CN106645361B - 一种检测痕量Fe(II)的毛细管电泳方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种检测痕量Fe(II)的毛细管电泳方法，利用邻二氮菲与Fe(II)离子的高特异性络合作用，结合毛细管电泳强大的分离功能和在线富集技术，建立了一种快速、简便且高效的测定Fe(II)的毛细管电泳新方法，并成功应用于磷酸铁样品中(大量Fe(III)背景下)痕量Fe(II)含量的测定，毛细管区带电泳(CZE)和场放大进样(FESI)的检测限分别为0.4μM和2.5nM，这是目前技术水平所不能达到的，从而本发明能够在需要更高精度，特别是电池级原料不同痕量元素(包括不同价态的同种元素)的检测中应用，具有重要的工业应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测痕量Fe(II)的毛细管电泳方法，具体涉及一种在高浓度三价铁离子Fe(III)背景下测定痕量二价铁离子Fe(II)量的毛细管电泳新方法，属于分析测试技术领域。
背景技术
二次锂离子电池因比能量高、使用寿命长、工作电压高等一系列优点而得到广泛应用,是现代高性能电池的代表，尤其在当今世界石油资源日渐紧张，环境污染日趋严重情况下，动力锂离子二次电池越来越受关注。橄榄石型的磷酸铁锂(LiFePO4)由于具有价格便宜、环境友好、循环性及倍率性能高成为最有潜力的锂离子电池正极材料。
磷酸铁是制备锂离子电池材料磷酸铁锂的重要原料，其纯度对产品磷酸铁锂的结晶度和纯度有很大的影响，并最终影响到电池材料的电化学性能。特别是磷酸铁中痕量二价铁离子 Fe(II)，在后续磷酸铁锂制备过程中有可能成为磁性物，从而对该批次电池材料的使用留下安全隐患。
磷酸铁中痕量Fe(II)的监测分析因为高背景Fe(III)的存在一直是磷酸铁锂电池生产中的一个难题，也未有相应的标准方法。专利201310096378.1中，用席夫碱化合物2-吡啶甲醛- 对苯二腙作为三价铁Fe(III)的络合剂，且二价铁不会参与络合，专利利用此选择性络合从而可以选择性地以荧光光度计定量测试三价铁含量，但优选测定三价铁离子浓度在 5×10-7～5×10-5mol/L，该标准远低于实际商品化LiFePO4中三价铁离子的含量；专利201110168689.1中，利用三价铁可以与磺基水杨酸络合，使用分光光度计测试。但是该方法不适用于在大量二价铁环境中选择性测试三价铁；专利201210339919.4中，使用邻二氮菲作为络合剂进行磷酸铁锂中三价铁离子Fe(III)的测试，但该方法存在方法复杂，结果精确度不高的缺点。而其他常用方法如电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)对元素价态无法区分，化学滴定则不能实现微量检测。
因此，目前痕量Fe(II)的监测分析方法主要存在以下问题：一是目前二价铁离子Fe(II) 测试方法中，Fe(II)的检测限较高，其结果不够准确；二是在高三价铁离子Fe(III)的背景下，目前测试方法中多采用价态转移的方法，测试得到总铁含量。而没有其他技术手段将不同价态的区分开来，在实际应用中有较多限制。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种检测痕量Fe(II)的毛细管电泳方法，利用邻二氮菲与Fe(II)离子的高特异性络合作用，结合毛细管电泳强大的分离功能和在线富集技术，建立了一种快速、简便且高效的测定Fe(II)的毛细管电泳新方法，并成功应用于磷酸铁样品中(大量Fe(III)背景下)痕量Fe(II)含量的测定，毛细管区带电泳(CZE)和场放大进样(FESI) 的检测限分别为0.4μM和2.5nM，这是目前技术水平所不能达到的，从而本发明能够在需要更高精度，特别是电池级原料不同痕量元素(包括不同价态的同种元素)的检测中应用。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
一种检测痕量Fe(II)的毛细管电泳方法，包括如下步骤：
1)采用纯浓盐酸将磷酸铁样品溶解，至溶液变澄清后，再用纯净水稀释至所需浓度，制备得到待测液A(即待测样品稀释液)；
2)配制二价铁离子Fe(II)含量为0.0～2.0μg/mL的标准溶液；
3)利用毛细管区带电泳(CZE)方法或场放大进样(FESI)方法测试待测液A的吸光度；
4)利用以下公式计算磷酸铁样品中的二价铁离子Fe(II)含量：
其中，Fe(II)％表示待测液A中二价铁离子Fe(II)的百分含量；
A表示所述待测液A对应的吸光度；
A1表示二价铁离子Fe(II)含量为C1的标准溶液对应的吸光度，A2表示二价铁离子Fe (II)含量为C2的标准溶液对应的吸光度。
进一步地，步骤1)中所述纯浓盐酸的摩尔浓度为10-12mol/L。
进一步地，利用毛细管区带电泳方法测试待测液A的吸光度包括：将步骤1)制备的待测液A与添加剂CTAB和邻二氮菲加入到缓冲液中，测试待测液A的吸光度。
进一步地，所述添加剂CTAB在缓冲液中的终浓度为0.02～2mM，所述邻二氮菲在缓冲液中的终浓度为0.1～100mM。
进一步地，选择pH为5.0，摩尔浓度为100mM的醋酸钠溶液作为缓冲液。
进一步地，利用场放大进样方法测试待测液A的吸光度包括：在进样之前引入一段0.5 psi×5s的水柱以提高进样效率，测试待测液A的吸光度。
进一步地，场放大进样方法的进样条件为在2kV的条件下进样1.5min。
进一步地，场放大进样方法中，整个测试过程中毛细管恒温在25℃，检测波长设置为266 nm，所有的测定均重复至少三次。
由于采用本发明的技术方案，本发明较现有技术具有以下优点：
1、本发明所采用的邻二氮菲与Fe(III)和Fe(II)络合的稳定常数相差近7个数量级 (lgβ3(Fe3+)＝14.1，lgβ3(Fe2+)＝21.3)，十分有利于邻二氮菲在大量Fe(III)的背景中络合痕量 Fe(II)。
2、结合毛细管电泳的强大分离功能和在线样品富集技术，可在最大1000倍当量的Fe(III) 背景中测定出痕量Fe(II)，检测灵敏度可达2.5nM。
3、本发明测量磷酸铁中二价铁离子Fe(II)的含量稳定性好，精密度高，具有重要的工业应用价值。由于毛细管电泳具有高效、快速、灵敏及高度自动化等特点，且所需样品量和溶剂消耗少、对环境污染小，通过结合在线样品富集技术，被广泛用于低浓度离子的检测，例如生物细胞中微量金属离子的检测、空气中金属离子检测、矿物中金属的含量测定以及药品中有效成分的测定等。
附图说明
图1.CZE模式下不同的电泳缓冲液pH值对[Fe(phen)3]2+出峰的影响。样品溶液：50μM FeSO4+5mM Fe2(SO4)3+1mM phen。实验条件：电泳缓冲液，100mM醋酸钠缓冲液+0.2mMCTAB混合溶液；压力进样，0.5psi×5s；分离电压，-30kV。
图2.CZE模式下采用不同浓度的醋酸钠缓冲液的电泳图。实验条件：电泳缓冲液，pH 为5.0的醋酸钠缓冲液+0.2mM CTAB。样品溶液及其他实验条件同图1。
图3(a).CZE模式下电泳缓冲液中添加CTAB的电泳图；图3(b).CZE模式下电泳缓冲液中未添加CTAB的电泳图。实验条件：电泳缓冲液，100mM醋酸钠缓冲液(pH 5.0) +0.2mMCTAB。样品溶液及其他实验条件同图1。
图4.CZE模式下电泳缓冲液中添加了不同浓度CTAB的电泳图。实验条件：电泳缓冲液，100mM醋酸钠缓冲液(pH 5.0)。样品溶液及其他实验条件同图1。
图5.FESI过程中采用不同进样电压的电泳图。样品溶液：10nM FeSO4+10μM Fe2(SO4)3+10μM phen。实验条件：电泳缓冲液，100mM醋酸钠缓冲液(pH 5.0)+0.2mM CTAB；进样时间，1.5min；分离电压，-30kV。
图6.FESI过程中采用不同进样时间的电泳图。实验条件：进样电压，+2kV。样品溶液及其他实验条件同图5。
具体实施方式
下面通过实施例进一步详细描述本发明的方法，但这并非是对本发明的限制，本领域技术人员根据本发明的基本思想，可以做出各种修改或改进，只要不脱离本发明的基本思想，均在本发明的范围之内。
实施例
1、主要试剂及溶液制备
硫酸铁和醋酸钠购自西陇化学试剂有限公司(广州，中国)，七水硫酸亚铁购自北京化工厂(北京，中国)，十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)购自百灵威科技有限公司(北京，中国)，邻二氮菲购自国药集团化学试剂有限公司(北京，中国)。缓冲液以及样品溶液均由娃哈哈纯净水(杭州，中国)配制。邻二氮菲和CTAB每周分别配制10mM、20mM的母液，待稀释使用，Fe(II)(10mM，七水硫酸亚铁的水溶液)和Fe(III)(10mM，硫酸铁的水溶液)溶液每天配制，实验中所用到的其他试剂均为分析纯，且在使用时不需要进一步纯化。
2、实验器材
本发明使用的毛细管为无涂层熔融石英毛细管(Polymicro Technologies，美国)，内径50 μm，外径365μm，长60cm(有效长度56cm)。新毛细管在使用前，依次用1.0M的盐酸冲洗5min，纯水冲洗5min，1.0M的氢氧化钠冲洗10min，纯水冲洗5min，缓冲溶液冲洗30min。随后，毛细管将在缓冲液环境中加电平衡15min。为了保证方法的重现性，每次进样前使用缓冲溶液冲洗2min。
所有实验均在配备二极管阵列紫外检测器(DAD)的P/ACE MDQ毛细管电泳仪上(Beckman coulter公司，美国)进行，使用32Karat软件(8.0版)采集数据和控制仪器。
3、实验流程
不同浓度的Fe(II)、Fe(III)和邻二氮菲的混合液由母液经纯净水稀释得到。在场放大进样 (FESI)过程中，样品以电动进样方式引入毛细管，对于进样时间和进样电压均进行了优化，进样之前向毛细管中引入一段0.5psi×5s的水柱。整个实验过程中毛细管恒温在25℃，检测波长设置为266nm，所有的测定均重复至少三次。
4、毛细管区带电泳(CZE)分离条件优化
本实施例在CZE模式下对分离条件进行了优化，包括缓冲体系的选择、缓冲液的pH和浓度以及添加剂的优化等。
在尝试了不同的缓冲液体系如磷酸缓冲液、3-(N-吗啉基)丙磺酸(MOPs)缓冲液和醋酸缓冲液之后，最终选择了醋酸缓冲液作为背景电解质。
缓冲液的pH对邻二氮菲与Fe(II)离子的络合存在一定的影响，也影响到所形成的络合物的稳定性。本实验尝试了5种pH条件下Fe(II)离子的检测，结果见图1。从图中可以看出，随着pH值的降低，络合物峰的拖尾越发严重，甚至出现杂峰。而基本没有拖尾现象的pH5.0 与pH 5.5条件相比，峰面积更大，因此，最终选择的缓冲液的pH为5.0。
另外，缓冲液的浓度也会对迁移率和分离效率产生影响。实验选择了50、100、150mM 三个不同浓度的醋酸钠缓冲液，结果如图2所示。图2表明，随着缓冲液浓度的升高，分析时间不断增加，而且基线也越来越差。而当浓度为50mM时，络合物的峰与前面邻二氮菲的峰离得太近，不利于后续要进行的富集实验，因此，最终选择100mM的醋酸钠缓冲液。
在最初的实验中，发明人发现目标物的峰型总是存在峰拖尾现象，为此尝试了许多解决方案，例如将邻二氮菲加入背景电解质或样品中，改变分离电压，加入添加剂等。最终发现，向背景电解质中添加CTAB，不仅对峰型有很大的改善，而且峰面积也得到了很大的提高。 CTAB是一种阳离子型表面活性剂，可以动态吸附在带负电的毛细管内壁上，改变内壁所带电荷，从而改变电渗流的方向。
图3为缓冲液中添加(图3(a))或不添加CTAB(图3(b))所得的电泳图，因电渗流的方向改变，因此两者的出峰顺序相反。可以看出，添加CTAB的电泳图中，络合物峰的峰型很好，峰面积也增大，这可能是由于CTAB对Fe(II)离子与邻二氮菲的络合具有一定的促进作用。
之后，对CTAB的浓度也进行了优化，图4给出了四个不同浓度CTAB下的电泳图，可以看出，除了0.2mM，在其他浓度下峰都有轻微拖尾现象，因此，最终选择0.2mM CTAB 作为缓冲液添加剂。
在CZE模式下完成条件优化后，做出了CZE的工作曲线，结果如表1所示。
5、场放大进样(FESI)富集条件优化
由于毛细管光程的限制无法在常规进样的条件下获得较高的检测灵敏度，本实施例采用了富集效率较高的FESI富集技术来对样品溶液进行在线富集，以大幅度提高检测灵敏度。对于FESI来说，进样电压与进样时间是非常重要的两个参数。尽管较长的进样时间或较大的进样电压均会增加[Fe(phen)3]2+的进样量，从而提高检测的灵敏度，但进样量过大的同时因为扩散的缘故也会造成峰展宽。而且，在本实验中，加入了阳离子表面活性剂CTAB，电渗流的方向与的[Fe(phen)3]2+迁移方向相反，因此，在进样过程中，为了确保[Fe(phen)3]2+的迁移速率大于电渗流的速率，进样电压不能太大。进样电压和进样时间的优化结果分别如图5和图6 所示。
从图5可以看出，在进样电压高于2kV时，峰面积反而变小，这是由于电渗流的速率高于[Fe(phen)3]2+的迁移速率，导致进样量变小。考虑到峰形、灵敏度等因素，最终确定的最佳进样条件为在2kV的条件下进样1.5min。
在FESI过程中，进样之前引入一段水柱有助于提高进样效率，同时，水柱的引入也有助于提高结果的重现性。因此，在进样之前引入0.5psi×5s的水柱。
在经过优化后的富集条件是在2kV的条件下进样1.5min，并在优化条件下做出了FESI 的工作曲线，结果如表1所示。
表1两种方法的线性回归分析和检测灵敏度
A——峰面积(mAU·s)；a,c——Fe(II)浓度(nM)，共存10μM Fe(III)；b,c——Fe(II)浓度(μM)，共存1mM Fe(III)。
表1中列出了两种方法CZE和FESI的工作曲线关系式、检出限、线性范围等参数，可以看出富集方法的使用，使灵敏度提高了至少两个数量级。
6、磷酸铁样品的测定
准确称取约0.2g磷酸铁样品置于5mL离心管中，加入1.0mL优级纯浓盐酸(12M)，约5h后样品完全溶解，溶液变澄清，再用纯净水稀释至所需浓度待测。
取Fe(II)(10mM)，Fe(III)(10mM)和邻二氮菲(10mM)母液配制成二价铁离子Fe(II)含量为0.0μg/mL、0.5μg/mL、1.0μg/mL、1.5μg/mL、和2.0μg/mL的标准溶液；在可见分光光度计上，在测量波长266nm下测量各标准溶液的吸光度并得出工作曲线。
由于CZE和FESI的检测灵敏度差异较大，CZE所测的样品为用纯净水稀释到1μg/mL， FESI所测的样品为用纯净水10ng/mL。
在用毛细管区带电泳(CZE)方法进行检测时，将待测样品与CTAB和邻二氮菲加入到 pH为5.0，浓度为100mM的醋酸钠缓冲液中，CTAB终浓度为0.2mM，邻二氮菲的终浓度为1.0mM；压力进样，0.5psi×5s；分离电压，-30kV，测量待测样品的吸光度。
在用场放大进样(FESI)方法进行检测时，进样之前向毛细管中引入一段0.5psi×5s的水柱，将待测样品与CTAB和邻二氮菲加入到pH为5.0，浓度为100mM的醋酸钠缓冲液中，CTAB终浓度为0.2mM，邻二氮菲的终浓度为1.0mM；以电动进样方式在2kV的条件下进样1.5min，测量待测样品的吸光度。整个实验过程中毛细管恒温在25℃，检测波长设置为266nm，所有的测定均重复至少三次。
利用公式计算磷酸铁样品中的二价铁离子Fe(II)含量。
这两种方法的定量分析结果和检测回收率如表2所示。
表2两种方法测定的磷酸铁样品结果
从表中可以看出，两种不同的方法测出的磷酸铁样品中的Fe(II)含量差异不大，且分别获得了87％-95％和93％-108％的高回收率，这证明了方法的可靠性，也显示了这两种方法均能够在大量Fe(III)背景中可靠地测定出Fe(II)的含量。
Claims (6)
1.一种检测痕量Fe(II)的毛细管电泳方法，包括如下步骤：
1)采用纯浓盐酸将磷酸铁样品溶解，至溶液变澄清后，再用纯净水稀释至所需浓度，制备得到待测液A；
2)配制二价铁离子Fe(II)含量为0.0～2.0μg/mL的标准溶液；
3)利用毛细管区带电泳方法或场放大进样方法测试待测液A的吸光度；利用毛细管区带电泳方法测试待测液A的吸光度包括：将步骤1)制备的待测液A与添加剂CTAB和邻二氮菲加入到缓冲液中，测试待测液A的吸光度；场放大进样方法的进样条件为在2kV的条件下进样1.5min；
4)利用以下公式计算磷酸铁样品中的二价铁离子Fe(II)含量：
其中，Fe(II)％表示待测液A中二价铁离子Fe(II)的百分含量；
A表示所述待测液A对应的吸光度；
A1表示二价铁离子Fe(II)含量为C1的标准溶液对应的吸光度，A2表示二价铁离子Fe(II)含量为C2的标准溶液对应的吸光度。
2.如权利要求1所述的一种检测痕量Fe(II)的毛细管电泳方法，其特征在于，步骤1)中所述纯浓盐酸的摩尔浓度为10-12mol/L。
3.如权利要求1所述的一种检测痕量Fe(II)的毛细管电泳方法，其特征在于，所述添加剂CTAB在缓冲液中的终浓度为0.02～2mM，所述邻二氮菲在缓冲液中的终浓度为0.1～100mM。
4.如权利要求1所述的一种检测痕量Fe(II)的毛细管电泳方法，其特征在于，选择pH为5.0，摩尔浓度为100mM的醋酸钠溶液作为缓冲液。
5.如权利要求1所述的一种检测痕量Fe(II)的毛细管电泳方法，其特征在于，利用场放大进样方法测试待测液A的吸光度包括：在进样之前引入一段0.5psi×5s的水柱以提高进样效率，测试待测液A的吸光度。
6.如权利要求1所述的一种检测痕量Fe(II)的毛细管电泳方法，其特征在于，场放大进样方法中，整个测试过程中毛细管恒温在25℃，检测波长设置为266nm，所有的测定均重复至少三次。
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