高效毛細(xì)管電泳一一非接觸式電導(dǎo)檢測(cè)法測(cè)礦泉水中四種陽(yáng)離子含量化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院分析科學(xué)研究所中山大學(xué)，廣東510275摘要權(quán)實(shí)驗(yàn)利用高效毛細(xì)管電泳的儀器，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)加入法，結(jié)合非接觸式電導(dǎo)檢測(cè)的方法對(duì)中山大學(xué)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(jìn)行定性定量分析。條件：8mmol?L』Tris+6mmol/L酒石酸為電泳運(yùn)行液；分離電壓+14kV。結(jié)果測(cè)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L(zhǎng)52mg/L。關(guān)鍵詞高效毛細(xì)管電泳法非接觸式電導(dǎo)檢測(cè)法標(biāo)準(zhǔn)加入法礦泉水陽(yáng)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(yáng)離子含量的測(cè)定方法，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中⑴對(duì)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(cè)定，效率較低且基底影響較大?，F(xiàn)今也有使用ICP作為光源⑵對(duì)金屬元素進(jìn)行測(cè)定的應(yīng)用，但儀器價(jià)格較為昂貴,普及度較低。高效毛細(xì)管電泳(HighPerformanceCapillaryEletrophoresis,HPCE)利用了電泳和電滲的原理，通過(guò)在充滿緩沖液的毛細(xì)管兩邊加上高電壓后進(jìn)行電泳，由于樣品各組分在毛細(xì)管內(nèi)的遷移速度不同，使得經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后,各組分會(huì)按照其速度大小順序依次經(jīng)過(guò)檢測(cè)器而被檢出，從而進(jìn)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(yīng)用范圍廣和樣品用量少等優(yōu)點(diǎn)，巳經(jīng)成為現(xiàn)今重要的分離分析手段⑶。對(duì)應(yīng)的檢測(cè)手段中，紫外/可見(jiàn)檢測(cè)器⑷的應(yīng)用較廣泛，但由于檢測(cè)光程受到毛細(xì)管內(nèi)徑的限制導(dǎo)致靈敏度低。而電導(dǎo)法不僅靈敏度高，而且操作簡(jiǎn)單，其根據(jù)電極與待測(cè)溶液是否接觸分為接觸式和非接觸式電導(dǎo)檢測(cè)。而接觸式電導(dǎo)檢測(cè)一般是將微電極內(nèi)置于毛細(xì)管中，工藝較為復(fù)雜，不易維修和清洗，且容易導(dǎo)致污染閔。近些年發(fā)展起來(lái)的一種非接觸式電導(dǎo)檢測(cè)法(ContactlessConductivityDetection,CCD),全稱為電容耦合非接觸性電導(dǎo)檢i則法(Capacitively-CoupledContactlessConductivityDetection,C4D)則較好地克服了以上缺點(diǎn)國(guó)。綜上所述，本實(shí)驗(yàn)中將采用高效毛細(xì)管電泳-非接觸式電導(dǎo)檢測(cè)法進(jìn)行陽(yáng)離子分析，并用標(biāo)準(zhǔn)加入法進(jìn)行定性定量輔助分析。1實(shí)驗(yàn)部分1.1儀器和試劑儀器：CES2008毛細(xì)管電泳儀(中山大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院研制)：非接觸式電導(dǎo)檢測(cè)池：熔融石英毛細(xì)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(yùn)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(biāo)準(zhǔn)溶液。（4）樣品:市售瓶裝飲用水（本實(shí)驗(yàn)采用“中大逸仙泉礦泉水。進(jìn)樣前稀釋30倍。1.2實(shí)驗(yàn)過(guò)程12.1實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備（1） 開(kāi)啟：將電導(dǎo)檢測(cè)池的工作電極、輔助電極和高壓地電極與電泳平臺(tái)上的接線端正確聯(lián)接。依次打開(kāi)計(jì)算機(jī)，檢測(cè)器（檢測(cè)方式設(shè)為非接觸式電導(dǎo)檢測(cè)）和高壓電源（"進(jìn)樣/分離〃按鈕處于“進(jìn)樣"位置，電壓極性設(shè)定為正高壓）的電源開(kāi)關(guān)。檢測(cè)器預(yù)熱30min°雙擊Windows桌而上的“CES2008”圖標(biāo)，待出現(xiàn)“毛細(xì)管電泳數(shù)據(jù)工作站CES2008”界而后，準(zhǔn)備進(jìn)行樣品測(cè)試工作。（2） “沖管”：在進(jìn)樣端毛細(xì)管柱用注射器注入l?2mL電泳運(yùn)行液，將高壓電源的"分離/進(jìn)樣"按鈕按向“分離"位置。設(shè)定“分離電壓”值為+14kV（己是默認(rèn)設(shè)定）。2min后停止，將毛細(xì)管柱放回裝有運(yùn)行液的儲(chǔ)液瓶，并點(diǎn)擊"毛細(xì)管電泳數(shù)據(jù)工作站"工具欄中的“背景"圖標(biāo)，背景測(cè)試完畢后彈出一個(gè)結(jié)果框顯示當(dāng)前的背景值，按“確認(rèn)"鍵后該值自動(dòng)作為“參數(shù)設(shè)置”中的“補(bǔ)償"值，進(jìn)行背景扣除。（3） “走基線”：點(diǎn)擊工具欄中的"啟動(dòng)〃圖標(biāo)，這時(shí)記錄開(kāi)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(jìn)樣"按鈕按向“進(jìn)樣"位置，準(zhǔn)備進(jìn)樣測(cè)量。1.2.2測(cè)量（1） 樣品：吸取3.00mL礦泉水樣品于一個(gè)干凈的進(jìn)樣瓶中。（2） 進(jìn)樣：取下儲(chǔ)液瓶，換上盛進(jìn)樣瓶，采用電動(dòng)進(jìn)樣方式，按照設(shè)定的進(jìn)樣參數(shù)（進(jìn)樣電壓+9.0kV,時(shí)間為5s）進(jìn)樣。進(jìn)樣結(jié)束后，取下進(jìn)樣瓶，換回儲(chǔ)液瓶。（3） 分離：將高壓電源的“分離/進(jìn)樣”按鈕按向“分離”位置。點(diǎn)擊工具欄中的“啟動(dòng)”圖標(biāo)，開(kāi)始記錄電泳譜圖。待CNa\Ca,Mg?+的電泳峰和水峰出現(xiàn)后再運(yùn)行l(wèi)min,點(diǎn)擊工具欄中的“停止”圖標(biāo)。隨后將高壓電源的“分離/進(jìn)樣”按鈕按向“進(jìn)樣〃位置。點(diǎn)擊工具欄中的“峰高”圖標(biāo)，可自動(dòng)給出電泳峰的“遷移時(shí)間”和“峰高”等數(shù)據(jù)（也可手動(dòng)測(cè)量）。點(diǎn)擊“保存”圖標(biāo)對(duì)電泳圖譜進(jìn)行保存。記錄峰高和遷移時(shí)間。（4） 鑒定：用微量移液管逐次移取100jiLK\Na\Ca2\Mg?+單一標(biāo)準(zhǔn)溶液于重新裝入3.00mL的樣品的進(jìn)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(gè)電泳峰所對(duì)應(yīng)的離子組分，記錄結(jié)果。每一次加標(biāo)準(zhǔn)溶液都應(yīng)該進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備工作中的“沖管”和“走基線”的步驟。2結(jié)果與討論2.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)譜圖如下圖:圖2礦泉水+K?單標(biāo)圖4礦泉ZK+Mg2+單標(biāo)圖5礦泉*+Ca2+單標(biāo)根據(jù)加單標(biāo)后的峰形對(duì)比空白樣品可以判斷出陽(yáng)離子在此實(shí)驗(yàn)條件下的遷移時(shí)間長(zhǎng)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(yáng)離子含■分析結(jié)果待測(cè)陽(yáng)離子遷移時(shí)間/s礦泉水中峰高h(yuǎn)l加入單標(biāo)后峰高h(yuǎn)2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(yīng)該是在測(cè)量過(guò)程中受到了污染，故采用K?作為單標(biāo)加入樣品進(jìn)行檢測(cè)的圖2中的廿?離子峰高度柚(Ca2+)=33來(lái)計(jì)算以減少原數(shù)據(jù)帶來(lái)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(jì)算出樣品中各目標(biāo)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(biāo)注相符，其中K?濃度為5.30mg/L,比標(biāo)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(biāo)注相符e2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論陽(yáng)離子遷移時(shí)間分析：可以看出鉀離子和鈉離子的遷移時(shí)間較短，鎂離子和鈣離子的遷移時(shí)間較長(zhǎng)，與質(zhì)核比大小關(guān)系Mg2+>Ca2+>Na+>K+出入很大，這其中有很多影響因素，例如：二價(jià)堿土金屬水合能力更強(qiáng)，實(shí)際質(zhì)核比偏小，另外，電泳運(yùn)行液中的酒石酸對(duì)Ca離子有螯合作用，與Na離子結(jié)合能力也較強(qiáng)，對(duì)遷移時(shí)間也會(huì)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(huì)太大，對(duì)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(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中的誤差，這方而需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。鈉離子、鎂離子和鈣離子含量準(zhǔn)確落于所標(biāo)注的區(qū)間，說(shuō)明本次實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確度較高，礦泉水標(biāo)注與實(shí)際相符。水樣中Ca?,峰偏高：因?yàn)閷?shí)驗(yàn)一開(kāi)始測(cè)得的水樣圖峰高值均較小，故在最后測(cè)完鈣離子單標(biāo)的樣品后再測(cè)了一次樣品，故最大的可能就是毛細(xì)管端或者能與儲(chǔ)液瓶接觸的地方沾上了少許鈣離子的標(biāo)準(zhǔn)溶液，然后在測(cè)試水樣的時(shí)候又將其溶入，由此導(dǎo)致峰高異常；也有可能是儀器當(dāng)時(shí)受到了環(huán)境噪音的影響。發(fā)現(xiàn)此問(wèn)題后本小組原本應(yīng)該重測(cè)一次，但發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)間與試驗(yàn)時(shí)間相距較遠(yuǎn)，故采用其他譜圖中的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。綜上所述，利用高效毛細(xì)管電泳-非接觸式電導(dǎo)檢測(cè)法測(cè)定礦泉水中四種陽(yáng)離子含量簡(jiǎn)單快速，準(zhǔn)確度高。于是“中大逸仙泉”礦泉水四種陽(yáng)離子含量除鉀離子偏高外均符合標(biāo)注情況。3思考題接觸式電導(dǎo)與非接觸式電導(dǎo)的主要區(qū)別是什么？答：通常的電導(dǎo)率儀的電極會(huì)與溶液直接接觸來(lái)測(cè)溶液的電導(dǎo)率，而非接觸式電導(dǎo)檢測(cè)器原理是連接于毛細(xì)管或高效液相通道上，溶液在管道內(nèi)流動(dòng)經(jīng)過(guò)非接觸式電導(dǎo)耦合檢測(cè)器時(shí)其內(nèi)一對(duì)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(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)，信號(hào)收集器收集電信號(hào)傳導(dǎo)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(dǎo)的電極與待測(cè)溶液隔離，避免了因電極與溶液接觸而造成的諸多問(wèn)題，有效地消除了電極中毒的問(wèn)題，電極壽命長(zhǎng)，抗「?擾能力強(qiáng)，可檢測(cè)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(shí)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(dòng)力學(xué)半徑，為介質(zhì)的黏度，其他變量在同一電場(chǎng)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(yùn)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(qiáng)于堿金屬，因此水合堿上金屬Y較大，導(dǎo)致堿土金屬遷移速度偏慢，出峰慢：n的變化主要是來(lái)自運(yùn)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(duì)較強(qiáng)，導(dǎo)致黏度偏大，也導(dǎo)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(yáng)離子形態(tài)，保持離子電導(dǎo)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(yùn)行液中的形態(tài)。因?yàn)榻饘訇?yáng)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(kāi)，必須加入絡(luò)合劑，使金屬離子與絡(luò)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(dá)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(yīng)，在實(shí)驗(yàn)中起緩沖作用。由于大部分絡(luò)合劑都為弱酸根，對(duì)弱酸電離度的影響決定了對(duì)絡(luò)合劑有效濃度的影響，從而影響絡(luò)合平衡,導(dǎo)致分離度的變化。高效毛細(xì)管電泳中定量分析的方法有哪幾種？本實(shí)驗(yàn)為何要采用標(biāo)準(zhǔn)加入法定量？答：主要有標(biāo)準(zhǔn)曲線法、標(biāo)準(zhǔn)加入法和內(nèi)標(biāo)法。本實(shí)驗(yàn)采取標(biāo)準(zhǔn)加入法，可以從加入不同離子時(shí)電泳圖的變化來(lái)使峰和離子一一對(duì)應(yīng)，測(cè)得樣品的峰面積以及加入單一標(biāo)準(zhǔn)溶液后的峰而積，并通過(guò)峰而積與離子含量呈正比的關(guān)系求出位置樣品中陽(yáng)離子的濃度，進(jìn)而求得樣品中陽(yáng)離子的含量。優(yōu)點(diǎn)有：1、定量分析的同時(shí)可以進(jìn)行離子峰定性；2、相比標(biāo)準(zhǔn)曲線法簡(jiǎn)單快速；3、標(biāo)準(zhǔn)加入法操作簡(jiǎn)單，計(jì)算方便。電動(dòng)進(jìn)樣的優(yōu)缺點(diǎn)？本實(shí)驗(yàn)為何采用電動(dòng)進(jìn)樣？答：優(yōu)點(diǎn)：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(diǎn)是：靈活性不足，對(duì)儀器精確程度有較高要求。本實(shí)驗(yàn)采用電動(dòng)進(jìn)樣簡(jiǎn)單易行，操作快速。電遷移進(jìn)樣的優(yōu)點(diǎn)是不需附加裝置：當(dāng)毛細(xì)管中有凝膠或黏度大的介質(zhì)，無(wú)法采用其他進(jìn)樣方式(如加壓進(jìn)樣等)時(shí)，更顯示其突出作用。缺點(diǎn)：對(duì)樣品溶液中離子型組分有歧視效應(yīng)，因而進(jìn)樣準(zhǔn)確性差。由于當(dāng)樣品溶于比電泳運(yùn)行液低得多的溶液中，在電動(dòng)進(jìn)樣時(shí)，電場(chǎng)會(huì)基本加在樣品與管口之間，當(dāng)離子從高電場(chǎng)突然進(jìn)入低電場(chǎng)時(shí)，會(huì)因減速而堆集在電場(chǎng)交界處，導(dǎo)致區(qū)帶縮短、濃度提高，得到電堆積效果，進(jìn)而提高檢測(cè)靈敏度，故本實(shí)驗(yàn)采用電動(dòng)進(jìn)樣。參考文獻(xiàn)⑴中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.飲用天然礦泉水檢驗(yàn)方法［MJ.GB/T8538-2008:16-23.⑵孔艷.ICP-AES法測(cè)定油田水中鉀、鈉、鈣、鎂［J］