课件：电化学分离技术.ppt

2019/4/19,电化学分离方法,2019/4/19,电泳分离法,在电场作用下，电解质溶液中带电粒子向两极作定向移动的一种电迁移现象。 电泳分离的依据是不同带电粒子迁移率的差别。 与电迁移所不同的是，电泳通常需要一种多孔材料作电解质的支持体，以消除电解质的非定向运动所引起的电泳带变宽，便于取样测定，或获得分离后的组分。 影响电泳的主要因素：带电粒子迁移率、电解质溶液的组成、外加电位梯度、电泳时间等。,2019/4/19,一、高效毛细管电泳基本原理,在电解质溶液中，位于电场中的带电离子在电场力的作用下，以不同的速度向其所带电荷相反的电极方向迁移的现象，称之为电泳。由于不同离子所带电荷及性质的不同，迁移速率不同可实现分离。,1.经典电泳分离法的不足 所用分离柱的柱径大，柱较短，分离效率不高（远低于HPLC），温度影响大。 高效毛细管电泳在技术上采取了两项重要改进。,2019/4/19,2.高效毛细管电泳技术上的重要突破,高效毛细管电泳在技术上采取了两项重要改进： 一是采用了0.05mm内径的毛细管,； 二是采用了高达数千伏的电压。 毛细管的采用使产生的热量能够较快散发，大大减小了温度效应，使电场电压可以很高。 电压升高，电场推动力大，又可进一步使柱径变小，柱长增加， 高效毛细管电泳的柱效远高于高效液相色谱，理论塔板数高达几十万块/米，特殊柱子可以达到数百万。,2019/4/19,3.电泳现象与电渗流现象,电泳现象： 带电离子在电场作用下的迁移，速度电泳,2019/4/19,电渗流现象 当固体与液体接触时，固体表面由于某种原因带一种电荷，则因静电引力使其周围液体带有相反电荷，在液-固界面形成双电层，二者之间存在电位差。,当液体两端施加电压时，就会发生液体相对于固体表面的移动，这种液体相对于固体表面的移动的现象叫电渗现象。 电渗现象中整体移动着的液体叫电渗流（electroosmotic flow ，简称EOF）。,2019/4/19,2.HPCE中的电渗现象与电渗流,石英毛细管柱，内充液pH3时，表面电离成-SiO-,管内壁带负电荷，形成双电层。,在高电场的作用下，带正电荷的溶液表面及扩散层向阴极移动，由于这些阳离子实际上是溶剂化的，故将引起柱中的溶液整体向负极移动，速度电渗流。,2019/4/19,HPCE中电渗流的方向,电渗流的方向取决于毛细管内表面电荷的性质： 内表面带负电荷，溶液带正电荷，电渗流流向阴极； 内表面带正负电荷，溶液带负电荷，电渗流流向阳极； 石英毛细管；带负电荷，电渗流流向阴极； 改变电渗流方向的方法： （1）毛细管改性 表面键合阳离子基团； （2）加电渗流反转剂 内充液中加入大量的阳离子表面活性剂，将使石英毛细管壁带正电荷，溶液表面带负电荷。电渗流流向阳极。,2019/4/19,4. 分离过程,电场作用下，柱中出现：电泳现象和电渗流现象。,带电粒子的迁移速度=电泳和电渗流两种速度的矢量和。 正离子：两种效应的运动方向一致，在负极最先流出； 中性粒子无电泳现象，受电渗流影响，在阳离子后流出； 阴离子：两种效应的运动方向相反，电渗流 电泳时,阴离子在负极最后流出,在这种情况下,不但可以按类分离,除中性粒子外,同种类离子由于受到的电场力大小不一样也同时被相互分离。,2019/4/19,5.分离类型,(1) 毛细管区带电泳（CZE） 最普遍、最基本的一种分离模式。,(2) 毛细管凝胶电泳（CGE） 将聚丙烯酰胺在毛细管柱内交联生成凝胶。其具有多孔性，类似分子筛的作用，试样分子按大小分离。能够有效减小组分扩散，所得峰型尖锐，分离效率高。可分离测定蛋白质、DNA等。,2019/4/19,(3) 毛细管胶束电动色谱（MECC）,在缓冲溶液中加入离子型表面活性剂，形成一疏水内核、外部带负电的胶束。在电场力的作用下，胶束在柱中移动。由于电泳流和电渗流的方向相反，且电渗流 电泳 ，则带负电的胶束以较慢的速度向负极方向移动，中性试样分子在胶束相和溶液（水相）两相间分配，疏水性强的组分与胶束结合的较牢，流出时间长。可用来分离中性物质，扩展了高效毛细管电泳的应用范围。,2019/4/19,二、仪器流程与主要部件 process and main assembly,电压：030kV； 分离柱不涂敷任何固定液； 紫外或激光诱导荧光检测器； （可检测到：10-1910-21 mol/L）,2019/4/19,1.高压电源,（1）030 kV 稳定、连续可调的直流电源； （2）具有恒压、恒流、恒功率输出； （3）电场强度程序控制系统； （4）电压稳定性：0.1%； （5）电源极性易转换；,2. 毛细管柱 （1）材料：石英：各项性能好；玻璃：光学、机械性能差； （2）规格：内径2075m，外径350400m；长度=1m,2019/4/19,3.缓冲液池,化学惰性，机械稳定性好； 4. 检测器 要求：具有极高灵敏度，可柱端检测； 检测器、数据采集与计算机数据处理一体化；,类型 检测限/mol 特点 紫外-可见 10-1310-15 加二极管阵列，光谱信息 荧光 10-1510-17 灵敏度高，样品需衍生 激光诱导荧光 10-1810-20 灵敏度极高，样品需衍生 电导 10-1810-19 离子灵敏，需专用的装置；,2019/4/19,15,可编辑,2019/4/19,高效毛细管电泳仪器（1）,2019/4/19,高效毛细管电泳仪器（2）,2019/4/19,高效毛细管电泳仪器（3）,2019/4/19,三、影响柱效的因素及改进方法,热效应：焦耳热仍是影响柱效的主要因素。采用外部冷却的方法散热，择合适的电压和电解质也是提高柱效的有效途径。选择合适的电解质降低电阻，电流低于200微安，一般几十微安。,电渗流控制：电渗流的大小和方向依赖于毛细管壁与溶液间电势的极性和大小。,使用添加剂可以改变电渗流的大小和方向，如添加NaCl和甲醇可降低电渗流；加入乙腈则可以增大电渗流。加入反转剂。则可以改变电渗流的方向。,2019/4/19,四、主要特点和应用,高分辨率：理论塔板数高达数百万块，甚至数千万块。 高灵敏度：可检测出低至10-21 mol/L浓度的物质。 高分析速度：可在3分钟内分离30种阴离子；1.7分钟分离19种阳离子;4分钟可分离10种蛋白质. 试样用量少：仅需几nL（10-9 L）的试样 仪器简单，操作成本低：分析一个试样仅需几毫升流动液。,不足之处： 进样不够方便。应用范围相对较窄。 分析阴离子时，由阴极进样，在阳极检测。但电渗流方向与阴离子受电场力作用移动方向相反，出峰时间较长。,2019/4/19,电渗析分离法,渗析过程：以浓度差使溶质透过膜而分离的过程。速率低，适用于引用外力有困难或自身有足够浓度的物质的分离，也适用少量物料处理，典型用途是血液透析。 电渗析（electrodialysis）分离：离子在电场作用下迁移和离子交换技术结合的一种分离方法。 （电迁移离子交换）,2019/4/19,电渗析分离装置示意图,分离过程：当阴阳电极上加上电压时，料液池中阳离子通过阳离子交换膜迁移到阴极池中；阴离子通过阴离子交换膜迁移到阳极池中；料液中的沉淀颗粒、胶体、非离子性物质不能通过（阴或阳）离子交换膜，留在料液中。,I：阳极池；II：料液池；III：阴极池。A：阴离子交换膜，常压下不透水，只允许阴离子通过； C：阳离子交换膜，只允许阳离子通过。,2019/4/19,电渗析过程原理图,阴膜,阴膜,阴极,2019/4/19,离子交换膜的选择透过性源于膜上孔隙和膜上离子基团。 膜上孔隙的作用：离子通过膜的大门和通道。 膜上离子基团的作用：在水溶液中，膜上的离子交换基因会解离，在膜上就留下带正或负电荷的固定基团。这些存在于膜微孔中的荷电基团，好比在一条狭长的通道中设立的一个个关卡或“警卫”，以鉴别和选择通过的离子。,离子交换膜的选择透过性,因此，这里的离子交换膜的作用不是离子交换，而是离子选择性通过。,2019/4/19,离子交换膜功能示意图,2019/4/19,电渗析法的应用,电渗析是膜分离过程中较为成熟的一项技术，至今仍然是苦咸水脱盐的主要方法。 锅炉进水制备