大学化学, 2018, 33(3): 55-58 doi: 10.3866/PKU.DXHX201710007

化学实验

新型富集仪的研制及其实验教学应用

谢天尧,, 易佳, 张蔓书, 王筱, 罗学军

Development of New Enrichment Apparatus and Its Applications in Analytical Chemistry Laboratory Course

XIE Tianyao,, YI Jia, ZHANG Manshu, WANG Xiao, LUO Xuejun

通讯作者: 谢天尧, Email: cesxty@mail.sysu.edu.cn

收稿日期: 2017-10-13   接受日期: 2017-11-27  

基金资助: 中山大学实验教学研究(改革)项目

Received: 2017-10-13   Accepted: 2017-11-27  

Fund supported: 中山大学实验教学研究(改革)项目

摘要

报道了新型实验教学仪器——"毛细管电泳富集仪"的研制及实验教学开发应用。对该仪器的工作原理、仪器性能、工作参数以及实际富集效果和教学应用进行了详细的说明和讨论,对于影响样品富集效果的各个因素进行了探讨。实验结果表明,该仪器的实际富集因子可达560倍。采用研制的毛细管电泳富集仪对原有实验进行深度开发,深化和丰富了仪器分析实验的实验教学内容。

关键词: 创新教学仪器 ; 毛细管电泳富集仪 ; 实验教学改革 ; 仪器分析实验

Abstract

An innovative home-made teaching apparatus, named capillary electrophoresis enrichment apparatus was developed and used in the undergraduate analytical chemistry laboratory course. The main contents of this developed enrichment apparatus, including the principle, the performance parameters, the operating instructions, enrichment factor and applications in teaching process, were introduced and discussed in detail. Based on the particle samples, the enrichment efficiency and influencing factors were roundly tested. As a result, this laboratory-built enrichment apparatus can provide 560-fold enrichment factor, which will greatly improve the detection limits and expand the applications of capillary electrophoresis, as well as instrumental analytical methods in many fields. The original instrumental analytical chemistry experiment had been deeply modified using this apparatus in order to train the undergraduates with more complex assay. This newly developed enrichment apparatus is easy-to-use as well as cost-effective, and presents highly enhanced sensitivity.

Keywords: Innovative teaching apparatus ; Capillary electrophoresis enrichment apparatus ; Laboratory teaching reform ; Instrumental analysis laboratory

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谢天尧, 易佳, 张蔓书, 王筱, 罗学军. 新型富集仪的研制及其实验教学应用. 大学化学[J], 2018, 33(3): 55-58 doi:10.3866/PKU.DXHX201710007

XIE Tianyao, YI Jia, ZHANG Manshu, WANG Xiao, LUO Xuejun. Development of New Enrichment Apparatus and Its Applications in Analytical Chemistry Laboratory Course. University Chemistry[J], 2018, 33(3): 55-58 doi:10.3866/PKU.DXHX201710007

随着人类探索未知世界的渴望和要求的不断提高,分析化学所涉及到的样品越来越复杂,对分析方法灵敏度的要求越来越高。尤其是对于样品中痕量组分分析,要求有更高的灵敏度和更低的检出限。对样品中的痕量分析组分进行富集处理是解决这一问题的重要方法。因此,针对复杂样品中痕量组分的快速富集方法,一直是分析化学亟需解决的关键技术,也是分析化学中的热点研究课题。

目前,文献报道的富集方法和技术主要有以下几种:1)液液萃取(LLE)[1]。这是样品前处理方法中最经典、最常使用的一种萃取富集方式;2)固相微萃取(SPME)是在固相萃取技术的基础上发展起来的萃取分离富集技术[2, 3];3)超临界流体萃取(SFE)技术是利用超临界流体特性的一项新型技术[4, 5],近年来发展十分迅速。膜萃取(ME)是膜技术与萃取过程相结合的新型膜分离富集技术[6, 7],是利用膜在两相间的选择性屏障作用进行分离富集的方法。

毛细管电泳(CE),是以高压电场为驱动力,毛细管为分离通道,依据样品中各组分之间淌度(电迁移)行为上的差异而实现分离的一类液相分离技术,被认为是人类进入纳米时代的一种富有重要潜在价值的分离分析技术[8]。目前,除了毛细管电泳方法和检测器技术的研究还在不断深入之外,毛细管电泳富集技术也正在引起关注和研究,这些技术包括:场放大进样、样品堆积、瞬态等速电泳、pH调制堆积、扫集、动态pH连接和光聚合多孔材料自聚焦等[9-14]。以上这些毛细管电泳在线前富集的技术既可以单独使用又可以联用。在上述CE富集技术中,场放大进样富集(FASI)具有操作简单、富集效果好的优点,我们课题组对此也做了较系统的工作[15-17]。目前,国内尚无商品化的毛细管电泳富集仪销售。因此,毛细管电泳富集仪的研制尚属一个新颖的研究开发领域。

本文的主要研究内容是基于毛细管电泳场放大进样富集技术的工作原理,研制相应的富集仪器,对该仪器的性能和富集效果进行全面的探讨,应用于实际样品的分析,并与实验教学相结合,使最新的科研成果及时应用到实验教学过程之中。

1 毛细管电泳富集仪

1.1 工作原理

放大进样富集技术是基于这样的事实:在毛细管中充满高电导的背景缓冲液,溶解于低电导介质中(通常是超纯水)的样品进样时,进样口端的电场强度大大高于毛细管内的电场强度,样品在高场强度下快速迁移至毛细管中,进入毛细管后在低场强度下迁移速度减慢,则样品离子在两界面处堆积,从而在柱端实现了样品浓缩,富集因子可达到100倍以上,场放大进样的富集效率可由下式计算:

其中,E1μ1分别代表进样端口样品区带的电场强度和离子的有效淌度;E2μ2代表毛细管中背景缓冲溶液区域的相应参数。

富集仪富集过程的工作原理如图1所示。

图1

图1   毛细管电泳富集仪富集过程的工作原理示意图


1.2 仪器主要组成部分

毛细管电泳富集仪由高压电源、检控器、工作平台、样品收集器等部分组成。考虑到教学仪器的特点和要求,各功能部件采用模块式结构设计。这样,对于仪器结构,通过教师对基本原理的讲解,学生们就会有一目了然的直观效果,可以取得很好的教学效果。

1.2.1 高压电源

高压电源的主体是以电压精度高、温度系数低的高压电源模块为核心,辅以电动进样控制单元而设计出的毛细管电泳富集仪专用高压电源单元。高压输出可以从0至±30 kV连续可调,高压源的最大输出电流为300 μA (0.3 mA),对于人体来说属于安全范围,不会对人体造成伤害。在特殊情况下,高压电源压会自动停止工作,故障消除后自行恢复,具有自我保护和自动恢复的性能。该单元可对富集高压以及富集时间等参数进行设置。

1.2.2 样品进样装置

通过样品进样装置,待富集的痕量组分在高压驱动作用下进入毛细管中。实验结果表明,样品瓶的容量、电极的形状以及样品溶液是否搅拌均影响富集效果。因此,在进样装置的设计中,我们采用了一种较大容积的样品瓶,而不是通常的小容量的安培瓶。在电极的形状中,本文设计了一种环型的电极,相比于直式的电极,富集效果有明显的改善。搅拌溶液可以进一步提高富集效率,为此,我们设计了一个小型旋转磁力搅拌器,位于样品瓶的下方,使得样品溶液在富集的过程中处于搅拌状态,以提高富集效果。

1.2.3 样品收集装置

为了将已富集在毛细管中的样品收集到收集瓶中,我们设计了一种简易而有效的气压挤出装置:将一个5 mL的注射器的一端用硅胶密封,通过导引针将毛细管的一端引入注射器的空腔中,移除导引针后,利用硅胶的弹性可将毛细管密封挤紧;然后,推压注射器的手柄,这时注射器空腔内的空气被压缩,从而产生气压,可将毛细管中已富集的样品挤出到收集瓶中(如图1中第4步所示)。这个过程可以做数个或数十个循环(即:富集次数),以达到所要求的样品量。

2 仪器性能测试

以钾离子(K+)为分析测试对象,对仪器的性能和富集效果进行测试。实验体系为:25 mmol∙L-1 HAc为电泳运行液,富集电压+10 kV,富集时间30 s,富集次数5,原始K+浓度为5 × 10-7 mmol∙L-1图2给出了K+在富集前后的实验结果对比图。由图2可知,K+经过富集处理后,信号强度得到了显著提高。经计算,K+的富集倍数达到560倍。

图2

图2   富集处理前(A)和富集处理后(B)钾离子(K+)的信号灵敏度对比

实验条件:25 mmol∙L-1 HAc为电泳运行液,富集电压+10 kV,富集时间30 s,富集次数5


3 教学应用

在毛细管电泳富集仪研制初步完成的同时,我们课题组已着手“开放式研究型实验”的组织准备工作。在高年级本科生中选拔有科研兴趣和学习自觉性的学生,参与到后期的实验开发工作中来。在实际工作中,依据实验结果,不断完善仪器的设计和性能。在仪器性能达到稳定的基础上,分别对目前开设的2个仪器分析实验——“高毛细管电泳非接触式电导分离检测矿泉水中的阳离子”和“毛细管电泳非接触式电导分离检测手性药物对映体”进行实验内容的深度开发[18]。由于增加了样品富集的步骤,这2个实验已成功拓展应用到市售瓶装饮用纯净水和医用高纯水中痕量K+、Na+、Ca2+、Mg2+阳离子和环境水体中痕量抗生素药物残留的灵敏检测。这2个拓展实验将作为“开放式研究型实验”面向本科生开设,学生可以在实验中获得最新和最前沿的学科知识。

4 结语

毛细管电泳富集方法及其仪器的研制,尚属一个新颖的研究开发领域。本文报道的内容仅是一个阶段性的成果,进一步的功能拓展还在开发之中。作为一种新颖的富集技术,与其他富集方法相比,毛细管电泳富集技术具有富集效率高、成本低、操作简单、试剂消耗少等优势。毛细管电泳富集技术不仅在CE中有很好的应用,在其他的分析方法,如高效液相色谱(HPLC)、气相色谱(GC)中也将有很好的应用潜力。因此,可以预期毛细管电泳富集技术潜力巨大,应用前景广阔。

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