（分析化学专业论文）毛细管电泳非接触电导检测技术的研究.pdf

聊城大学硕士学位论文 摘要 非接触电导检测( c c d ) 是近几年发展起来的一种用于毛细管电泳( c e ) 和芯片毛细管 电泳( “c e ) 的新检测技术。c c d 同传统电导检测( c d ) 的最大区别在于，所用的检测电极 同溶液不接触，仅置于分离毛细管检测区的外部，避免了传统电导检测器中电极易于污 染的缺点，加之这种检测器的检测电极非常简单，分离毛细管只需穿过电极即可，对毛 细管内径没有限制，甚至可以用于内径5 t m 的毛细管电泳检测，极大地扩大了c c d 的 应用范围并提高了其质量检出灵敏度。另外，由于电极容易微型化，电容介质除石英或 玻璃外，还可以是高分子绝缘材料，这些特点均符合微流控芯片( p t a s ) 对检测器的要求。 c c d 已成为c e - - c d 中比较受推崇的一种检测方式，近年来得到了长足发展，但目前尚 无商品化仪器流通。 已有报道的非接触电导检测器均是采用独立的激励信号源，不利于提高仪器的可靠 性和实现仪器的微型化。本实验室通过将激励信号源、信号调理、数据采集与控制等三 部分集成设计了一种新型c e 非接触电导检测器。本论文对该检测器在无机离子和有机 小分子方面的应用做了初步探索，旨在通过对c e - - c c d 装置的改进为c e c c d 的自 动化和商品化打下基础，以及为c c d 在c e 和c e 中的应用提供更广阔的思路。 本文主要做了以下五个工作： 1 、毛细管电泳非接触电导检测法用于铁的形态分析 本文采用自组装的c e - - c c d 装置成功地直接分离并检测了f e ( i i ) 和f e ( i i i ) 。在最佳 条件下，两者4 m i n 内即可完成分离，其线性响应范围为9 o 1 0 五1 4 1 0 2 n a g l 1 ，f e ( i i ) 和f e ( i i ! o 的检测限( s n = 3 ) 为3 0 1 0 。m g l ，峰面积的相对标准偏差( r s d ) 依次为2 8 和3 2 ( c = 6 0m g l n = 8 ) 。 2 、毛细管电泳非接触电导检测分离测定水杨酸及其羟基化产物 水杨酸( s a ) 是一种常用的羟基自由基( h o ) 捕获剂，其羟基化产物主要为2 ，3 一二羟基 苯甲酸( 2 ，3 一d h b a ) 和2 , 5 一二羟基苯甲酸( 2 ，5 - d h b a ) 。本文利用自组装的c e - - c c d 装置 建立了s a 、2 , 3 d h b a 和2 ，5 d h b a 的分离测定方法。在最佳条件下，三者1 0 m i n 内即 可完成分离，其线性响应范围为3 0 x1 0 1 5m g - l 一，检测限( s n = 3 ) 为i o x1 0 m g l ， 峰面积的r s d 依次为2 9 、3 2 和3 6 ( c = 7 0m g l ，n = 8 ) 。 聊城大学硕士学位论文 3 、毛细管电泳非接触电导检测法测定水的硬度 采用c e - - c c d 测定水中钙镁离子含量，建立了一种测定水的硬度的新方法。在最 佳条件下，c a 2 + 和m 9 2 + 离子8 m i n 内即可完成分离，线性范围分别为：0 4 0 4 0m g - l 。 和0 2 0 2 4 m g - l ：检测限( s n = 3 ) 分别为：o 1 0 m g l 。1 和6 0 x 1 0 m g l ；峰面积的r s d 分别为2 2 和3 6 ( c = 1 5m g l ，n = 8 ) 。该方法的回收率在9 8 1 0 2 之间，与e d t a 滴定法相比较并无显著差异。 4 、毛细管电泳非接触电导检测法检测水体中的氮磷营养盐 建立了c e - - c c d 检测水体中氮磷营养盐的方法。探讨了缓冲溶液的p h 值、浓度、 电渗流改性剂、分离电压和进样时间等对分离和检测的影响。在优化条件下的c 1 一、s o 一厶、 n 0 3 和h 2 p 0 4 线性范围依次为：1 5 7 0m g l 、2 3 1 2 x 1 0 2m g l 、3 5 9 0m g l 1 和 5 8 1 4 1 0 2 m g l ；检测限( s n = 3 ) 依次为：0 5 0 m g l 、1 2 m g l 一、0 8 0 m g l 1 和2 0 m g l 一。对实际水样的分析结果令人满意。本实验对利用c e 研究氮磷营养盐具有一定的 参考意义。 5 、毛细管电泳中一种在线过滤水样的简易方法 为防止堵塞毛细管，在进水样到c e 系统之前需要对样品进行预过滤，通常所采取 的微孔滤膜过滤操作比较耗时、费力。本文设计了一种在线过滤水样的简易装置，极大 地缩短了样品预过滤时间；并利用湖水样对该装置的性能进行了考察，结果令人满意。 本实验对设计水样在线自动化预过滤装置具有一定参考价值。 关键词：毛细管电泳，非接触电导检测，铁，形态分析，水杨酸，羟基化， 水的硬度，钙镁离子，氮磷营养盐，富营养化，在线预过滤 2 聊城大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n t a c t l e s sc o n d u c t i v i t yd e t e c t i o n ( c c d ) i san e wd b t e c t i o nt e c h n i q u ef o rc a p i l l a r y e l e c t r o p h o r e s i s ( c e ) a n dm i c r o c h i pc a p i l l a r ye l e c t r o p h o r e s i s ( i | t c e ) t h e n o t i c e a b l e d i s t i n c t i o nb e t w e e nc c da n dt h et r a d i t i o n a lc o n d u c t i v i t yd e t e c t i o n ( c d ) i st h a tt h ed e t e c t i o n e l e c t r o d e sa r ep l a c e ds i d eb ys i d ea r o u n dt h ec a p i l l a r y , w h i c ha r en o ti nc o n t a c tw i t ht h e e l e c t r o l y t ea n df r e eo f e l e c t r o d e sc o n t a m i n a t i o n t h em a j o r a d v a n t a g eo f t h i st e c h n i q u ei st h a t t h e r ei sm u c hl e s sl i m i t a t i o nw i mr e s p e c tt ot h ei n n e rd i a m e t e ro f t h ec a p i l l a i y t h u s ，i tc a l lb e u s e di nc a p i l l a r i e sw i 廿iv e r ys m a l li n n e rd i a m e t e r sa n dm i n i a t u r i z e di n s t r u m e n t a t i o ns u c ha si n c h i pb a s e ds e p a r a t i o ns y s t e m s t h e s ee n l a r g ea p p l i c a t i o nf i e l do fc c da n di m p r o v ei t s m e a s u r i n gs e n s i t i v i t y f u r t h e r m o r e ，c c dd e t e c t o ri se a s yi nm i n i a t u r i z a t i o na n di n t e g r a t i o n ， a n dt h ed e t e c t i o np r i n c i p a lc a nb eu s e dw i t hc a p i l l a r i e sm a d eo fo t h e rm a t e r i a l st h a nf u s e d s i l i c ao rg l a s s ( p e e k ，t e f l o n ，e t c ) a l lo f t h e s ec h a r a c t e r i s t i c sa r es a t i s f i e d 、v i t l lt h ed e m a n do f d e t e c t o rf o rm i c r o c h i p s c c dh a sb e e na d o p t e ds i n c e1 9 9 8b yan u m b e ro fr e s e a r c hg r o u p sf o r c o n v e n t i o n a lc ea n di - t c e b u tn o wt h e r ei sn oc o m m e r c i a la p p a r a t u s a l lc c ds of a rp r e s e n t e du s e ds e p a r a t ee x c i t a t i o ns i g n a lg e n e r a t o r ，w h i c hi sa d v e r s et o i m p r o v er e l i a b i l i t ya n da c h i e v em i n i a t u r i z a t i o n ，s oo b il a b o r a t o r yd e s i g n e da n o v e lc o n t a c f l e s s c o n d u c t i v i t yd e t e c t o rf o rc e ，w h i c hi n t e g r a t e se x c i t a t i o ns i g n a lg e n e r a t o r , d e t e c t i o nc e l la n d c k c u i t i nt h ep r e s e n tp a p e r , t h ea p p l i c a t i o n so ft h i sd e t e c t o rt ot h ea n a l y s i so fi n o r g a n i ci o n s a n do r g a n i cs m a l lm o l e c u l e sa r es t u d i e d t h ep u r p o s eo ft h i sw o r ki st ol a yf o u n d a t i o nf o r c c dc o m m e r c i a l i z a t i o na n da u t o m a t i z a t i o na n dp r o v i d eaw i d e rt h o u g h tw i t ht h ea p p l i c a t i o n s o f c c di nc e a n d 肛- c e t h ep r e s e n td i s s e r t a t i o nc o n s i s t so f f i v ep a r t sa sf o l l o w s ： 1 s p e o i a t i o na n a l y s i so fi r o nb yc a p i l l a r ye l e c t r o p h o r e s i sw i t hc o n t a c f l e s sc o n d u c t i v i t y d e t c c t o r t h em e t h o df o rt h es i m u l t a n e o u sd e t e r m i n a t i o no fi r o n ( i oa n di r o n ( i i i ) u s i n gc ew i t h c o n t a c t l e s sc o n d u c t i v i t yd e t e c t o rw a sd e v e l o p e d t h em e t a li o n sw e r es e p a r a t e di nl e s st h a n4 r n i n 谢廿lf o r m i ca c i db u f f e r ( p h = 2 5 0 ) t h em e t h o dw a sl i n e a ri nt h er a n g e9 0 1 0 “t ol a x 3 聊城大学硕士学位论文 1 0 2m g l t h ed e t e c t i o nl i m i t s ( s n = 3 ) a r e3 0 1 0 m g l 。a n dt h er e l a t i v es t a n d a r d d e v i a t i o n s ( r s d ) f o rp e a ka r e a sa r e2 8 f o ri r o n ( i i ) a n d3 2 f o ri r o n ( i i i ) ( c = 6 0m g l ， n = 8 ) ，r e s p e c t i v e l y 2 d e t e r m i n a t i o no f s a l i c y l i c a c i da n di t s h y d r o x y l a t e d p r o d u c t s b yc a p i l l a r y e l e c t r o p h o r e s i s 、v i t hc o n t a c t l e s sc o n d u c t i v i t yd e t e c t i o n s a l i c y l i ca c i d ( s a ) i sac o m m o nt r a p p i n gr e a g e n tf o rh y d r o x y lr a d i c a l s ( h o ) ，w h o s e m a i n h y d r o x y l a t e dp r o d u c t s a r e 2 , 3 - d i h y d r o x y b e n z o i c a c i d ( 2 ，3 - d h b a ) a n d 2 , 5 - d i h y d r o x y b e n z o i ca c i d ( 2 , 5 - d h b a ) i nt h i sp a p e r , an e wm e t h o df o rs e p a r a t i o na n d d e t e r m i n a t i o no fs a 2 , 3 - d h b aa n d2 , 5 一d h b ab yc e 、i t l lc o n t a c t l e s sc o n d u c t i v i t yd e t e c t o r i se s t a b l i s h e d u n d e rt h eo p t i m u mc o n d i t i o n s ，s a , 2 , 3 一d h b aa n d2 ，5 - d h b ac a nb eb a s e l i n e s e p a r a t e d w i t h i n l o m i l l t h e i r l i n e a r w o r k i n gr a n g e s w e r e b e t w e e n3 0 x 1 0 - 2 a n d l 5 m g l ， d e t e c t i o nl i m i t s ( s i n = 3 ) a r e1 0 1 0 。m g l r s df o rp e a ka r e a sa r e2 9 、3 2 a n d3 6 ( c = 7 0m g r 1 ，n = 8 ) ，r e s p e c t i v e l y 3 d e t e r m i n a t i o no fh a r d n e s so fw a t e rb yc a p i l l a r ye l e c t r o p h o r e s i s 、i 血c o n t a c t l e s s c o n d u c t i v i t yd e t e c t i o n i ti si m p o r t a n tf o ro u rh e a l t h a g r i c u l t u r ea n di n d u s t r yt od e t e r m i n et h eh a r d n e s so f w a t e r an e wm e t h o df o rt h ed e t e r m i n a t i o no fh a r d n e s so fw a t e rb yc e - - c c dh a sb e e ne s t a b l i s b e d a tt h e o p t i m u mc o n d i t i o n c a 2 + a n dm 9 2 + i o n sc a nb eb a s e l i n es e p a r a t e dw i t h i n8 m i n e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h el i n e a rc a l i b r a t i o nr a n g e sw e r ei nt h er a n g eo f0 4 0 4 0a n d 0 2 0 2 4m g l 1w i t hd e t e c t i o nl i m i t s ( s n = 3 ) o fo 1 0a n d6 1 0 m g l 1f o rc a 2 + a n dm 9 2 + i o n s ，r e s p e c t i v e l y r s df o rp e a ka r e a sw e r e2 2 f o rc a 2 + a n d3 6 f o rm g ”( c = 1 5 m g l 一， n 2 8 1 t h ec o n t e n t so fc a l c i u ma n dm a g n e s i u mi o n si nw a t e rs a m p l ew e r em e a s u r e da tt h e s a n l et i m ea n dc o n v e r t e dt oh a r d n e s se x p r e s s e da sc a l c i u mc a r b o n a t e u s i n gt h i sm e t h o d ，t h e r e c o v e r yr a t e sw e r ea l li nt h er a n g eo f9 8 1 0 2 t h ed e t e r m i n a t i o nr e s u l t sw e r ei nw e l l a g r e e m e n tw i t ht h o s eo b t a i n e db yt h em e t h o do fe d t a t i t r a t i o n 4 d e t e r m i n a t i o no fn i 订o g e na n dp h o s p h o r o u sn u t r i e n t si nw a t e rb o d yb yc a p i l l a r y e l e c t r o p h o r e s i sw i t hc o n t a c t l e s sc o n d u c t i v i t yd e t e c t i o n am e t h o dh a sb e e nd e v e l o p e df o rd e t e r m i n a t i o no fr t i t r o g e na n dp h o s p h o r u sn u t r i e n ti n 4 聊城大学硕士学位论文 w a t e rb o d yb yc e - - c c d t h ei n f l u e n c eo fb u f f e rm e d i u ma n de l e c t r o p h o r e t i cc o n d i t i o n s ， s u c ha sp ha n dc o n c e n t r a t i o no fb u f f e rs o l u t i o n ，s e p a r a t i o nv o l t a g ee t cw e r ei n v e s t i g a t e d t h e l i n e a rc o n c e n t r a t i o nr a n g e sf o rc i ，s 0 4 6 ，n 0 3 a n dh 2 p 0 4 w e r e ：1 5 7 0m g l ，2 3 1 2 1 0 2m g l ，3 5 9 0m g l a n d5 8 1 4 x 1 0 2m g l 一，r e s p e c t i v e l y t h el i m i t so f d e t e c t i o n w e m ：0 5 0m g l lf o rc 1 。，1 2m g l f o rs 0 4 二，0 8 0m g l f o rn 0 3 。a n d2 0m g l 1f o rh 2 p 0 4 。 s a t i s f a c t o r yr e s u l t sw e r eo b t a i n e di nr e a lw a t e rs a m p l ea n a l y s i s t h er e s u l t sa r eu s e f u lf o rt h e s t u d yo nn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sn u t r i e n t sb yc e 5 an e wm e t h o df o ro nl i n ew a t e rs a m p l ep r e f i l t r a t i o ni nc a p i l l a r ye l e c t r o p h o r e s i s i no r d e rt op r e v e n tb l o c k i n gu pc a p i l l a r y , i tg e n e r a l l yn e e dp r e f i l t r a t i o no fw a t e rs a m p l e b ym i g r a t i n gi ti n t om i l l i p o r ef i l t e r sb e f o r es a m p l i n g ，w h i c hi sr a t h e rt i m e c o n s u m i n ga n d l a b o d o u s t h i sp a p e rd e s i g n e dad e v i c ef o ro nl i n ew a t e rs a m p l ep r e f i l t r a t i o n , w h i c hc a n s i g n i f i c a n t l yr e d u c et h et i m ef o rp r e u e a t m e n t t h el a k ew a t e rs a m p l ew a se m p l o y e dt ot e s tt h e p e r f o r m a n c eo ft h i sd e v i c e a n ds a t i s f a c t o r yr e s u l t sw e r eo b t a i n e d t h er e s u l t sa i n s t r u c t i v e f o rt h ed e s i g no f a u t o - 0 1 1 1 i n ew a t e rp r e t r e a t m e n td e v i c e k e yw o r d s ：c a p i l l a r y e l e c t r o p h o r e s i s ，c o n t a c t l e s sc o n d u c t i v i t y d e t e c t o r ，i r o n ，s p e c i a t i o na n a l y s i s ，s a l i c y l i ca c i d ， h y d r o x y l a f i o n ，h a r d n e s s o fw a t e r ，c a l c i u ma n d m a g n e s i u mi o n s ，n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sn u t r i e n t ， e u t r o p h i c a t i o n ，o nl i n ep r e - f i l t r a t i o n 5 聊城大学硕士学位论文 前言 毛细管电泳( c e ) 以其分离速度快、效率高、样品用量小等特点，符合了生命科学各 领域对生物大分子高度分离分析的要求，成为近年来发展最快的分析化学研究领域，目 前已是生命科学及其他学科实验室中一种常用的分析手段。c e 的研究主要集中在基础理 论、分离模式和检测器三方面。其中，检测器的优劣直接影响到检测对象的检测灵敏度 和线性范围以及仪器的造价，故检测是c e 中的关键问题。目前常用于c e 的检测器有 紫外检测器( u v ) 、激光诱导荧光检测( l i f ) 、电导检测器( c d ) 和安培检测器( a d ) 等。在应 用上，l i f 和a d 灵敏度较好，但测定对象受限制；u v 和c d 较为通用，但灵敏度较低。 非接触电导检；澳i j ( c c d ) 同传统c d 的最大区别在于所用的检测电极同溶液不接触仅置于 分离毛细管检测区的外部，避免了传统电导检测器中死体积较大、电极易于污染的缺点， 加之这种检测器的检测电极非常简单，分离毛细管只需穿过检测电极即可，对毛细管内 径没有限制，甚至可以用于内径5p a n 的c e 检测，极大地扩大了c c d 的应用范围并提 高了质量检出灵敏度。另外，电极容易微型化，电容介质除石英或玻璃外，还可以是高 分子绝缘材料，这些特点均符合微流控芯片( 邮a s ) 对检测器的要求。c c d 于1 9 9 8 年问 世以来便在国际上引起重视，相关文献日益增多，但目前尚无商品化仪器流通。 本论文利用自组装的c e - - c c d 对c c d 在无机离子和有机小分子方面的应用做了初 步探索。受本人学识和水平的限制，不足之处难免存在，敬请各位老师和专家批评指正。 赵芳 2 0 0 6 年4 月 聊城大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 毛细管电泳发展简介 毛细管电泳( c e ) ，又称高效毛细管电泳( h p c e ) 是一种基于“以高压电场为驱动 力，以毛细管为分离通道，依据样品间不同组分在溶液中电泳迁移速度不同”的原理， 利用电解槽和与之相连的毛细管对样品组成进行分离和检测的分离分析技术，是近年来 发展最快的分析化学研究领域之一。 早在1 9 3 7 年，诺贝尔奖获得者瑞士化学家a v l l et i s e l i u s 教授利用电泳现象发明了最 早期的界面电泳，用于蛋白质分离的研究，从而开创了电泳技术的新纪元【”。此后，各 种电泳技术及仪器相继问世，在生物化学实验技术中占据了重要地位。在2 0 世纪6 0 年 代，电泳开始从经典传统电泳进入毛细管电泳时代【2 】，毛细管电泳的最大优点在于，其 电泳过程在散热效率极高的毛细管内进行，从而可以确保引入高的电场强度，全面改善 分离质量。1 9 8 1 年，j o r g e m o n 和l u k a c s 使用7 5 岬内径的熔融石英毛细管，利用电迁 移进样和荧光检测，在3 0 k v 电压下产生了4 x1 0 5 片m 的效率【3 】，成为毛细管电泳发展 史上的一个里程碑。在随后几年的时间里，各种分离模式相继建立，各种操作技术日益 完善，随着商品仪器在1 9 8 8 年的迅速推出，c e 开始突飞猛进地进入发展的黄金时期。 m a n z 与加拿大a l b e r t a 大学的h a r r i s o n 于1 9 9 2 年发表首篇在微流控芯片( t a s ) 上完成 的c e 分离论文，这成为p t a s 研究的突破点【4 】。美国加州大学b e r k e l e y 分校的m c h a r d m a t h i e s 教授更于2 0 世纪9 0 年代发展出了世界上独具特色的碟形高密度集成芯片毛细管 电泳( p c e ) ，大大提高d n a 分子的测序速度【5 】。目前c e 作为现代生物技术中的一个不 可缺忽的单元技术在不断自我完善的同时，已积极参与到业已开始的对人类生存发展具 有深远意义的技术革命进程中。 毛细管是c e 的核心部件之一，早期研究集中在毛细管直径、长度、形状和材料方 面，目前集中在管壁的改性和各种柱的制备，诸如动态修饰毛细管内壁、凝胶柱、无胶 筛分以及毛细管填充柱等。 检测器是c e 的重要组成部分，它的优劣直接影响到检测对象的检测灵敏度和线性 范围以及仪器的造价，故检测是c e 中的关键问题。迄今为止，除原子吸收光谱与红外 光谱之外，其它检测手段均已用于c e 。但实现商品化的检测器只有两种：u v 和l i f 。 聊城大学硕士学位论文 u v 通用性好，但其灵敏度较低，主要因其采用柱上检测，光路长度受毛细管内径的限 制( 1 0 0 岬) 。l i f 灵敏度最高，比u v 高2 4 个数量级，但经常需要衍生化处理，仪器 价格也十分昂贵，限制了其推广和应用。现今最有应用价值的检测器是能提供组分结构 分析信息的质谱检测器( m s ) ，但其不足之处同样在于价格昂贵，不易推广。此外，毛细 管电泳一电化学检测( c e - - e c d ) 自上世纪8 0 年代末问世以来，已迅速发展成为一种重要 的分离分析方法【6 7 1 。与光学检测方法相比，其独特的优点有：质量检测限低，线性范围 宽，选择性好，而且设备简单，价格低廉，便于普及。 总之，发展新型检测器，提高u v 等检测器灵敏度，以及发展c e 和其它分离以及 检测方法的联用技术是c e 研究的重点之一。 c e 的应用对象首先集中于核酸郾】、蛋白质【1o 1 1 1 和剖1 2 ，硎等生物分子，随着生物技 术向医药卫生、农林牧渔、轻工食品和化工环境等领域的迅速渗透，其对象已越来越多 地扩展到各种较小的有机、无机分子和离子，包括在制药等领域有特殊意义的手性分子 【1 3 ，矧。可以说几乎所有物质通过适当的方式都可以基于电场力的作用在毛细管内进行分 离。其中单细胞、单分子检测是c e 研究所达到的最高境界【1 4 】，单细胞检测为在分子水 平上了解细胞的各种行为提供了强有力的工具，而单分子检测为在单个分子水平上开展 化学动力学、反应动力学等研究提供了可能性【1 5 , 1 6 1 ，这对生命科学和化学有巨大潜在意 义。已有报道对单个肾上腺细胞、红细胞、白血病细胞、淋巴细胞和胚胎细胞取得了成 功。 2 1 世纪是生命科学大发展的世纪，完成人类基因组计划后，后基因时代的基因组 学和蛋白组学将迅速发展，功能基因的分离、检测和功能蛋白的分离测定对c e 提出了 更高的要求。“一c e 将是c e 发展的一个重要趋向，将一个实验室的工作集成到一块很小 的芯片上，能使仪器微型化。近年来，其设计越来越多样化【1 7 捌，应用也在不断扩大， 不仅在生化研究领域占据一席之地，而且在临床、医药和环境等领域也崭露了头角口3 。3 0 】。 可以预见，不久就会出现各种专用的基因检测疾病诊断的小型芯片和仪器；另一方面， 9 6 支或更多毛细管的毛细管阵列电泳仪，将会用于药厂中产品质量的检测以及大量医学 临床检验。同时将会研制出适合c e 的各种检测器，以进行单细胞和单分子的检测。此 外，c e 在环境科学中也会有较大的发展余地。c e 是正在发展的研究领域，有许多理论 问题及实际问题有待解决，更需要其它领域的研究人员来扩大其应用范围。c e 的成长为 生命科学、材料科学、环境科学提供了又一强有力的研究手段。c e 必将在不断解决难题 中得到发展。 4 聊城大学硕士学位论文 1 2 毛细管电泳非接触电导检测研究进展 目前常用于c e 的检测器有u v 【3 1 j 2 1 、l i f d 3 , 3 4 1 、c d 【3 5 ，3 6 】和a d 3 7 , 3 8 等。在应用上， l i t 和a d 灵敏度较好，但测定对象受限制；u v 和c d 较为通用，但灵敏度低。c e - - c d 是基于分析物的电导率与背景电解质( 缓冲液) 之间的电导率差异而进行测量的仪器 结构简单的一项溶液分析技术。某些光学吸收弱或无光学吸收以及安培检测电活性差的 非离子性化合物，使用c d 有时也能获得较高的检测灵敏度。因此，c e - - c d 技术近年 来得到了较快发展【3 9 i ，并已推出商品化的c e 电导检测器【4 们。但c e 和c d 的偶联目前 还存在如下几个问题：( 1 ) 加工适合于毛细管( 内径 5 0i m a ) 的电导电极目前还很困难。 因为一方面要求死体积小，以保持上游c e 已获得的高分离效率：而另一方面，又要求 c d 检测器不受高压电场的干扰。目前，采用的柱上( o n c o h t m n ) 和柱端( e n d c o l u m n ) 模式 只在一定程度上解决了上述问题，但更换毛细管和电极相当困难。( 2 ) 目前，c d 检测器 的电极均浸入电解质溶液中即采用伽法尼接触式，这样，不仅容易导致电极极化，而且， 长时间的使用还会造成电极玷污，影响结果的重现性。 z e m a n n 等【4 1 】和d ol a g o 等f 4 2 】于1 9 9 8 年分别提出了c e - - c c d 新技术，有效地克服 了上述难题。c c d 检测池结构简单，检测电极容易固定，对毛细管直径没有限制，可用 于内径为5u m 的c e 检测，极大地扩大了c c d 的应用范围并提高了质量检出灵敏度。 在z e m a n n 之后，h a u s e r 等 4 3 】开发出高压激励c c d ，声称可提高检测灵敏度。使用有机 溶剂有益于改善检测灵敏度【4 “7 1 ，然而由于大多有机溶剂具有紫外吸收而无法在u v 中 应用，而文献【4 8 , 4 9 1 表明c c d 中完全可以使用这些有紫外吸收的有机溶剂。此外，c c d 检测电极极易微型化、集成化，电容介质除石英或玻璃外，还可以是高分子绝缘材料。 这些特点符合i t t a s 对检测器的要求，因此c c d 在u c e 检测中得到成功的应用 5 0 , 5 1 】。 c c d 的上述优点使其一出现就在国际上受到关注，参加研究的单位和发表的文献日益增 多。目前，国内有中山大学的陈缵光和莫金垣研究组f 5 习及大连化学物理研究所的关亚风 课题组1 5 3 j 开展了此方面的研究工作。 1 2 1c c d 的组成和检测原理 示) 。 完整的c c d 由三部分构成：交流信号激励源、检测池和信号处理电路( 如图1 1 所 5 聊城大学硕士学位论文 躅1 - 1 c c d 的结构示意图 a ：交流信号激励源；b ：检测池；c ：信号处理电路：d ：毛细管 1 2 1 1 检测池结构和检测原理 c c d 的检测池是由两个管状的检测电极套在分离毛细管的外面构成的( 如图1 - 2 a 所示) ，两电极相隔一定的距离，一般为1 5n l i t l 。激励电极同信号发生器连接，接受 电极连接到放大器输入端，以地为公用端。为了消除两个电极之间通过空气直接耦合的 分布电容，可以在两个检测电极之间加一个接地屏蔽电极来降低噪音( 如图1 2 b 所示) 。 l 嘲| ，o 贰霸酗附 豳孵埘f 翻 a b 图1 - 2c c d 检测池示意图 a ：双电极检测池( a sf a s td e s c r i b e di n 4 1 】) ； b ：加有屏蔽电极的检测池( a sf i r s td e s c r i b ei n 【4 2 】) 上述检测池相应的等效电路如图1 - 3 所示。正弦交流信号直接作用在检测电极上， 每个检测电极同毛细管内溶液分别构成一个电容。在图l 一3 中，激励电极同毛细管内缓 冲溶液构成的圆柱状电容由c w l 代表，接收电极同毛细管内缓冲溶液构成的圆柱状电容 由c w 2 代表，为制作上方便，一般使c w l 一- c w 2 。毛细管壁和聚酰亚胺涂层构成电容的 6 聊城大学硕士学位论文 电介质，r 代表两个电极区间毛细管内溶液的电阻。两个电极在高频交流电作用下，通 过毛细管内的溶液耦合形成闭合回路，回路中的电流满足欧姆定律：i p p = v p p ，i k 试( r 。t a i = r + r c ) 。当样品流经检测电极时，由于样品和背景缓冲溶液电导率的差别引起电阻r 的改变。使得总阻抗r o 伽发生变化，改变了回路中电流的大小，电流的改变i 。即是反 映样品浓度的信息。图1 3 a 中的c l 为电极间没有接地电极时两个电极通过空气直接耦 合形成的电容。电容c 1 对检测不利，它把激励信号直接耦合到接收电极上，在电极相 距很近以及激发频率和电压较高时表现得尤为明显。图l 一3 b 为两个检测电极之间加有接 地屏蔽电极时的等效电路图。接地电极因消除了电容c l 而显著降低了检测噪声。在d o l a g o 等【4 2 j 提出的检测池等效电路中，还考虑了管壁电容、双电层电容、电势、溶液电 阻、毛细管内壁电阻以及聚酰亚胺层电阻等因素对检测信号的贡献，一般情况下，可以 简化成图1 3 所示的等效电路。 a c l i n 舭t 一卜_ t o a t t c w li i c w 2 1 1 j s p 袖。c a p 脚 b 姊吡 厂一o u t l 畔t c w l li c w 2 _ j 脚。c a p 鲫 i 2 1 2 信号处理电路 图1 - 3c o 检测池的等效电路图f 5 4 】 a 和b 所示分别与图i - 2 对应 信号处理电路在c c d 中起着非常重要的作用：一是对接收电极产生的交流信号进 行放大，二是对交流信号进行整流、滤波得到直流信号。c c d 的信号处理电路部分必须 使用精密宽带运算放大器，以获得足够的信号放大增益和优良的频率响应特性。采用锁 相放大器p 4 j 对特定频率的响应信号进行放大，可显著地提高信噪比，但却大大增加了检 测器的制造成本。为了消除外界电磁、温度和湿度变化的干扰，通常将检测池和信号处 理的电路部件放在一个接地的金属屏蔽盒里。 7 聊城大学硕士学位论文 1 2 1 3 交流信号激励源 c c d 采用高频交流信号为激励源作用在激励电极上，最常用的交流信号是正弦波信 号，也可以采用三角波和方波等交流信号。但后者由于含有谐波，检测噪声会增大。在 c c d 中，激发电压的频率及其幅度是影响c c d 检测器灵敏度的重要因素。本论文使用的 频率范围为9 0 5 0 0k h z ，不同的实验得出不同的最佳频率。激发频率对检测噪声的影 响没有明确的规律【4 2 】，它随实验条件的不同而有很大的差别。 本论文使用的激励源电压值为2 l ov 。通常，使用高激发电压对检测有利，h a u s e r 等4 3 1 使用4 0 0 v 激励电压，对碱金属和碱土金属离子k + ，m 孑+ 等的检测限达5 0 p m o l l - 1 ， 这是目前文献报道的最好水平。在提高激发电压增强响应信号的同时，噪声也会增加。 但此时若噪声主要来自于信号处理电路，提高激发电压是可以改善信噪比的。当激发电 压增加到一定程度，噪声和信号同比增长时，信噪比不会进一步得到改善，因此不可能 通过无限制的提高激发电压来降低检测限 4 3 , 3 9 。 1 2 2 毛细管电泳中的c c i c e 中使用的c c d 通常采用金属管状电极，毛细管仅简单穿过电极即可进行检测。 从提高检测灵敏度角度考虑，电极的内径应同毛细管的外径完全一致，否则在电极内壁 与毛细管外壁间的空隙会形成额外的电容串联在管壁电容上，能显著地减小电极与溶液 之间的有效耦合电容，降低检测灵敏度，而且这个空隙电容随毛细管相对位置的不同而 变化，并受局部空气湿度的影响。z e m a n n 等 4 1 1 用注射器针头制作