高效毛細管電泳-非接觸式電導檢測法

高效毛細管電泳一一非接觸式電導檢測法測礦泉水中四種陽離子含量化學與化學工程學院分析科學研究所中山大學，廣東510275摘要權(quán)實驗利用高效毛細管電泳的儀器，通過標準加入法，結(jié)合非接觸式電導檢測的方法對中山大學水廠生產(chǎn)的“中大逸仙泉〃礦泉水產(chǎn)品中的四種金屬離子一一KLNa\Mg2\Ca??進行定性定量分析。條件：8mmol?L』Tris+6mmol/L酒石酸為電泳運行液；分離電壓+14kV。結(jié)果測得礦泉水樣品中K離子濃度為5.30mg/L,Na離子濃度為2.06mg/L,Mg離子濃度為0.44mg/L,Ca離子濃度為L52mg/L。關鍵詞高效毛細管電泳法非接觸式電導檢測法標準加入法礦泉水陽離子分析。引言礦泉水(MineralWater)是指水中含有礦物質(zhì)或其他溶解的物質(zhì)。而這些物質(zhì)中的K、Na\Mg2\Ca??四種陽離子含量的測定方法，國家標準中⑴對于K'和Na?是用火焰發(fā)射光度法、火焰原子吸收分光光度法和離子色譜法等：而Mg??和Ca??則較多使用EDTA二鈉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單元素測定，效率較低且基底影響較大。現(xiàn)今也有使用ICP作為光源⑵對金屬元素進行測定的應用，但儀器價格較為昂貴,普及度較低。高效毛細管電泳(HighPerformanceCapillaryEletrophoresis,HPCE)利用了電泳和電滲的原理，通過在充滿緩沖液的毛細管兩邊加上高電壓后進行電泳，由于樣品各組分在毛細管內(nèi)的遷移速度不同，使得經(jīng)過一段時間后,各組分會按照其速度大小順序依次經(jīng)過檢測器而被檢出，從而進行定性和定量分析。該方法具有成本低、分離效能高、速度快、應用范圍廣和樣品用量少等優(yōu)點，巳經(jīng)成為現(xiàn)今重要的分離分析手段⑶。對應的檢測手段中，紫外/可見檢測器⑷的應用較廣泛，但由于檢測光程受到毛細管內(nèi)徑的限制導致靈敏度低。而電導法不僅靈敏度高，而且操作簡單，其根據(jù)電極與待測溶液是否接觸分為接觸式和非接觸式電導檢測。而接觸式電導檢測一般是將微電極內(nèi)置于毛細管中，工藝較為復雜，不易維修和清洗，且容易導致污染閔。近些年發(fā)展起來的一種非接觸式電導檢測法(ContactlessConductivityDetection,CCD),全稱為電容耦合非接觸性電導檢i則法(Capacitively-CoupledContactlessConductivityDetection,C4D)則較好地克服了以上缺點國。綜上所述，本實驗中將采用高效毛細管電泳-非接觸式電導檢測法進行陽離子分析，并用標準加入法進行定性定量輔助分析。1實驗部分1.1儀器和試劑儀器：CES2008毛細管電泳儀(中山大學化學與化學工程學院研制)：非接觸式電導檢測池：熔融石英毛細管（50cmx50|im）;注射器：微量移液器。試劑：（1）O.lmol-L^NaOH溶液：0.1mol?L氣西石酸溶液；O.lmoHJ1三羥甲基氨基甲烷（Tris）溶液。（2）電泳運行液：移取8mL0.1moH?Tris溶液、6mL0.1mol-L1酒石酸溶液于100mL容量瓶中，加超純水定容至刻度。（3）l.OxlO^mol-LV.Na\Ca2\Mg2*單一標準溶液。（4）樣品:市售瓶裝飲用水（本實驗采用“中大逸仙泉礦泉水。進樣前稀釋30倍。1.2實驗過程12.1實驗前準備（1） 開啟：將電導檢測池的工作電極、輔助電極和高壓地電極與電泳平臺上的接線端正確聯(lián)接。依次打開計算機，檢測器（檢測方式設為非接觸式電導檢測）和高壓電源（"進樣/分離〃按鈕處于“進樣"位置，電壓極性設定為正高壓）的電源開關。檢測器預熱30min°雙擊Windows桌而上的“CES2008”圖標，待出現(xiàn)“毛細管電泳數(shù)據(jù)工作站CES2008”界而后，準備進行樣品測試工作。（2） “沖管”：在進樣端毛細管柱用注射器注入l?2mL電泳運行液，將高壓電源的"分離/進樣"按鈕按向“分離"位置。設定“分離電壓”值為+14kV（己是默認設定）。2min后停止，將毛細管柱放回裝有運行液的儲液瓶，并點擊"毛細管電泳數(shù)據(jù)工作站"工具欄中的“背景"圖標，背景測試完畢后彈出一個結(jié)果框顯示當前的背景值，按“確認"鍵后該值自動作為“參數(shù)設置”中的“補償"值，進行背景扣除。（3） “走基線”：點擊工具欄中的"啟動〃圖標，這時記錄開始，可觀察到屏幕上顯示出基線。待基線穩(wěn)定后（一般需要5min）,停止記錄，并將"分離/進樣"按鈕按向“進樣"位置，準備進樣測量。1.2.2測量（1） 樣品：吸取3.00mL礦泉水樣品于一個干凈的進樣瓶中。（2） 進樣：取下儲液瓶，換上盛進樣瓶，采用電動進樣方式，按照設定的進樣參數(shù)（進樣電壓+9.0kV,時間為5s）進樣。進樣結(jié)束后，取下進樣瓶，換回儲液瓶。（3） 分離：將高壓電源的“分離/進樣”按鈕按向“分離”位置。點擊工具欄中的“啟動”圖標，開始記錄電泳譜圖。待CNa\Ca,Mg?+的電泳峰和水峰出現(xiàn)后再運行l(wèi)min,點擊工具欄中的“停止”圖標。隨后將高壓電源的“分離/進樣”按鈕按向“進樣〃位置。點擊工具欄中的“峰高”圖標，可自動給出電泳峰的“遷移時間”和“峰高”等數(shù)據(jù)（也可手動測量）。點擊“保存”圖標對電泳圖譜進行保存。記錄峰高和遷移時間。（4） 鑒定：用微量移液管逐次移取100jiLK\Na\Ca2\Mg?+單一標準溶液于重新裝入3.00mL的樣品的進樣瓶中，按照（2）和（3）的操作步驟，觀察峰高變化情況，確定各個電泳峰所對應的離子組分，記錄結(jié)果。每一次加標準溶液都應該進行實驗前準備工作中的“沖管”和“走基線”的步驟。2結(jié)果與討論2.1實驗結(jié)果實驗譜圖如下圖:圖2礦泉水+K?單標圖4礦泉ZK+Mg2+單標圖5礦泉*+Ca2+單標根據(jù)加單標后的峰形對比空白樣品可以判斷出陽離子在此實驗條件下的遷移時間長短為：KSNa+>Mg2+>Ca2\且由上述數(shù)據(jù)，K\Na\Mg2\Ca?+含量整理得下表：表1陽離子含■分析結(jié)果待測陽離子遷移時間/s礦泉水中峰高hl加入單標后峰高h2離子含量c/(mg/L)礦泉水瓶注含量/(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,圖1中的Ca^離子峰高度異常，應該是在測量過程中受到了污染，故采用K?作為單標加入樣品進行檢測的圖2中的廿?離子峰高度柚(Ca2+)=33來計算以減少原數(shù)據(jù)帶來的偏差。其中各離子加入濃度G=壽=堂也/=3.23x10-3mmol/L.根據(jù)下式:sVj+V2 3X>m￡+0.1m￡ '人1_ “2cxCx+Cs求算出Cx，再根據(jù)離子含量c=cxX30XMr,計算出樣品中各目標離子濃度。從表1中可知“中大逸仙泉”礦泉水中各離子含量基本與標注相符，其中K?濃度為5.30mg/L,比標注含量偏高，而Na*濃度為2.06mg/L,Mg?+濃度為O.44mg/L,Ca"濃度為i.52mg/L,均與標注相符e2.2實驗結(jié)果討論陽離子遷移時間分析：可以看出鉀離子和鈉離子的遷移時間較短，鎂離子和鈣離子的遷移時間較長，與質(zhì)核比大小關系Mg2+>Ca2+>Na+>K+出入很大，這其中有很多影響因素，例如：二價堿土金屬水合能力更強，實際質(zhì)核比偏小，另外，電泳運行液中的酒石酸對Ca離子有螯合作用，與Na離子結(jié)合能力也較強，對遷移時間也會產(chǎn)生一定影響。各離子含量分析：鉀離子濃度偏高，最有可能的原因是礦泉水中鉀離子濃度偏高了，雖然比瓶注最大值超出25%,但總含量并不會太大，對水質(zhì)影響也不明顯，屬于可以接受的范圍：另外也有可能是實驗操作過程中的誤差，這方而需要進一步實驗驗證。鈉離子、鎂離子和鈣離子含量準確落于所標注的區(qū)間，說明本次實驗準確度較高，礦泉水標注與實際相符。水樣中Ca?,峰偏高：因為實驗一開始測得的水樣圖峰高值均較小，故在最后測完鈣離子單標的樣品后再測了一次樣品，故最大的可能就是毛細管端或者能與儲液瓶接觸的地方沾上了少許鈣離子的標準溶液，然后在測試水樣的時候又將其溶入，由此導致峰高異常；也有可能是儀器當時受到了環(huán)境噪音的影響。發(fā)現(xiàn)此問題后本小組原本應該重測一次，但發(fā)現(xiàn)問題的時間與試驗時間相距較遠，故采用其他譜圖中的數(shù)據(jù)進行計算。綜上所述，利用高效毛細管電泳-非接觸式電導檢測法測定礦泉水中四種陽離子含量簡單快速，準確度高。于是“中大逸仙泉”礦泉水四種陽離子含量除鉀離子偏高外均符合標注情況。3思考題接觸式電導與非接觸式電導的主要區(qū)別是什么？答：通常的電導率儀的電極會與溶液直接接觸來測溶液的電導率，而非接觸式電導檢測器原理是連接于毛細管或高效液相通道上，溶液在管道內(nèi)流動經(jīng)過非接觸式電導耦合檢測器時其內(nèi)一對電極施加高電壓于溶液，根據(jù)溶液中所含物質(zhì)種類和濃度的不同會產(chǎn)生相應的電信號，信號收集器收集電信號傳導給分析記錄儀轉(zhuǎn)化為譜圖形式呈現(xiàn)在電腦上。非接觸式電導的電極與待測溶液隔離，避免了因電極與溶液接觸而造成的諸多問題，有效地消除了電極中毒的問題，電極壽命長，抗「?擾能力強，可檢測物質(zhì)的范圍廣。影響《、Na\Ca2\M廣離子的電泳出峰順序（即遷移時間）的因素是什么？答：根據(jù)遷移速度公式：qEqEv=—= f6刑其中Y為離子表現(xiàn)液態(tài)動力學半徑，為介質(zhì)的黏度，其他變量在同一電場中保持不變。因此，離子出峰順序的主要影響因素是V和4在電泳運行液中，不同離子不是以游離離子形態(tài)存在，存在水合的情況，堿上金屬的水合能力強于堿金屬，因此水合堿上金屬Y較大，導致堿土金屬遷移速度偏慢，出峰慢：n的變化主要是來自運行液組成分酒石酸與各金屬螯合作用不同，鈣離子和酒石酸的螯合能力相對較強，導致黏度偏大，也導致出峰偏慢。酒石酸起何作用？三羥甲基氨基甲烷(Tris)的作用？答：酒石酸有利于維持金屬陽離子形態(tài)，保持離子電導率值：三羥甲基氨基甲烷(Tris)作為溶液的緩沖液,起到穩(wěn)定溶液PH值的作用，從而穩(wěn)定各離子在運行液中的形態(tài)。因為金屬陽離子具有高電荷、低質(zhì)量、遷移率相近，一般很難把它們直接分開，必須加入絡合劑，使金屬離子與絡合劑形成具有不同穩(wěn)定常數(shù)的結(jié)合物，增加離子間的遷移率差，以達到分離的目的。三羥甲基氨基甲烷(Tris)是弱堿，它具有緩沖效應，在實驗中起緩沖作用。由于大部分絡合劑都為弱酸根，對弱酸電離度的影響決定了對絡合劑有效濃度的影響，從而影響絡合平衡,導致分離度的變化。高效毛細管電泳中定量分析的方法有哪幾種？本實驗為何要采用標準加入法定量？答：主要有標準曲線法、標準加入法和內(nèi)標法。本實驗采取標準加入法，可以從加入不同離子時電泳圖的變化來使峰和離子一一對應，測得樣品的峰面積以及加入單一標準溶液后的峰而積，并通過峰而積與離子含量呈正比的關系求出位置樣品中陽離子的濃度，進而求得樣品中陽離子的含量。優(yōu)點有：1、定量分析的同時可以進行離子峰定性；2、相比標準曲線法簡單快速；3、標準加入法操作簡單，計算方便。電動進樣的優(yōu)缺點？本實驗為何采用電動進樣？答：優(yōu)點：流速穩(wěn)定，流量可控，避免了操作者的操作誤差，再現(xiàn)性好：缺點是：靈活性不足，對儀器精確程度有較高要求。本實驗采用電動進樣簡單易行，操作快速。電遷移進樣的優(yōu)點是不需附加裝置：當毛細管中有凝膠或黏度大的介質(zhì)，無法采用其他進樣方式(如加壓進樣等)時，更顯示其突出作用。缺點：對樣品溶液中離子型組分有歧視效應，因而進樣準確性差。由于當樣品溶于比電泳運行液低得多的溶液中，在電動進樣時，電場會基本加在樣品與管口之間，當離子從高電場突然進入低電場時，會因減速而堆集在電場交界處，導致區(qū)帶縮短、濃度提高，得到電堆積效果，進而提高檢測靈敏度，故本實驗采用電動進樣。參考文獻⑴中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.飲用天然礦泉水檢驗方法［MJ.GB/T8538-2008:16-23.⑵孔艷.ICP-AES法測定油田水中鉀、鈉、鈣、鎂［J］