CN102411025B - 用于检测水中重金属离子的平板移界显色电泳方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于检测水中重金属离子的平板移界显色电泳方法及装置。把平板电泳、超分子衍生物质选择显色、显色移界电泳方法结合使用，利用超分子物质的可修饰、空间结构尺寸可控性，使经过修饰、调控过的超分子物质选择性结合被测金属离子后，与金属离子形成相对更大质量的带电分子团的方法，再在微型平板电泳平台上进行移界显色，检测反应的显色区集中移动到平板电泳槽内某一区域，来进行重金属离子的快速分辨检测。在绝缘或化学惰性材料加工的卡片上，设置一个水平上开口的立体方槽，底部及四周无渗漏，该槽长为10～1000mm、宽为1～5mm、高为0.1～3mm；两端各设一个惰性电极。本发明克服了自由电泳的散热对流问题，使自由移界电泳简单、快速的优点尽现发挥，能够检测出水样中重金属离子镉、汞、铅、铬的浓度，达到了发明预期设计的目的，具有实际应用价值。

Description

用于检测水中重金属离子的平板移界显色电泳方法及装置

技术领域

本发明属于分析化学领域，特别是涉及用于检测水中重金属离子的平板移界显色电泳方法及装置。

背景技术

我国是发展中国家，有着分布广泛、数量庞大的资源消耗型制造企业。铅、镉、汞、铬等重金属广泛应用于工业生产流程中,如电池和电子元器件、印染和冶炼工业等，给环境带来严重的重金属污染。近年我国铅、镉、汞等重金属污染事件发生率急剧上升，造成的危害触目惊心，已经引起政府部门高度重视，多个省份已经执行重金属污染问责制，追究造成污染人的法律责任。重金属污染成为环境卫生领域的重大问题，新近公布的“十二五”规划中，也将其列为环境污染治理的重点项目之一。

重金属一般指密度大于4.5g/cm3的金属，约有45种，如铜、铅、锌、铁、钴、镍、锰、镉、汞、铬、钨、钼、金、银等。尽管铁、锰、铜、锌等是生命活动所需要的微量元素，但大部分重金属如铅、汞、镉、铬等并非生命活动所必需，而且所有重金属超过一定浓度对人体都有毒害。在环境污染方面具有代表性的的重金属通常是指铅、汞、镉、铬以及类金属砷等生物毒性显著的重金属元素。由于重金属不能被生物降解，因此直接排放如河流、湖泊、海洋或土壤中都将造成环境污染。环境中的重金属通过食物链的富集和生物放大作用，最终进入人体，并形成长期毒害。

迄今为止，已经建立多种重金属离子检测方法，如原子吸收光谱、原子发射光谱、生化传感器等。然而这些方法都有其弊端，如样品需要预处理、使用条件复杂、无法实现现场检测、检测速度慢、检测价格昂贵等。我国重金属检测的现行标准方法有：原子吸收分光光度法、原子荧光（AFS）、双硫腙萃取分光光度法、催化示波极谱法。前两种方法准确度和灵敏度都比较高，但是需要大型、昂贵的仪器设备并在实验室内进行，耗费时间长，无法实现现场快速检测。双硫腙萃取分光光度法操作繁琐，且使用的有机萃取试剂具有致癌作用，在实际工作中很少运用。催化示波极谱法需要配备专用的仪器和电极系统。

其它一些尚处于研究状态的的实验室方法，如电感藕合等离子体质谱(ICP—MS)分析技术、电感藕合等离体原子发射光谱(ICP—AES)、高效液相色谱法、免疫分析法、生物传感器法、酶抑制法等，或是需要大型、昂贵的仪器设备在实验室进行检测，或是难以制备金属离子的单克隆抗体，均不能实现重金属离子的现场、快速、定量检测。

因此，如果能够建立一种针对水中重金属离子的快速、准确、低成本的定量检测方法，在污染的早期提出环境危害预警，将为水质卫生监督监测提供可靠的指标依据，对保护生态环境和人类健康具有非常重要的意义。

本发明成功地提供了一种全新的水中重金属离子快速检测方法及检测装置，即平板移界显色电泳法。采用本发明中的检测装置，能够实现在短时间内（一般不超过10min）对水中重金属离子做出现场、快速、定量检测。

发明内容

利用超分子显色剂对重金属离子进行特异性选择、显色后，在平板直流电泳中，该显色的络合物质会定向移动，并聚集到电泳槽内某一区域，发生肉眼可见，直观的变化。显色区域的面积特征与被测重金属离子浓度存在相关性。这是一种全新的重金属离子检测方法,即平板移界显色电泳，其英文名称为Plate Moving Coloring Electrophoresis，简写为PMCEP。

本发明的技术方案如下：

平板移界显色电泳用于水中金属离子的检测方法，把平板电泳、超分子衍生物质选择显色、显色移界电泳方法结合使用，利用超分子物质的可修饰、空间结构尺寸可控性，形成金属离子与超分子大质量的带电分子团的方法，选择性结合被测金属离子后的，利用电泳移界进行显色区域集中移动显示来分辨检测。

操作步骤如下：

1）根据要检测的金属离子的实际方法需要，将修饰过的对该金属离子具有高选择性的超分子显色试剂或调节电性、pH值的缓冲液，加入平板移界显色电泳槽内，水平放置；

2）依次将数十微升被测水样和显色试剂加入平板电泳槽内，使槽内试剂混合均匀，均匀展开；3）将电源正、负极分别对应电泳槽内正、负极，接通两电极，调节至检测电压，电流控制在10mA以内，接通电源；

4）当槽内显色区域长边方向在60s内变化＜0.5mm时，视为反应终止；用直尺测量槽内显色区域的长度，计算显色区域面积；

5）将上一步测算结果代入相关性工作曲线公式，计算出样品中金属离子的浓度。

所述的可修饰性超分子为金属螯合物、络合物、卟啉、冠醚、环糊精、杯芳烃或杯冠与被测金属离子结合成带电性的、且使分子量提高1倍以上的络合物。

本发明的平板移界显色电泳用于水中金属离子检测装置，在绝缘或化学惰性材料加工的卡片上，设置一个水平上开口的立体方槽，底部及四周无渗漏，该槽长为10～1000mm、宽为1～5mm、高为0.1～3mm；两端各设一个惰性电极，一正一负。

所述的绝缘或化学惰性材料为介电常数＞2kV/mm不导电的材料。优选的绝缘或化学惰性材料为聚乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯、玻璃或石英。

发明的原理及理论依据

超分子物质是指由两种或两种以上分子依靠分子间相互作用结合在一起，组成复杂的、有组织的聚集体，并保持一定的完整性使其具有明确的微观结构和宏观特性，超分子内的分子间作用力属于非共价键，通常是静电作用、氢键和范德华力等。超分子普遍存在，如酶及其底物、激素及其受体和冠醚与某些金属的包合物都是超分子。目前化学界研究的超分子物质主要有：金属离子络合物、卟啉、环糊精、冠醚、杯芳烃及其衍生物，该类物质具有的高度可修饰性和结构尺寸可控性，使其对金属离子的选择性远高于其它物质，所以，近年来超分子对金属离子选择分离研究受到了化学界的高度重视。经发明者验证，修饰、调整过的超分子物质及其衍生物质，不仅可以特异性结合目标金属离子，使其从样品中分离出来，且可枝接固定上可在一定电性或pH条件下显色的基团。在电泳检测时，修饰、调整过的超分子体系与目标金属离子特异性结合后，形成分子质量更大的分子络合物，这些分子络合物在电场的作用下，会产生泳动效应，聚集到电泳槽内某一个区域并显色，该区域的面积特征与被测水样中金属离子浓度存在数学比例关系，藉此数学关系，即可计算出目标金属离子的浓度，最低检出限可达0.05mg/L。

本发明的创新性工作介绍

自1937年电泳技术问世以来，多用于对核酸、蛋白质等生物有机大分子的分析和比对检验，但其无法实时显色，且操作过程复杂，需要经过长时间繁琐的染色、脱色等步骤，在专业的紫外灯照射下，才能得到最终分析结果。电泳技术尚未应用于金属离子的检测，原因在于：（1）缺乏对重金属离子稳定、特异、便于显色检测的络合物体系。（2）金属离子电荷与质量比非常大，根据电泳速度V=E×Q/m，在数秒内或几乎瞬间，金属离子就会跑完两极之间的距离，无法实际应用。（3）金属离子活跃，在低电压电场强度下就有明显的电化学反应（电解）。（4）目前的大多数金属离子络合物如冠醚、卟啉、糊精等都呈电中性，不能利用电泳技术检测。

本发明中的平板移界显色电泳检测方法，针对以上四个问题，进行了创新性地巧妙解决：（1）引入修饰过的对金属离子具有良好选择性的超分子显色体系，主要是金属络合物、卟啉、冠醚和杯芳烃。我们的前期试验及其他实验室的研究结果也证明了超分子体系对镉、铅、汞、铬的选择效果极佳。（2）本发明设计的载体液无电性，加入的样品和缓冲液虽是强电解质，但浓度却极稀薄，且增敏（溶）剂加强了不带电性，由此降低了显色离子络合物的电泳速度，基本都在10min内跑完平板全程，完全满足检测控制要求。同时由于被检金属离子结合了数个超分子，从而使金属离子成为粒子团的一部分，其质量较金属离子本身已大大增加，达到一千甚至数千道尔顿以上，并且整个粒子团也因此带有电性，符合电泳技术要求。（3）本发明的平板电泳装置，电极采用铂金惰性电极，电源电流控制在10mA以内，两极和电泳液内的电化学反应及其轻微，对电泳显色的影响可以忽略不计。更为重要的是，参与电化学反应的一些电解质离子，并不能被超分子选择，即使发生了电解或氧化还原反应，也不显色。（4）由于大多数未经修饰的的超分子络合物是电中性的，如果分子团没有电性，即使解决上述三个问题，仍然不能运用电泳检测。本发明分别采用两种方法使离子络合物带上电性：①在超分子修饰时，加上使络合物带有一定（正或负）电性的修饰基；②在检测时加上缓冲液，从而使超分子显色基团在所有反应液包括被检测样品混合反应后，具有一定的电性。

本发明首次将超分子特异性选择体系、平板电泳、宏观显色、移界电泳方法巧妙结合，利用超分子物质（冠醚、杯芳烃等）的可修饰性及对金属离子的高选择性，使其与金属形成大质量的带电粒子团，改变了以往金属离子由于质量太小、相对本身电荷量大、电泳无法分辨检测的状况，并首次在现有理论的基础上设计了微型PMCEP装置。

本发明的特点：（1）改变了以往平板电泳不能检测水中金属离子的现状。（2）将自由移界电泳创造性地以平板薄槽电泳形式进行运用。（3）运用特异性很强的金属络合物、冠醚、杯芳烃等超分子物质，使结合重金属离子的显色基团分子总量大大提高，从而使金属离子能够通过电泳技术来检测。

检验装置说明

本发明中的金属离子检测装置并不复杂，操作使用十分简便：一副带惰性电极的微型平板电泳器（卡片）、一个功率为数瓦的调压直流电源、一把测量精度为0.1mm的尺规工具。

微型平板电泳器（卡片）：电泳器做在绝缘卡片式材料上，片基材料可以是PVC（聚乙烯）、PC（聚碳酸酯）、PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）、PDMS（聚二甲基硅氧烷）、PP（聚丙烯）、玻璃、石英等，也可以是其它介电常数＞2kV/mm不导电的化学惰性材料。为了在电泳时散热良好，不致于在电泳槽内引起热扰流，材料的热导率在0.15W/mK以上为好。

平板电泳槽是嵌卧在此绝缘卡式材料上的长方体槽，内部要平整、光洁，槽长为10～1000mm，宽为1～5mm，深度为0.1～3mm，两端有两个片状立式惰性电极，一正一负，如附件图1-4中所示。反应时，槽内液体与电极接触导电良好，整个长方体槽内无任何渗漏。

调压直流电源：一般可调压直流电源即可满足使用要求，功率≤15W，电压≤100V，可连续调节。由于电压、电流也是检测需要控制的条件，所以电源需要配置电压、电流指示器。为安全使用，还需要设置短路保险、接地等装置。

发明的技术方案和检验方法说明

选择分别对镉、汞、铅、铬离子选择性良好的超分子物质，对其进行-R侧基改性修饰，使其携带在特定pH条件下才显色的基团，建立超分子显色体系，这样既达到了对这四种金属离子的特异性选择，同时又实现了检测时有直观的、肉眼可见的显色反应。将被测水样和超分子显色剂分别加入平板电泳槽内，水样中的金属离子与显色剂结合，在直流电场的作用下，进行一定时间的泳动，一般不超过10min，使带电的显色物质聚集到电泳槽内的某一区域。根据显色区域面积，即可计算出被测水样中金属离子的浓度。

经过试验得出，被测水样中金属离子浓度与显色区域面积存在如下关系：Y=A+kS,其中Y表示水样中金属离子的浓度，单位为mg/L；A为公式常数项，由具体检测方法中工作曲线制定时而确定，其意义对应于回归曲线方程Y=a+bX的单纯常数项a；k为常数，面积系数，其意义对应于回归工作曲线方程的浓度自变量函数系数b；S为最终显色区域面积。当显色区域S为规则的矩形或正方形时，可用简易公式Y=A+kX计算显色区与被测离子量的关系，X表示显色区域长度；当显色区域为不规形状时，则Y=A+kS中的显色区域面积需要用到

公式计算，m、n为不规则显色区域的抛物线系数，在制定方法的标准工作曲线的试验时测量得来。

本发明所设计的微型平板移界电泳槽，在检测时槽内加液厚度薄（一般不超过1.0mm），同时具有一定长宽的散热面积，故电泳时依靠液面空气的自然流通即可达到散热效果，克服了自由电泳的散热对流问题，使自由移界电泳简单、快速的优点尽现发挥。经过实际试验验证，本方法能够检测出水样中重金属离子镉、汞、铅、铬的浓度，达到发明预期设计的目的，具有实际应用价值。

附图说明

图1：本发明装置示意图。

图2：使用时向PVC卡上平板电泳槽内加注超分子显色试剂示意图。

图3：加入待检水样示意图。

图4：电泳后显色结果示意图。

注：图中“+、-”分别表示来自于普通直流电源的正、负电极；PVC卡片上正负两极接线柱之间，虚线区域表示使用中所加的样品或试液，相应的图4上的实黑区域，表示电泳后该区颜色发生变化。

具体实施方式

如图1所示，此装置为微型平板电泳槽，采用PVC绝缘卡片，卡片上设长宽高约为50.0mm×3.0mm×1.0mm的方槽，四周及底面平坦光滑、封闭无渗漏。槽内两端设正、负惰性电极，外接直流电源，平均电压2～20V/cm。

本检测方法的具体实施步骤如下：

第一步：根据要检测的金属离子的实际方法需要，将修饰过的对该金属离子具有高选择性的超分子显色试剂或调节电性、pH值的缓冲液，加入平板移界显色电泳槽内，水平放置，避免因装置倾斜导致正负极之间液面中断，如附图2所示；

第二步：依次将数十微升被测水样和显色试剂加入平板电泳槽内，使槽内试剂混合均匀，使其均匀展开，如附图3所示；

第三步：将电源正、负极分别对应电泳槽内正、负极，接通两电极，调节至检测电压，电流控制在10mA以内，接通电源的同时开始电泳计时；

第四步：当槽内显色区域长边方向在60s内变化＜0.5mm时，视为反应终止。用直尺测量槽内显色区域的长度，计算显色区域面积；

第五步：将上一步测算结果代入相关性工作曲线公式，计算出样品中金属离子的浓度。

采用本发明中的超分子选择平板移界显色电泳方法，已成功实施对水中镉、铅、汞、铬离子的快速、定量检测。

实施例1采用镉离子与镉试剂形成1﹕4的配位络合物，成功实现对水样中镉离子的快速、定量检测：

检测时，加入镉试剂（Cadion,CAS号：5392-67-6）溶液20μl、1M的氨水缓冲液（调节pH值至11）和被测水样10μl，混合均匀后，溶液显深紫色，镉离子络合物带负电性，接通75V、8mA的直流电源后，经过2～10min的电泳，出现直观的棕褐色显色区移动，最终聚集到正电极区附近。通过测量显色区域的长度，可以计算出水样中镉的检测结果。

实验结果显示：在平板电泳槽宽度固定为2mm的情况下，水样中镉离子浓度与电泳移界后显色区长度基本满足关系式：Y=0.15+0.1X，相关系数r为0.8977。式中：Y为被测水样中镉离子浓度，单位为mg/L，X为显色区长度，单位为mm。20μl取样，检测范围为0.010～5.0mg/L。方法的准确度和精密度：样品镉离子浓度为0.1mg/L时，测量的相对误差为6%，RSD(相对标准误差)为2%。

实施例2利用冠醚超分子对金属离子的特异性选择，经过修饰携带显色基团后，成功实现对水中铅离子的快速、定量检测：

以苯并-18-冠醚-6修饰枝接上甲基百里香酚蓝(MTB)显色基，以乙醇做增溶剂，在pH=6的六次甲基四胺-盐酸缓冲介质中，与铅发生显色反应，生成蓝色铅离子络合物，络合物带正电性，平板电泳后移界显色区在负电极区附近。

检测时，依次加入修饰后的苯并-18-冠醚-6液15μl、95%乙醇溶液10μl、被测水样10μl，混合均匀后，溶液显暗蓝色，接通25V、4mA的直流电源后，经过2～8min的电泳，铅离子络合物在电泳驱动下，聚集显色并移动到负电极区附近，出现直观的浅蓝显色区。通过测量显色区的长度，可以计算出水样中铅的检测结果。

实验结果显示，在平板电泳槽宽度固定为2mm的情况下，水样中铅离子浓度与电泳移界后显色区长度基本满足关系式：Y=0.09+0.47X，相关系数r为0.8892。式中：Y为被测水样中铅离子的浓度，单位为mg/L，X为电泳显色区长度，单位为mm。20μl取样，检测范围为0.10～10.0mg/L。方法的准确度和精密度：样品铅离子含量为0.2mg/L时，测量的相对误差为5%，RSD(相对标准误差)为3%。

实施例3利用修饰后的杯芳烃分子,成功实现对水中汞离子的快速、定量检测:

作为第三代主体超分子化合物，杯芳烃具有独特的空穴结构，通过控制不同反应条件及引入适当的取代基，可固定所有需要的构象。在杯芳烃的衍生化修饰反应中，不仅下缘的酚羟基和上缘的苯环对位，而且连接苯环单元的亚甲基都能进行各种选择性功能化修饰，这既可以改善杯芳烃本身水溶性差的不足，又可以大大增强其络合金属离子和中性分子的能力。将杯芳烃与2，4-二硝基苯胺显色基团相连接，在pH=6.5时与汞离子形成红色络合物。络合物略显正电性，平板电泳后移界显色区在负电极区附近。本方法中，10倍以上含量的镉有颜色干扰。

检测时，依次加入连接修饰过的2，4-二硝基苯胺-杯[4]芳烃液20μl、0.005M稀硫酸溶液10μl、被测水样10μl，混合均匀后，溶液显暗黄色，接通25V、4mA的直流电源后，经过2～8min的电泳，汞离子络合物在电泳作用驱动下，聚集显色并移动到负电极区附近，出现直观的红色显色区。通过测量显色区的长度，可以计算出水样中汞的检测结果。

实验结果显示：在平板电泳槽宽度固定为2mm的情况下，水样中汞离子浓度与电泳移界后显色区长度基本满足关系式：Y=0.09+0.47X，相关系数r为0.9011。式中：Y为检测水样中汞离子的浓度，单位为mg/L，X为电泳显色区长度，单位为mm。20μl取样，检测范围为0.10～5.0mg/L。方法的准确度和精密度：样品汞离子为0.5mg/L时，测量的相对误差为7%，RSD(相对标准误差)为4%。

实施例4利用二苯碳酰二肼与六价铬离子在酸性介质中形成3﹕2红色络合物，成功实现对水样中六价铬离子的快速、定量检测：

由于二苯碳酰二肼难溶于水，用乙醇二苯碳酰二肼做增溶剂，硫酸水溶液作为电泳缓冲液。检测时，依次加入乙醇二苯碳酰二肼溶液20μl、0.2M硫酸缓冲液10μl、被测水样10μl，混合均匀后，溶液显红色。离子络合物带负电电性，接通25V、8mA的直流电源后，经过2～10min的电泳，铬离子络合物在电泳的驱动下，聚集显色区并移动到正电极区附近，出现直观的暗红色显色区,显色区域为一端抛物线不规则形状，如附件图4所示。通过试验，发现显色区的面积与被测水样六价铬离子含量成正相关比例关系，由此关系，可以计算出水样中铬的检测结果。

实验结果显示，在平板电泳槽宽度固定为2mm的情况下，水样中六价铬离子浓度与电泳移界后显色区长度基本满足关系式：Y=0.05+0.21S,其中

m等于常数0.47、n等于常数0.5，相关系数r为0.9372。式中：Y为检测水样中六价铬离子的浓度，单位为mg/L，X为电泳显色区长度，单位为mm。20μl取样，检测范围为0.07～2.0mg/L。方法的准确度和精密度：样品中铬离子浓度为0.25mg/L时，测量的相对误差为4%，RSD(相对标准误差)为2%。

本发明的试验中分别实现了对水中镉、铅、汞、铬的快速定量检测，每一项单一样品的检测可以在10min内完成，并获得准确结果。操作简便，即使没有化学专业知识的人，按照简易的操作说明，也能在数分钟内完成检测任务。该方法具有简单、快速、定量、经济的优点，具有现场实用性，能够满足实验室和现场检测分析的要求。

以上所述实例仅是为充分说明本发明而所举的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权力要求书为准。

Claims (1)

1.以平板移界显色电泳检测水中金属离子浓度的检测方法，其特征是：

1）将修饰过的对金属离子具有高选择性的超分子显色试剂，调节电性、pH值的缓冲液，被测水样，加入平板移界显色电泳槽内，水平放置，使平板移界显色电泳槽内试剂混合均匀，均匀展开；所述金属离子为镉离子、汞离子或铅离子；

2）将电源正、负极分别对应平板移界显色电泳槽内正、负极，接通两电极，调节至检测电压，电流控制在10mA以内，接通电源；

3）当平板移界显色电泳槽内显色区域长边方向在60s内变化＜0.5mm时，视为反应终止；用直尺测量平板移界显色电泳槽内显色区域的长度，计算显色区域面积；

4）将上一步测算结果代入相关性工作曲线公式，计算出被测水样中金属离子的浓度；所述相关性工作曲线公式为Y=A+kS,其中Y表示被测水样中金属离子的浓度，单位为mg/L；A为公式常数项；S为最终显色区域面积；k为常数，面积系数；

在步骤1）中，

当对镉离子检测时：加入镉试剂Cadion溶液20μl、加入1M的氨水缓冲液调节pH值至11，加入被测水样10μl，所述镉试剂Cadion的CAS号为5392-67-6；

当对汞离子检测时：加入连接修饰过的2,4-二硝基苯胺-杯[4]芳烃液20μl、0.005M稀硫酸溶液10μl、被测水样10μl；所述连接修饰过的2,4-二硝基苯胺-杯[4]芳烃液由杯[4]芳烃与2,4-二硝基苯胺相连接而得；

当对铅离子检测时：以苯并-18-冠醚-6液修饰枝接上甲基百里香酚蓝作为超分子显色试剂，以乙醇作为增溶剂，以pH=6的六次甲基四胺-盐酸缓冲介质作为缓冲液。

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