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1、高效毛细管电泳非接触式电导检测瓶装水的阳离子1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 +、Ca 2+、Mg 2+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 +、Ca 2+、Mg 2+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；Ca 2+ 0.49 mgL-1；Mg 2+ 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
2、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
3、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
4、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。高效毛细管电泳非接触式电导检测瓶装水的阳离子22.实验部分2.1 仪器与试剂1. 仪器CES2008 毛细管电泳仪(中山大
5、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 cm 50 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 mol L-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 mol L-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 +、Ca 2+、Mg 2+单一标准溶液：分别称取相应量的K+、Na +、Ca 2+、Mg 2+的氯化物于塑料烧杯中，用超纯
6、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 +、Ca 2+、Mg 2+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
7、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，高效毛细管电泳非接触式电导检测瓶装水的阳离子3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
8、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(
9、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 +、Ca 2+、Mg 2+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 +
10、、Ca 2+、Mg 2+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 +、Ca 2+、Mg 2+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 +、Ca 2+、Mg 2+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：高效毛细管电泳非接触式电导检测瓶装水的阳离子4图 1 中大逸仙泉水样的毛细管电泳谱图图 2 加入 K+标准溶液的水
11、样毛细管电泳谱图峰 1 峰 2峰 3 峰 4加入 K+单标后，峰 1 变高，说明是 K+的电泳峰。峰 2、3、4 高度基本不变高效毛细管电泳非接触式电导检测瓶装水的阳离子5图 3 加入 Na+标准溶液的水样毛细管电泳谱图图 4 加入 Mg2+标准溶液的水样毛细管电泳谱图加入 Na+单标后，峰 2 变高，说明是 Na+的电泳峰。峰 1、3、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。峰 1、2、4 高度基本不变。高效毛细管电泳非接触式电导检测瓶装水的阳离子6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
12、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2:10 234 216 319 251 2133:10 211 198 204 219 2963:40 27 22 22 154 234:24 85 145 75 89 67有上述数据可得，阳离子的出峰顺序为 K+、Na +、Mg 2+、Ca 2+，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
13、 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 倍，单标体积的313031 倍。所以，加入单标后，水样中阳离子的浓度 C1 稀释为 C1，单标中阳离子的浓度 Cs 稀释3031为 Cs，则由峰高与离子浓度的比例关系有：131加入 Ca2+单标后，峰 4 变高，说明是 Ca2+的电泳峰。峰 1、2、3 高度基本不变。高效毛细管电泳非接触式电导检测瓶装水的阳离子7= (1)h11h22式中，C 2= C1 + Cs，代入(1)式中，化简得到，水样中阳离子的浓度 C1 为：3031 131C1=Csh1/
14、(31 h230h 1) (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+ 234 319 9.54 Na+ 211 296 5.12 Mg2+ 27 154 0.49 Ca2+ 85 145 5.24 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；Ca 2+ 0.5118.90 mgL-1；Mg 2+ 0.150.45 mgL-1。根据实验结
15、果，中大逸仙泉矿泉水中，K +含量大概是最高标准值的两倍，Mg 2+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+、Mg 2+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
16、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。避免了由于电高效毛细管电泳非接触式电导检测瓶装水的阳离子8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 +、Ca 2+、Mg 2+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
