电极与溶液接触而造成的诸多问题，有效地消 除了电极中毒的问题，电极寿命长，抗扰能力强，可检测物质的范围广。2. 影响、Na Ca2 M广离子的电泳出峰顺序（即迁移时间）的因素是什么？答：根据迁移速度公式：qE qEv =f 6刑其中Y为离子表现液态动力学半径，为介质的黏度，其他变量在同一电场中保持不变。因此，离子出峰顺序 的主要影响因素是V和4在电泳运行液中，不同离子不是以游离离子形态存在，存在水合的情况，碱上金属的水 合能力强于碱金属，因此水合碱上金属Y较大，导致碱土金属迁移速度偏慢，出峰慢：n的变化主要是来自运行液 组成分酒石酸与各金属螯合作用不同，钙离子和酒石酸的螯合能力相对较强，导致黏度偏大，也导致出峰偏慢。3. 酒石酸起何作用？三羟甲基氨基甲烷(Tris)的作用？答：酒石酸有利于维持金属阳离子形态，保持离子电导率值：三羟甲基氨基甲烷(Tris)作为溶液的缓冲液, 起到稳定溶液PH值的作用，从而稳定各离子在运行液中的形态。因为金属阳离子具有高电荷、低质量、迁移率 相近，一般很难把它们直接分开，必须加入络合剂，使金属离子与络合剂形成具有不同稳定常数的结合物，增加 离子间的迁移率差，以达到分离的目的。三羟甲基氨基甲烷(Tris)是弱碱，它具有缓冲效应，在实验中起缓冲 作用。由于大部分络合剂都为弱酸根，对弱酸电离度的影响决定了对络合剂有效浓度的影响，从而影响络合平衡, 导致分离度的变化。4. 高效毛细管电泳中定量分析的方法有哪几种？本实验为何要采用标准加入法定量？答：主要有标准曲线法、标准加入法和内标法。本实验采取标准加入法，可以从加入不同离子时电泳图的变 化来使峰和离子一一对应，测得样品的峰面积以及加入单一标准溶液后的峰而积，并通过峰而积与离子含量呈正 比的关系求出位置样品中阳离子的浓度，进而求得样品中阳离子的含量。优点有：1、定量分析的同时可以进行 离子峰定性；2、相比标准曲线法简单快速；3、标准加入法操作简单，计算方便。5. 电动进样的优缺点？本实验为何采用电动进样？答：优点：流速稳定