毛细管电泳-电容耦合非接触电导检测方法

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提出了非接触电导检测
（ 7"/9479#.>> 7"/=<798:89; =.9.798"/ ， 缩 写 ’’( ） 方
收稿日期： !""- ."$ ."# 作者简介： 谭 / 峰， 男， 博士研究生 0
通讯联系人： 关亚风， 男， 研究员， 博士生导师， 123 ： （ "-** ） 4-$,5#," ， 6.7&83 ： 9:;<&=> 7&830 ?3@AA0 3=0 (=0 基金项目： 中国科学院知识创新工程领域前沿项目 .大连化学物理研究所青年基金资助项目 （ BC0 DEFG0 H!""$"- ） 0
! 第!期
谭 " 峰等： 毛细管电泳 " 电容耦合非接触电导检测方法
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#$%& ’()*+’*$%,, ’()&-’*./.*0 &%*%’*.() ，缩 写 为 1 2） 方法。同 # 个 电 极 的 112 相 比， 1 2 检测池 结构简单， 电极容 易 固 定， 对 毛 细 管 直 径 没 有 限 制， 可用在内径为 $ ! 3 的毛细管的 14 检测， 极大地扩 大了非接触电导检 测 的 应 用 范 围， 提高了质量检出 6+-,%7 等 灵敏度。在 5%3+)) 之后，
（ ! <& > ! <! > ! ） 中 % #"# 为加 于 电 极 上 的 激 发 电 压， &!< 为 电 极 式 （&） 与管内溶液之间的阻 抗， ( 为 激 发 频 率， " 为两电极 间溶液电阻， # 为流 过 电 极 的 电 流， ) 为毛细管孔径
图 ! " ! # " 检测池示意图［ !$ ］
［ !$ ］ $%&# ! " ’()*+,-%( .%,&/,+ 01 .*-*(-%02 (*33 01 ! # "
截面积， + 为两电极之间的 距离， （, " , 为溶 液 电 导 为溶液的浓度， 。 " 为溶液的摩尔电导率） ! ! 由于 待 测 组 分 和 背 景 缓 冲 溶 液 的 电 导 " , 不 同， 因此当样品 区 带 流 经 检 测 区 域 时 会 引 起 电 阻 " 的改变， 使 回 路 中 # 发 生 改 变， 改变量+# 即为响应 信号。为使检测器对分析物的浓度有良好的线性响 应特征， 必须使式 （&） 中 的 " (! 充 分 大 于 （ ) * +） ・ 激 励 电 压、 频率和 " , 。实际上检测池 的 几 何 尺 寸、 毛细管壁厚度等参数的优 化 都 可 从 式 （&） 中得到解
［I］ 或 -$" ! D 的 石 英 毛 细 管） 。但 在 现 代 毛 细 管 电
， 或将微电极放置于毛细管
［$， -］
， 或 在 毛 细 管 端 口 沉 积 一 层 *" + *"" /D 。由 于 检 测 电 极 同
厚的金属薄膜作 为 检 测 电 极
溶液直接接触， 在检 测 电 压 作 用 下 某 些 物 质 会 发 生 电化学反应， 以及在 分 析 复 杂 基 体 样 品 时 组 分 在 电 极上吸附， 使得检测电极被污染， 影响电极的响应性 能， 因此必须经常对电极做处理， 有时需要拆下来清 洗， 实 际 使 用 很 不 方 便， 难 以 实 现 商 品 化。此 外， 毛 细管电泳的高分离 电 压 会 对 检 测 电 极 产 生 影 响， 必 须采取有效的隔离 措 施 屏 蔽 分 离 高 压 和 检 测 电 极， 以消除高压对响应信号的干扰。 & & *54" 年， !478G 等
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色
谱
第 !" 卷
释。我们的实 验 证 明 式 （#） 基 本 正 确。 例 如， 增加 激励电压 ! !"! ， 响应信号线性增加； 电 极 与管 壁 之 间 而频率的增加在开 紧密接触能提高 " # 并 减 少 " # ； 始时是有利的， 但到了 上 百 $%& 时， 由 于 分 布 电 容、 射频传导和导线电 感， 以及放大电路的频率响应等 因素， 不会遵循上述简化的理想公式。 ! ! "# 信号处理电路 ’ ’ 信号处理电路在 ( ) 中起 着非常 重 要 的 作 用： 一是对接收电极产 生 的 交 流 信 号 进 行 放 大， 二是对 交流信号进行整 流、 滤 波 得 到 直 流 信 号。 典 型 的 信 号处理电路原理图如图 " 所示。 ( ) 的信号处理电 路部分必须使用高 增 益 带 宽 的 运 算 放 大 器， 以获得 足够的信号放大增益和优良的频率响应特性。采用 锁相放大器
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毛细管电泳 !电容耦合非接触电导检测方法
谭 & 峰， & 关亚风
（ 中国科学院大连化学物理研究所，辽宁 大连 **I"*! ） 摘要： 介绍了电容耦合非接触电导检测 （ ’- (） 的检测原理及其最新的 研 究 进 展， 引 用 文 献 #" 篇。 ’ - ( 是 近 几 年 发 结 构 简 单， 易 于 微 型 化、 展起来的一种用于毛细管电泳和微流控芯片电泳的新检测技术。 ’ - ( 检测器的 原 理 清 楚， 集成化， 不污染检测电极， 因而很有应用价值。 关键词： 毛细管电泳； 电容耦合非接触电导检测； 微流控芯片电泳； 综述 中图分类号： )I#4/ / / 文献标识码： *& & & 文章编号： *""" +4,*$ （ !""# ） "! +"*#! +"I
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阻。为制作上的方便， 一般使 ! <& * ! <! > ! 。图 ! "+ 中的 ! & 为电极间没 有 接 地 电 极 时 两 个 电 极 通 过 空 它把 气直接耦合形成的电容。电容 ! & 对检测不利， 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 ! ": 为两个检测电极 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 ! & 而 显 著 降 低 了 检测噪声。在 &( ?+=( 等［ * ］提出的检测池等效电路 中， 还考虑了管壁电容、 双 电 层 电 容、 溶液电 ! 电 势、 阻、 毛细管内壁电 阻 以 及 聚 酰 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 ! 所示的 等效电路。
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! ! 上述检测池相应的等效 电 路 如 图 ! 所 示。 图 ! 中 ! <& 代表激励电极同毛细管内 缓 冲 溶 液 构 成 的 圆 柱状电容， ! <! 代表接收电极同毛细管内缓冲溶液构 成的圆柱状电容， 毛细管壁和聚酰胺涂层构成电容 的电介质， " 代表两个电极区间毛细管内溶液的电
［#］
泳中， 最 常 使 用 的 是 内 径 为 #" + *"" ! D 、 外径为 $I# ! D 的石英毛细 管。由 于 很 难 在 毛 细 管 外 壁 上 固定 - 个电极以及 受 到 检 测 灵 敏 度 的 限 制， 所以无 法使用 ’’( 检测。但是 ’’( 的原理确实为电导检 测提出了新的思路。 & & I.D4// 等［ , ］和 =" J40" 等［ 4 ］于 *554 年 分 别 提出了电容耦合非接触电导检测 （ 74647898:.#; 7"<+
开发出高压
1 2 。 1 2 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 是 高 分 子 绝 缘 材 料。 这 些 特 点符合微流控芯片 电 泳 对 检 测 器 的 要 求， 因此 1 2 在芯片电 泳 检 测 中 得 到 成 功 的 应 用。 1 # 2 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。 国 内 18%) 等［ &’ ］最 先报道 了 类 似 的 高 频 非 接 触 电 导 检 测 方 法； 9-+) 等［ && ］报道了用 14"1 # 2 对常见无机离子的测定。
图 $ " ! # " 检测池的等效电路图［ !$ ］
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［!］ ［*］
法。这种检测器将 - 个电极按径向顺序排列在毛 细 管聚酰胺层的同一 平 面 上， 电极与管内的溶液不接 触。其中两个电极 为 激 励 电 极， 同高频交流信号源 连接； 另两个电极为接收电极， 用以输出毛细管内液 体电导变化产生的响应信号。由于要在分离毛细管 固定起来比较困 的径向同一平面上 放 置 - 个 电 极， 难， 因此这种检测器 主 要 用 于 使 用 粗 毛 细 管 的 等 速 电泳检测。 ’’( 的 一 个 重 要 进 步 是 它 可 用 于 窄 孔 毛细管区带电泳的 检 测 （ 所用分离毛细管是内径为 $"" ! D 、 外径 为 #"" ! D 的 聚 四 氟 乙 烯 （ H,-F ） 管
#
!" ! # " 的组成和检测原理
! ! 完整的 1 # 2 由 ( 个部分构成， 即交 流 信 号 激 励 源 （ 简称激励源） 、 检测池和信号处理电路。 ! # !" 检测池结构和检测原理 ! ! 1# 2 的 检 测 池 是 由 两 个 管 状 的 检 测 电 极 套 在 毛细管的一端 （ 如图 & 所 示 ） 构 成 的， 两个电极相隔 一定距离， 一般 为 & ) $ 33 ， 其中一个电极同激励 源连接 （ 为激励电极） ， 另一个电极连接到信号电路 相应处 （ 为接收电极） 。信号通过管壁和管内溶液 耦合， 在接收电极 上 产 生 与 管 内 溶 液 电 导 有 关 的 信 号。为了消除两 个 电 极 通 过 空 气 直 接 耦 合 的 电 容， 可以在两个检测电 极 之 间 加 一 个 接 地 屏 蔽 电 极， 如 图 & ": 所示。 $ ! ! 基于图 ! ": 的等效电路图， 有如下关系： # $ & ! <& % #"# ’ " ’ & ! <!