高效毛细管电泳

高效毛细管电泳-非接触式电导检测法的应用

——瓶装矿泉水中Na+、K+、Ca2+、Mg2+的分离检测

摘要本实验采用毛细管电泳–非接触式电导检测法，以8mmol?L-1Tris 和6mmol?L-1酒石酸为电泳运行液，分离电压为+15 kV，采用标准加入法，对瓶装矿泉水中Na+、K+、Ca2+、Mg2+四种阳离子同时进行直接分离和检测。实验测得逸仙泉矿泉水中Na+、K+、Ca2+、Mg2+的含量分别为2.57mg·L1、13.46mg·L-1、4.99mg·L-1、1.82mg·L-1，发现K+、Mg2+含量均大大超出厂家提供的含量范围。

关键词高效毛细管电泳非接触电导检测法中大逸仙泉水分离检测标准加入法

1 引言

Na+、K+、Ca2+、Mg2+是人体内重要的无机阳离子，这些离子含量的高低直接影响人体的生理功能。Mg2+是人体细胞内的主要阳离子，浓集于线粒体中，是体内多种细胞基本生化反应的必需物质，在神经肌肉的机能正常运作、血糖转化等过程中扮演着重要角色。K+在人体内的主要作用是维持酸碱平衡，参与能量代谢以及维持神经肌肉的正常功能。人体中的钙元素主要以羟基磷酸钙晶体的形式存在于骨骼和牙齿中。Na+是细胞外液中带正电的主要离子，参与水的代谢，保证体内水的平衡，调节体内水分与渗透压，此外，糖代谢、氧的利用、维持正常血压也需要钠的参与。矿物质水中这些离子含量的高低决定了水质是否符合标准。因此，研究快速分离测定这些离子的含量很有实际的意义。

由于要同时测量四种离子含量，因此传统的对单一离子测量的方法不能用，毛细管电泳–非接触式电导检测法，可以同时对K+、Na+、Ca2+、Mg2+四种阳离子同时进行直接分离并且检测含量，相比已有的实验方法，本实验具有灵敏度高，操作简便，而且可以同时测定四种不同离子的含量，离子之间不存在相互干扰，极大地提高了实验效率，实验结果令人满意。

高效毛细管电泳的检测器中，非接触式电导检测（Capacitively Coupled Contactless Conductivity Detection, 简称C4D）是近年来发展起来一种新型的电导检测方法。非接触式电导检测法的电极与待测溶液隔离，避免了因电极与溶液接触而造成的诸多问题，有效地消除了电极中毒的问题，电极寿命长，抗干扰能力强，可检测物质的范围广。HPCE–C4D具有通用性好、灵敏高、分析成本低和环境友好的优点，在日常分析中具有广阔的应用前景。

2 实验部分

2.1仪器试剂

2.1.1 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 cm×50 μm），超声波清洗器，微量移液器。

2.1.2 试剂

（1）0.1mol·L-1 NaOH溶液；0.1 mol·L-1酒石酸溶液；0.1mol·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 mol·L-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）1.0×10-4 mol·L-1 K+、Na+、Ca2+、Mg2+单一标准溶液。

（4）样品：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“CES2008”图标，待出现“毛细管电泳数据工作站CES2008”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 mol?L-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 μA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经稀释过的中大逸仙泉水样品于进样瓶中；

（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6s）进样。进样结束后，取下进样瓶，换回储液瓶。

（3）测量：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+、N a+、Ca2+、Mg2+的电泳峰和水峰出现后再运行一段时间，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。

（4）鉴定：用标准加入法分别依次加入100μL单一标准溶液到测试样品溶液中（每次加入标准溶液后在下一次加入另一种标准溶液时都要换水样，且在每次进样前都要重复“冲管子”、“走基线”过程），然后重复上面（2）（3）过程，鉴定水样谱图中K+、Na+、Ca2+、Mg2+离子，并计算各种离子的含量。

3 实验测量与讨论

3.1 样品及分别加入标准溶液后水样的谱图

图1 逸仙泉水样图谱

图2 水样加入K+标准溶液谱图

图3 水样加入Na+标准溶液谱图

图4 水样加入Mg2+标准溶液谱图

图5 水样加入Ca2+标准溶液谱图

3.2 实验数据处理

表1 K+、Na+、Ca2+、Mg2+离子混合溶液的HPCE–C4D分离检测结果

电泳峰序号迁移时间/min 鉴定离子

1 2:37 K+

2 3:40 Na+

3 4:32 Mg2+

4 5:28 Ca2+

在CES2008上可读出峰高度数据，将各谱图中峰高度数据进行分析，据公式：

?1C

x=?2C X′其中：C X′=C X V1+C S V2V1+V2

计算可得C x=C S V2?1

V1?2+V2?2+V1?1

代入数据可计算得到C x，计算结果及相关数据见下表：

表2 浓度计算相关数据

离子K+Na+Mg2+Ca2+样品峰高h1133 89 33 35

样品+标准溶液峰高h2166 163 74 61 样品体积V1/L 3×10-33×10-33×10-33×10-3标准溶液体积V2/L 1×10-51×10-51×10-51×10-5标准溶液浓度C S/ mol·L-11×10-41×10-41×10-41×10-4测定离子浓度C x/ mol·L-1 1.15×10-5 3.73×10-6 2.53×10-6 4.16×10-6

水样中离子含量W/ mg·L-113.46 2.57 1.82 4.99

瓶体标注离子浓度/ mg·L-1 1.0-4.0 2.0-7.52 0.15-0.45 0.51-18.9 W=30·C x·M·1000mg/g

3.3 实验讨论

实验过程中，有几个谱图的基线不平，起伏比较大，而当时实验室内人员密集，随意走动和谈话，说明外界环境因素对实验有较大的影响。由于仪器灵敏度较高，实验操作过程中须严格控制实验室的湿度、温度、风向等因素的影响；在加入单一标准溶液时，除第一次直接加到水样里面，后面都必须重新换水样然后加入标准溶液。每次进样之前必须重复“冲管子”和“走基线”的操作，尽可能减少测量中可能存在的干扰。

4 实验结论

实验测得逸仙泉瓶装水中K+、Ca2+、Na+、Mg2+的浓度分别为13.46 mg·L-1、2.57 mg·L-1、1.82 mg·L-1、4.99 mg·L-1，可见K+、Mg2+严重超出厂家提供的含量范围。但只要不是长年饮用此种水，对一般人的身体不会产生太大的影响。高效毛细管电泳法仪器简单、自动化程度高；分析速度快、分离效率高；操作方便、消耗少；可以广泛应用于各种溶液中离子的分离鉴定。

参考文献：

[1]实验51 毛细管电泳非接触式电导法应用（实验讲义）

5.思考题

1接触式电导与非接触式电导的主要区别是什么？

答：非接触式电导电极与待测溶液隔离，通过电磁波来测量电导，避免因电极与溶液接触而造成诸多问题，有效避免电极中毒问题，电极寿命长，抗干扰能力强，可检测物质范围广。

2.影响K +、Ca 2+、Na + 、Mg 2+离子的电泳顺序（即迁移时间）的因素是什么？

答：根据迁移速度公式 其中，γ为离子的表观液态动力学半径；

η 为介质的粘度

所以可以看出影响因素有：电荷、电场强度、介质的粘度、离子的表观液态动力学半径。

3.酒石酸起何作用？三羟甲基氨基甲烷（Tris ）的作用？ 答：组成一对缓冲溶液使离子更好分离。

4.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？

答：分析谱图的峰高和峰面积；使用标准加入法的目的是：便于定性检测出是何种离子，也可以定量检测出离子的含量，同时也可以消除其他因素的影响。

5.电动进样的优缺点？本实验为何采用电动进样？

答：优点：控制电压低，控制灵活等；缺点：进样不均：电歧视现象，淌度大的离子比淌度小的进样量大；离子丢失：淌度大且与电渗流方向相反的离子可能进不去；特别适合黏度大的试样。采用电动进样是由于方便，控制简便，只需按一下按钮即可。

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