CN105181779B - 一种水中重金属离子在线监测装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种水中重金属离子在线监测装置与方法；包括离子印迹毛细管、缓冲液电泳毛细管与原水电泳毛细管组成的十字电泳、检测器等关键部件，利用离子印迹毛细管能够吸附重金属离子的特性，通过对比吸附前后两幅电泳图谱的差异，判断水中重金属离子及其含量；本发明不仅可以解决比色法因使用剧毒显色剂而威胁人体健康的问题，而且可以解决电化学法对水体二次污染降低检测准确程度的问题，同时还具有对于多种重金属并存或存在其它污染物的复杂水体具有良好的识别性；自动化程度高，操作简便，操作人员无需接受专业培训即可操作本装置；长期监测成本低；以及系统集成度高，系统体积与质量小，系统功耗和成本低的优势。
Description
技术领域
本发明属于环境保护领域，具体涉及一种水中重金属离子在线监测装置与方法。
背景技术
近年来，人类活动导致环境中重金属含量增加，超出环境承受的范围，引起环境的恶化，并对人类的健康构成了威胁。
现阶段，重金属离子主要通过比色法和电化学法进行检测。然而，比色法所使用的显色剂通常含有剧毒，操作具有一定的危险性，威胁操作人员的身体健康；而电化学法所使用的电极(譬如汞电极)容易产生二次污染，降低了检测的准确程度；此外，这两种方法还存在以下共有缺点：
第一、对于多种重金属并存或存在其它污染物的复杂水体，两种方法的识别性均不佳；
第二、这两种方法的操作程序复杂，自动化程度低，需要操作人员接受相应培训；
第三、这两种方法在检测过程中消耗的样品和试剂量都较大，长期监测成本高；
第四、现有监测类设备集成度差、体积大、功耗大，增加了使用成本；
以上问题制约了重金属的在线监测仪器的进一步发展。
发明内容
针对上述问题，本发明公开了一种水中重金属离子在线监测装置与方法，本发明不仅不使用毒性药品，而且不会对水体产生二次污染，同时还具有对多种重金属并存以及存在其它污染物的复杂水体具有良好的识别性等优点。
本发明的目的是这样实现的：
一种水中重金属离子在线监测装置，包括缓冲液通道和原水通道；
所述缓冲液通道由缓冲液驱动器从缓冲液储液池中抽取缓冲液，注射到缓冲液电泳毛细管中，在缓冲液电泳毛细管的末端，连接有缓冲液废液池；
所述原水通道由原水第一驱动器从原水储液池中抽取原水，注射到原水电泳毛细管中，由原水第二驱动器从原水储液池中抽取原水，再经过离子印迹毛细管，注射到原水电泳毛细管中，在原水电泳毛细管的末端，连接有原水废液池；
所述缓冲液电泳毛细管与原水电泳毛细管组成十字电泳，按照缓冲液流动方向，依次设置有缓冲液端高压电源和缓冲液废液端高压电源，按照原水流动方向，依次设置有原水端高压电源和原水废液端高压电源；在缓冲液电泳毛细管与原水电泳毛细管的交叉点和缓冲液废液端高压电源之间，设置有检测器。
上述水中重金属离子在线监测装置，
缓冲液驱动器、缓冲液储液池与缓冲液电泳毛细管通过三通换向阀连接，实现缓冲液驱动器从缓冲液储液池中抽取缓冲液，注射到缓冲液电泳毛细管中；
原水第一驱动器、原水储液池与原水电泳毛细管通过三通换向阀连接，实现原水第一驱动器从原水储液池中抽取原水，注射到原水电泳毛细管中；
原水第二驱动器、原水储液池与离子印迹毛细管通过三通换向阀连接，实现原水第二驱动器从原水储液池中抽取原水，再经过离子印迹毛细管，注射到原水电泳毛细管中。
上述水中重金属离子在线监测装置，缓冲液端高压电源与缓冲液电泳毛细管的连接，缓冲液废液端高压电源与缓冲液电泳毛细管的连接，原水端高压电源与原水电泳毛细管的连接，原水废液端高压电源与原水电泳毛细管的连接，均为以下方式：
高压电源通过导线连接设置在三通上的铂电极，所述三通另两个口连接缓冲液电泳毛细管或原水电泳毛细管。
上述水中重金属离子在线监测装置，所述缓冲液电泳毛细管和原水电泳毛细管通过十字通连接。
上述水中重金属离子在线监测装置，还包括洗脱清洗驱动器，洗脱液储液池和清洗液储液池；洗脱清洗驱动器从洗脱液储液池中抽取洗脱液，注射到离子印迹毛细管中，或从清洗液储液池中抽取清洗液，注射到离子印迹毛细管中。
一种在上述水中重金属离子在线监测方法，包括以下步骤：
步骤a、原水第一驱动器从原水储液池中抽取原水，注射到原水电泳毛细管中，在十字电泳的作用下，检测器得到第一张电泳图谱；
步骤b、原水第二驱动器从原水储液池中抽取原水，再经过离子印迹毛细管，注射到原水电泳毛细管中，在十字电泳的作用下，检测器得到第二张电泳图谱；
步骤c、根据步骤a得到的第一张电泳图谱与步骤b得到的第二张电泳图谱的差异，识别特定重金属离子，计算重金属含量。
上述水中重金属离子在线监测方法，还包括步骤d、在第一张电泳图谱中，根据特定重金属离子的电泳图谱峰计算重金属含量。
上述水中重金属离子在线监测方法，还包括以下步骤：
步骤e、洗脱清洗驱动器从洗脱液储液池中抽取洗脱液，注射到离子印迹毛细管中，洗脱离子印迹毛细管中吸附的重金属离子；
步骤f、洗脱清洗驱动器从清洗液储液池中抽取清洗液，注射到离子印迹毛细管中，清洗离子印迹毛细管中残留的洗脱液。
有益效果：
第一、由于本发明所涉及到的缓冲液、洗脱液、清洗液均不具有毒性，因此可以解决比色法因使用剧毒显色剂而威胁人体健康的问题；
第二、由于本发明所使用的各个原件在安装及使用过程中均不会对水体产生二次污染，因此提高了检测的准确程度；
第三、由于本发明能够选择使用吸附不同金属离子的离子印迹毛细管，因此对于多种重金属并存或存在其它污染物的复杂水体具有良好的识别性；
第四、由于本发明方法在六步之内即可完成，并且每步仅为简单操作，因此自动化程度高，操作简便，操作人员无需接受专业培训即可操作本装置；
第五、由于本发明方法在清洗或洗脱十分钟的情况下试剂消耗量为10μL，远远小于现有技术试剂单位时间消耗量，因此长期监测成本低；
第六、由于本发明水中重金属离子在线监测装置所采用的驱动器、三通换向阀、三通、离子印迹毛细管、十字通、铂电极、高压电源等均为微系统构件，因此可以大大提升系统集成度，减小系统的体积与质量，降低系统的功耗和成本。
附图说明
图1是本发明水中重金属离子在线监测装置具体实施例一、二、三和四的结构示意图。
图2是本发明水中重金属离子在线监测装置具体实施例五的结构示意图。
图中：11缓冲液驱动器、12原水第一驱动器、13原水第二驱动器、14洗脱清洗驱动器、2三通换向阀、31缓冲液储液池、32缓冲液废液池、33原水储液池、34原水废液池、35洗脱液储液池、36清洗液储液池、41缓冲液电泳毛细管、42原水电泳毛细管、5离子印迹毛细管、61缓冲液端高压电源、62缓冲液废液端高压电源、63原水端高压电源、64原水废液端高压电源、71导线、72铂电极、73三通、8十字通、9检测器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施例作进一步详细描述。
具体实施例一
本实施例为水中重金属离子在线监测装置实施例。
本实施例的水中重金属离子在线监测装置，结构示意图如图1所示。该水中重金属离子在线监测装置包括缓冲液通道和原水通道；
所述缓冲液通道由缓冲液驱动器11从缓冲液储液池31中抽取缓冲液，注射到缓冲液电泳毛细管41中，在缓冲液电泳毛细管41的末端，连接有缓冲液废液池32；
所述原水通道由原水第一驱动器12从原水储液池33中抽取原水，注射到原水电泳毛细管42中，由原水第二驱动器13从原水储液池33中抽取原水，再经过离子印迹毛细管5，注射到原水电泳毛细管42中，在原水电泳毛细管42的末端，连接有原水废液池34；
所述缓冲液电泳毛细管41与原水电泳毛细管42组成十字电泳，按照缓冲液流动方向，依次设置有缓冲液端高压电源61和缓冲液废液端高压电源62，按照原水流动方向，依次设置有原水端高压电源63和原水废液端高压电源64；在缓冲液电泳毛细管41与原水电泳毛细管42的交叉点和缓冲液废液端高压电源62之间，设置有检测器9。
具体实施例二
本实施例为水中重金属离子在线监测装置实施例。
本实施例的水中重金属离子在线监测装置，结构示意图同样适用于图1。在具体实施例一的基础上，进一步限定：
缓冲液驱动器11、缓冲液储液池31与缓冲液电泳毛细管41通过三通换向阀2连接，实现缓冲液驱动器11从缓冲液储液池31中抽取缓冲液，注射到缓冲液电泳毛细管41中；
原水第一驱动器12、原水储液池33与原水电泳毛细管42通过三通换向阀2连接，实现原水第一驱动器12从原水储液池33中抽取原水，注射到原水电泳毛细管42中；
原水第二驱动器13、原水储液池33与离子印迹毛细管5通过三通换向阀2连接，实现原水第二驱动器13从原水储液池33中抽取原水，再经过离子印迹毛细管5，注射到原水电泳毛细管42中。
具体实施例三
本实施例为水中重金属离子在线监测装置实施例。
本实施例的水中重金属离子在线监测装置，结构示意图同样适用于图1。在具体实施例一的基础上，进一步限定：
缓冲液端高压电源61与缓冲液电泳毛细管41的连接，缓冲液废液端高压电源62与缓冲液电泳毛细管41的连接，原水端高压电源63与原水电泳毛细管42的连接，原水废液端高压电源64与原水电泳毛细管42的连接，均为以下方式：
高压电源通过导线71连接设置在三通73上的铂电极72，所述三通73另两个口连接缓冲液电泳毛细管41或原水电泳毛细管42。
具体实施例四
本实施例为水中重金属离子在线监测装置实施例。
本实施例的水中重金属离子在线监测装置，结构示意图同样适用于图1。在具体实施例一的基础上，进一步限定：
所述缓冲液电泳毛细管41和原水电泳毛细管42通过十字通8连接。
具体实施例五
本实施例为水中重金属离子在线监测装置实施例。
本实施例的水中重金属离子在线监测装置，结构示意图如图2所示。该水中重金属离子在线监测装置，在图1的基础上，还包括洗脱清洗驱动器14，洗脱液储液池35和清洗液储液池36；洗脱清洗驱动器14从洗脱液储液池35中抽取洗脱液，注射到离子印迹毛细管5中，或从清洗液储液池36中抽取清洗液，注射到离子印迹毛细管5中。
这种结构设置，可以洗脱附着在离子印迹毛细管5中的重金属离子，并清洗掉洗脱液，不仅有利于实现对于多种重金属并存或存在其它污染物的复杂水体良好的识别性，而且能够避免上一次监测过程中重金属离子或其他污染物对本次监测的干扰，有利于提高检测的准确程度。
具体实施例六
本实施例为水中重金属离子在线监测方法实施例。
本实施例的水中重金属离子在线监测方法，包括以下步骤：
步骤a、原水第一驱动器12从原水储液池33中抽取原水，注射到原水电泳毛细管42中，在十字电泳的作用下，检测器9得到第一张电泳图谱；
步骤b、原水第二驱动器13从原水储液池33中抽取原水，再经过离子印迹毛细管5，注射到原水电泳毛细管42中，在十字电泳的作用下，检测器9得到第二张电泳图谱；
步骤c、根据步骤a得到的第一张电泳图谱与步骤b得到的第二张电泳图谱的差异，识别特定重金属离子，计算重金属含量。
具体实施例七
本实施例为水中重金属离子在线监测方法实施例。
本实施例的水中重金属离子在线监测方法，在具体实施例六的基础上，还包括步骤d、在第一张电泳图谱中，根据特定重金属离子的电泳图谱峰计算重金属含量。
具体实施例八
本实施例为水中重金属离子在线监测方法实施例。
本实施例的水中重金属离子在线监测方法，在具体实施例六或具体实施例七的基础上，还包括以下步骤：
步骤e、洗脱清洗驱动器14从洗脱液储液池35中抽取洗脱液，注射到离子印迹毛细管5中，洗脱离子印迹毛细管5中吸附的重金属离子；
步骤f、洗脱清洗驱动器14从清洗液储液池36中抽取清洗液，注射到离子印迹毛细管5中，清洗离子印迹毛细管5中残留的洗脱液。
步骤e和步骤f的设定，可以洗脱附着在离子印迹毛细管5中的重金属离子，并清洗掉洗脱液，不仅有利于实现对于多种重金属并存或存在其它污染物的复杂水体良好的识别性，而且能够避免上一次监测过程中重金属离子或其他污染物对本次监测的干扰，有利于提高检测的准确程度。
需要说明的是，本发明不局限于以上几个实施例和在对应实施例中的解释说明，这些实施例所记载的所有技术方案，只要不矛盾，就都能够进行排列组合，由于本领域技术人员能够从最基本的排列组合数学理论中穷尽所有可能的结果，因此在说明书中不再重复说明；排列组合后的技术方案，只要每个技术特征均记载于说明书中，就应认为在说明书中有记载。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化或方法改进，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种水中重金属离子在线监测装置，其特征在于，包括缓冲液通道和原水通道；
所述缓冲液通道由缓冲液驱动器(11)从缓冲液储液池(31)中抽取缓冲液，注射到缓冲液电泳毛细管(41)中，在缓冲液电泳毛细管(41)的末端，连接有缓冲液废液池(32)；
所述原水通道由原水第一驱动器(12)从原水储液池(33)中抽取原水，注射到原水电泳毛细管(42)中，由原水第二驱动器(13)从原水储液池(33)中抽取原水，再经过离子印迹毛细管(5)，注射到原水电泳毛细管(42)中，在原水电泳毛细管(42)的末端，连接有原水废液池(34)；
所述缓冲液电泳毛细管(41)与原水电泳毛细管(42)组成十字电泳，按照缓冲液流动方向，依次设置有缓冲液端高压电源(61)和缓冲液废液端高压电源(62)，按照原水流动方向，依次设置有原水端高压电源(63)和原水废液端高压电源(64)；在缓冲液电泳毛细管(41)与原水电泳毛细管(42)的交叉点和缓冲液废液端高压电源(62)之间，设置有检测器(9)。
2.根据权利要求1所述的水中重金属离子在线监测装置，其特征在于，
缓冲液驱动器(11)、缓冲液储液池(31)与缓冲液电泳毛细管(41)通过三通换向阀(2)连接，实现缓冲液驱动器(11)从缓冲液储液池(31)中抽取缓冲液，注射到缓冲液电泳毛细管(41)中；
原水第一驱动器(12)、原水储液池(33)与原水电泳毛细管(42)通过三通换向阀(2)连接，实现原水第一驱动器(12)从原水储液池(33)中抽取原水，注射到原水电泳毛细管(42)中；
原水第二驱动器(13)、原水储液池(33)与离子印迹毛细管(5)通过三通换向阀(2)连接，实现原水第二驱动器(13)从原水储液池(33)中抽取原水，再经过离子印迹毛细管(5)，注射到原水电泳毛细管(42)中。
3.根据权利要求1所述的水中重金属离子在线监测装置，其特征在于，缓冲液端高压电源(61)与缓冲液电泳毛细管(41)的连接，缓冲液废液端高压电源(62)与缓冲液电泳毛细管(41)的连接，原水端高压电源(63)与原水电泳毛细管(42)的连接，原水废液端高压电源(64)与原水电泳毛细管(42)的连接，均为以下方式：
高压电源通过导线(71)连接设置在三通(73)上的铂电极(72)，所述三通(73)另两个口连接缓冲液电泳毛细管(41)或原水电泳毛细管(42)。
4.根据权利要求1所述的水中重金属离子在线监测装置，其特征在于，所述缓冲液电泳毛细管(41)和原水电泳毛细管(42)通过十字通(8)连接。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的水中重金属离子在线监测装置，其特征在于，还包括洗脱清洗驱动器(14)，洗脱液储液池(35)和清洗液储液池(36)；洗脱清洗驱动器(14)从洗脱液储液池(35)中抽取洗脱液，注射到离子印迹毛细管(5)中，或从清洗液储液池(36)中抽取清洗液，注射到离子印迹毛细管(5)中。
6.一种使用权利要求1-5任一项所述的在线监测装置的水中重金属离子在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a、原水第一驱动器(12)从原水储液池(33)中抽取原水，注射到原水电泳毛细管(42)中，在十字电泳的作用下，检测器(9)得到第一张电泳图谱；
步骤b、原水第二驱动器(13)从原水储液池(33)中抽取原水，再经过离子印迹毛细管(5)，注射到原水电泳毛细管(42)中，在十字电泳的作用下，检测器(9)得到第二张电泳图谱；
步骤c、根据步骤a得到的第一张电泳图谱与步骤b得到的第二张电泳图谱的差异，识别特定重金属离子，计算重金属含量。
7.根据权利要求6所述的水中重金属离子在线监测方法，其特征在于，还包括步骤d、在第一张电泳图谱中，根据特定重金属离子的电泳图谱峰计算重金属含量。
8.根据权利要求6或7所述的水中重金属离子在线监测方法，其特征在于，还包括以下步骤：
步骤e、洗脱清洗驱动器(14)从洗脱液储液池(35)中抽取洗脱液，注射到离子印迹毛细管(5)中，洗脱离子印迹毛细管(5)中吸附的重金属离子；
步骤f、洗脱清洗驱动器(14)从清洗液储液池(36)中抽取清洗液，注射到离子印迹毛细管(5)中，清洗离子印迹毛细管(5)中残留的洗脱液。
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