高效毛细管电泳–非接触式电导检测法应用实验报告.docx

高效毛细管电泳非接触式电导检测瓶装水的阳离子 高效毛细管电泳非接触式电导检测法应用() 瓶装矿泉水中K+、Na+、Ca2+、Mg2+的分离检测摘要 本实验采用高效毛细管电泳-非接触式电导检测法，测定中大逸仙泉矿泉水样品中K+、Na+、Ca2+、Mg2+离子的含量。最终测得矿泉水样品中各种阳离子的含量分别为：K+ 9.54 mgL-1；Na+ 5.12 mgL-1；Ca2+ 0.49 mgL-1；Mg2+ 5.24 mgL-1。根据矿泉水瓶身上的标注，除了K+的含量超过其标注值，其它离子的含量基本都在标注的范围内。本实验方法具有灵敏度高、分离效率高、受干扰小，仪器简单、易组装，检测成本低的优点。关键词 高效毛细管电泳 非接触式电导 矿泉水 阳离子分析 标准加入法1. 引言 高效毛细管电泳(HPCE) 是近来发展很快的一种分析分离技术， 具有高效、快速、样品用量少等优点，其在食品科学方面的应用也越来越广泛，应用在离子分析上能同时测定多种金属离子。毛细管电泳(Capillary Electrophoresis，CE)，又称高效毛细管电泳(High Performance Capillary Electrophoresis，HPCE)，统指以高压直流电场为驱动力，以毛细管为分离通道，依据样品中各组分之间淌度和分配行为上的差异而实现高效、快速的新型液相分离分析技术。1钙、镁、钠和钾都是维持人体生命活动的必需元素，在维持人们肌体健康及正常的生理运作中，起着不可代替的作用。例如，钙对人体，尤其是儿童的骨骼生长发育、维持正常的神经传导起着重要的作用；镁具有调节神经和肌肉活动、增强耐久力的功能；钠离子在体内起着维持酸碱平衡，调节水分和渗透压的作用；钾协助维持稳定的血压及神经活动的传导。所以，测定饮用水中钙、镁等阳离子的含量，对于保障人们身体健康，维持正常的生理功能十分必要。常见的金属离子分析方法有比色法2、电化学方法3、原子发射光谱法4、原子吸收光谱法5、分光光度法6、原子荧光光谱法7等。前两法设备简单、价廉，但存在干扰因素多，误差大等不足之处；离子色谱法需购买专用的离子色谱仪，操作条件要求高；原子吸收分光光谱法具有高选择性及高灵敏度，适于作微量元素检测，但仪器价格昂贵，且对各种金属阳离子逐个进行检测，所耗费用大。 原子吸收分光光度法是分析金属离子常用的方法，但对于钾、钠等易电离的元素，难于原子化，测定比较困难，且线性范围较窄，HPCE技术正好可以弥补这方面的不足。高效毛细管电泳灵敏度高、分离效率高、受干扰小，设备可以自己组装，便宜，而且对于样品的前处理要求没有那么严格，特别适合成分复杂的实际样品的检测分析。2.实验部分2.1仪器与试剂1. 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(50 cm50 m)。超声波清洗器；微量移液器。2. 试剂(1) 0.1 molL-1 NaOH溶液；0.1 molL-1酒石酸溶液；0.1 molL-1三羟甲基氨基甲烷(Tris)溶液。(2) 电泳运行液：移取8 mL 0.1 molL-1 Tris 溶液、6 mL 0.1 molL-1 酒石酸溶液于100 mL容量瓶中，加超纯水定容至刻度。(3) 1.010-4 molL-1 K+、Na+、Ca2+、Mg2+单一标准溶液：分别称取相应量的K+、Na+、Ca2+、Mg2+的氯化物于塑料烧杯中，用超纯水溶解和定容后储存在100 mL聚乙烯塑料瓶中备用。(4) 1.010-4 molL-1 K+、Na+、Ca2+、Mg2+混合标准溶液。(5) 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。2.2实验步骤2.2. 1准备(1) 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30 min。双击Windows桌面上的“CES2003”图标，待出现“毛细管电泳数据工作站CES2003”界面后，点击工具栏中的“设置”图标，在弹出的对话框中对参数作如下设置速率：5 增益：25 补偿：(省缺值)点击“确认”，设置完毕，准备进行样品测试工作。(2) 在进样端储液瓶和检测端储液池中各加入约2/3体积的电泳运行液。毛细管柱依次用0.1 molL-1 NaOH 、超纯水和运行液各冲洗约2 min。将毛细管柱的一端插入进样端储瓶中，另一端插入检测端储液池中，与电泳运行液保持接触。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+15 kV，(由低到高，用“分离电压”旋钮调节到该电压值)，这时可观察到电泳电流值显示为2.5 A左右。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。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10min)，停止记录，并将“分离/进样”按钮按向“进样”位置，准备进样测量。2.2. 2测量(1) 样品：吸取3.00 mL超纯水于一个干净的进样瓶中，再用微量移液管移取100L混合标准溶液加入其中，轻轻摇匀。(2) 进样：取下储液瓶，换上盛有样品的进样瓶，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K+、Na+、Ca2+、Mg2+的电泳峰和水峰出现后再运行2 min(共约8 min)，点击工具栏中的“停止”图标，停止记录。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”图标可将电泳图谱保存在指定的目录下。记录峰高和迁移时间。(4) 鉴定：用微量移液管逐次移取100L K+、Na+、Ca2+、Mg2+单一标准溶液于原含有混合标准溶液的进样瓶中，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。(5) 测量：吸取3.00 mL水样于进样瓶中，按(2)和(3)的操作步骤，分别记录K+、Na+、Ca2+、Mg2+离子的峰高；用标准加入法(各加入100L单一标准溶液到测试样品溶液中)测定水样中K+、Na+、Ca2+、Mg2+离子的含量。83实验结果与讨论3.1 实验测得的电泳谱图 实验测得的电泳谱图如下所示：峰3峰4峰2峰1图1 中大逸仙泉水样的毛细管电泳谱图峰2、3、4高度基本不变加入K+单标后，峰1变高，说明是K+的电泳峰。图2 加入K+标准溶液的水样毛细管电泳谱图峰1、3、4高度基本不变。加入Na+单标后，峰2变高，说明是Na+的电泳峰。图3 加入Na+标准溶液的水样毛细管电泳谱图峰1、2、4高度基本不变。加入Mg2+单标后，峰3变高，说明是Mg2+的电泳峰。图4 加入Mg2+标准溶液的水样毛细管电泳谱图峰1、2、3高度基本不变。加入Ca2+单标后，峰4变高，说明是Ca2+的电泳峰。 图5 加入Ca2+标准溶液的水样毛细管电泳谱图3.2样品及分别加入单标后的峰高实验测得样品溶液及加入单标后的峰高如下表所示表1 样品溶液及加入单标后的峰高迁移时间/min水样峰高Ca标准溶液K标准溶液Mg标准溶液Na标准溶液2:102342163192512133:102111982042192963:40272222154234:2485145758967有上述数据可得，阳离子的出峰顺序为K+、Na+、Mg2+、Ca2+，在水样中对应的峰高h1分别为：234、211、27、85，加入阳离子单一标准溶液后对应的峰高h2分别为：319、296、154、145。3.3样品中阳离子的含量计算已知水样的体积V水=3 mL，加入单标体积V标=100L，即水样体积为单标体积的30倍，假设水样体积和单标体积具有加和性，则加入单标后溶液体积为水样体积的3130倍，单标体积的31倍。所以，加入单标后，水样中阳离子的浓度C1稀释为3031C1，单标中阳离子的浓度Cs稀释为131Cs，则由峰高与离子浓度的比例关系有：h1C1 =h2C2 (1)式中，C2=3031C1 + 131Cs，代入(1)式中，化简得到，水样中阳离子的浓度C1为：C1=Csh1/(31 h230h1) (2)已知单标中的阳离子浓度为0.1 mmolL-1，矿泉水稀释了30倍，则由(2)式计算得到水样中各阳离子的含量如下：表2 水样中各金属阳离子的含量阳离子水样峰高h1加标后峰高h2浓度/mgL-1K+2343199.54 Na+2112965.12 Mg2+271540.49 Ca2+851455.24 根据中大逸仙泉瓶身标注，矿泉水中各金属阳离子的含量为：K+ 1.04.0 mgL-1；Na+ 2.07.52 mgL-1；Ca2+ 0.5118.90 mgL-1；Mg2+ 0.150.45 mgL-1。根据实验结果，中大逸仙泉矿泉水中，K+含量大概是最高标准值的两倍，Mg2+含量稍微超过最高标准值，Na+和Ca2+含量则都在标注的范围内。4结果讨论4.1 观察到电泳谱图的基线都不是很平坦，试分析其原因。一方面，是由于外界环境因素导致的基线不平。由于仪器的灵敏度较高，所以工作环境中温度、湿度、气流等因素的稍微变动，都可能给仪器工作带来干扰，造成基线倾斜。因此，在实验过程中应尽量控制这些因素的变化。另一方面，是由于检测的样品中的成分比较复杂，干扰较多造成的。饮用水体系中含有大量不同种类的离子，在检测Na+、Mg2+等阳离子的过程中，其它离子也会对其造成一定的干扰。本实验通过扣除背景，走基线等操作，来尽量减少检测过程中的干扰。4.2接触式电导与非接触式电导的主要区别是什么?两者的主要区别在于工作电极是否与待测溶液直接接触。非接触式电导相对于接触式电导而言，由于其工作电极没有与待测溶液直接接触，只是在分离毛细管检测区的外部，将一高频的交流信号作用在检测电极上，通过电流产生的电场驱动溶液中阳离子的迁移。避免了由于电极与溶液接触而造成的诸多问题，例如电极中毒、测定过程中电极产生气泡、噪音大、干扰因素增多、灵敏度降低等等。因此，本实验采用非接触式电导检测法。4.3影响K+、Na+、Ca2+、Mg2+离子的电泳出峰顺序（即迁移时间）的因素是什么？ 在溶液中，离子的迁移速率可用下式计算：式中，q为离子的电荷数；E为电场强度；为离子的表观液态动力学半径；为介质的粘度。由公式可得，影响各阳离子的迁移时间的因素有电荷、电场强度、离子的表观液态动力学半径和介质的粘度。有上述公式计算，阳离子的出峰顺序应该为Ca2+、Mg2+、K+、Na+，但实验测得的结果是K+、Na+、Mg2+、Ca2+。实验结果说明出峰顺序不只和上述因素有关，还和阳离子在水溶液中的水合程度有关，由于Mg2+和Ca2+结合水分子的能力更强，使得其水合离子半径较大，运动较为困难。4.4酒石酸起何作用？三羟甲基氨基甲烷(Tris)的作用？一方面，酒石酸和三羟甲基氨基甲烷组成缓冲溶液，使电泳运行液的PH维持稳定，防止溶液碱性太强而使阳离子生成沉淀，影响测定结果；另一方面，由于各金属离子的迁移率比较接近，直接分离较为困难。酒石酸作为络合剂，可改变金属离子的质荷比，增大各个阳离子迁移率的差异，改善分离效果。4.5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？毛细管电泳的定量分析方法有标准曲线法、标准加入法和内标法等。具体的计算可通过电泳峰的峰高或峰面积进行计算。本实验采用标准加入法的原因有：一方面，标准加入法可以准确地对待测阳离子进行定性和定量的分析。通过加入单标，观察电泳峰的峰高变化就可以判断出对应的阳离子种类，简单快捷；记录加入单标前后，电泳峰的峰高就可以很快地计算出阳离子的含量。另一方面，标准加入法测定的结果较为精确。如果采用标准曲线法，由于仪器的灵敏度较高，实验干扰因素又比较多，在测定不同浓度的标准溶液时，偏差可能会比较大，实验的重现性较差。而采用标准加入法，由于是在同一个体系中加入标准溶液，可以在很大程度上消除这种影响，分析方法的精密度就较高。4.6电动进样的优缺点？本实验为何采用电动进样？电动进样的优点：方便快捷，操作简单，控制灵活，进样量的控制较为精确。对于具体溶液，只要控制进样电压及进样时间，就可以准确地控制进样量。缺点：由于不同离子在电场中的运动不一样，采用电动进样可能会导致进样不均，例如电歧视现象，淌度大的离子进样量要比淌度小的离子进样量大，影响了测量结果的准确性。本实验采用电动进样是由于实验的进样量小，电动进样的缺点在本实验中影响较小。而且，电动进样的操作简单，实验的重现性好，精密度较高。5结论：本实验采用高效毛细管电泳-非接触式电导检测法，测定中大逸仙泉矿泉水样品中K+、Na+、Ca2+、Mg2+离子的含量。最终测得矿泉水样品中各种阳离子的含量分别为：K+ 9.54 mgL-1；Na+ 5.12 mgL-1；Ca2+ 0.49 mgL-1；Mg2+ 5.24 mgL-1。根据矿泉水瓶身上的标注，