CN109406607A - 一种用于水样重金属原位监测的毛细管电泳仪 - Google Patents

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Abstract

一种用于水样重金属原位监测的毛细管电泳仪，包括第一微型蠕动泵、第二微型蠕动泵，第三微型蠕动泵，第四微型蠕动泵、第一单向阀、第二单向阀、金属管、高压端电泳缓冲液储液瓶、废液瓶、二通常开电磁阀、十字四通缓冲液储液室、混合反应盘管、毛细管、光度法检测器、三通接头，电泳高压接口外接微型化的高压电源作为电泳分离过程的一极，金属管作为电泳分离过程的另一极，两极之间形成阴阳极关系，构成一个完整的电泳回路，通过光度法检测器对电泳回路中金属络合物溶液进行分析确定重金属的种类及其在溶液中的浓度。本发明检测值相对标准值偏差较小，检测数据准确性、可靠性以及稳定性较好，且具备成本低、方便携带、灵活易用、高灵敏度优点。

Description

一种用于水样重金属原位监测的毛细管电泳仪
技术领域
本发明涉及水样污染物监测技术领域，尤其涉及一种用于水样重金属原位监测的毛细管电泳仪。
背景技术
随着工业化和城市化进程的不断加快，环境水体中重金属的污染变的尤为严重，严重危害了人们的身体健康。矿山、矿井大多位于偏远地区，对当地水环境的影响不容忽视，然而由于偏远地区交通不便，环境水体中的污染物监测极具挑战，实现有规律的人工采样都较为困难。分析物在贮存、转运至实验室的过程中极易造成监测目标物的损失或污染。因此，研发便携式的现场监测仪器，将极大的提高现场监测数据的质量，减少监测人员的劳动负担，同时也能更及时的对环境污染事件做出应急决策。目前常用的现场检测手段多局限于使用传统的电化学传感器，造价成本都很高，且只对电导、pH值等简单参数进行测定；虽然已有检测重金属含量的电化学传感器问世，但其数据可靠性以及长期稳定性较差，难以满足偏远地区长期监测的要求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所解决的技术问题是提供一种造价成本低、便携性好且数据监测可靠性高的水样监测设备。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种用于水样重金属原位监测的毛细管电泳仪，包括第一微型蠕动泵、第二微型蠕动泵，第三微型蠕动泵，第四微型蠕动泵、第一单向阀、第二单向阀、金属管、高压端电泳缓冲液储液瓶、废液瓶、二通常开电磁阀、十字四通缓冲液储液室、混合反应盘管、毛细管、光度法检测器、三通接头，所述第二微型蠕动泵、第二单向阀、三通接头第一接口及第二接口、混合反应盘管、十字四通缓冲液储液室的第一接口及第二接口、毛细管、光度法检测器、高压端电泳缓冲液储液瓶依次相连接，所述第一微型蠕动泵、第一单向阀、十字四通缓冲液储液室的第三接口及第四接口四、金属管、二通常开电磁阀、废液瓶依次相连接，所述三通接头的第三接口与所述第三微型蠕动泵相连，所述高压端电泳缓冲液储液瓶下部的接口与所述第四微型蠕动泵连接，所述高压端电泳缓冲液储液瓶通过上部设置的溢流口与废液袋相连并在顶端具有电泳高压接口，所述金属管通过设有的接地端与大地相连，所述废液瓶通过上部设有的溢流口与废液袋相连，所述电泳高压接口外接微型化的高压电源作为电泳分离过程的一极，所述金属管作为电泳分离过程的另一极，两极之间形成阴阳极关系，构成一个完整的电泳回路，通过所述光度法检测器对电泳回路中金属络合物溶液进行分析确定重金属的种类及其在溶液中的浓度。
所述光度法检测器包括发光二极管、光电检测器及毛细管检测光学接口，所述毛细管检测光学接口两端分别连接毛细管及高压端电泳缓冲液储液瓶，所述发光二极管为所述光度法检测器提供光源，所述光电检测器负责快速完成实时的数据采集、分析和处理工作。
所述毛细管为与十字四通缓冲液储液室连接的内径为10-100μm的熔融石英毛细管，其接头部分外套内径为0.4mm的PEEK套管；
所述混合反应盘管为特氟龙管，其长为30cm、内径0.5mm；
所述高压接口连接的高压电压为3-30kV，通过微型高压转换模块由笔记本电脑USB端口供电转换产生，可通过软件控制变换高压电压的极性；
所述高压端电泳缓冲液储液瓶、废液瓶通过上部设置的溢流口保持两者液面的一致，保证电泳回路中不存在着液面高度差压力而对毛细管两端产生重力势差进而影响测定精度。
所述第一微型蠕动泵用于输入补充提供一定离子强度的电泳缓冲溶液，维持电泳过程电流的导通，缓冲溶液在提供稳定的离子强度的同时也维持电泳溶液的pH值，从而保持各待测组分在溶液中的迁移速率恒定，同时电泳缓冲液也用来冲洗十字四通缓冲液储液室内残留的混合样品和试剂；所述第二微型蠕动泵用于输入络合反应试剂；所述第三微型蠕动泵用于输入样品溶液或标准溶液；所述第四微型蠕动泵用于输入对高压端电泳缓冲液储液瓶进行的每次检测循环的电泳缓冲液的补充，以便于系统等待下一个检测循环，保证不影响后续的分析过程。
本发明的工作原理：
水样中大多数金属离子对光的吸收较弱，难以直接用便携式光学检测方法测试。如要光度法测定金属离子，必须与一些络合试剂发生反应生成有色物质，有色物质能够吸收特定波长的光，可以用分光光度法进行检测。但是这类方法的选择性较差，多种金属离子都能与这类络合试剂发生反应，通过分光光度法难以区分单种金属的浓度。
本发明将水样中的金属与络合试剂反应生成有色络合物，经毛细管电泳分离后，再进行分光光度法检测，可同时测定水样中多种金属浓度。选择4-(2-吡啶偶氮)间苯二酚(PAR)或1-(2-吡啶偶氮)-2-萘酚(PAN)等络合试剂与水中钴、镍、铜、锌、镉、铁等金属离子发生反应，生成有色络合物。将有色络合物注入石英毛细管后施加电场，金属络合物在高压电场中的迁移速率不同，因此到达光度法检测器的时间不同。通过与金属标准溶液得到的吸光度信号对比，可以利用在高压电场下信号到达检测器的时间确定金属的种类，吸光度峰信号的强度确定金属的浓度。
本发明的操作流程和工艺，包括以下步骤：
(1)将各部件初始化。
(2)启动第二微型蠕动泵以输入络合反应试剂，经开启的第二单向阀到达三通接头；启动第三微型蠕动泵以输入样品溶液或标准溶液到三通接头，样品溶液或标准溶液与络合反应试剂在三通接头内混合并在混合反应盘管中反应生成金属络合物后进入十字四通缓冲液储液室。
(3)待络合物完全充满十字四通缓冲液储液室后，第二微型蠕动泵断电停止工作，第三微型蠕动泵断电停止工作，络合物溶液静置。
(4)重新启动第三微型蠕动泵输入样品溶液或标准溶液，通过软件监控施加到第三微型蠕动泵的电压，获得的电压信号指示泵转子的位置，从而准确的控制第三微型蠕动泵的转动圈数。
(5)在两个转动周期后触发二通常开电磁阀通电关闭，第三微型蠕动泵继续工作产生用于样品溶液或标准溶液注射的压力，将十字四通缓冲液储液室内的样品溶液或标准溶液压入毛细管中。
(6)停止第三微型蠕动泵转动，络合物溶液在系统中静置等待。
(7)启动第一微型蠕动泵以输入电泳缓冲液，经第一单向阀对十字四通电泳缓冲液储液室、金属管进行冲洗。
(8)停止第一微型蠕动泵转动，络合物溶液在系统中静置等待。
(9)将微型高压电源开启，将微型高压电通过高压接口施加于高压端电泳缓冲液储液瓶之内，通过毛细管和金属管的接地端建立电泳回路，样品溶液或标准溶液的电泳分离开始。样品溶液分离时，在数据采集频率为20Hz的条件下记录光度法检测器的输出和高压电源电流信号。从光度法检测器输出的电压信号可计算吸光度A。将吸光度信号A对时间作图，得到毛细管电泳谱图。在毛细管电泳谱图上，每个信号峰都对应相应的金属络合物。通过对比标准溶液，根据各个信号峰对应的时间(迁移时间)就可以确定是何种重金属，对比样品溶液和标准溶液的峰高和峰面积确定金属离子在水样中的质量百分比含量。
(10)开启第一微型蠕动泵，二通常开电磁阀也处于通路状态，用电泳缓冲液再次冲洗十字四通缓冲液储液室。
(11)保持第一微型蠕动泵正常运转，二通常开电磁阀通电闭合以在十字四通缓冲液储液室产生一定压力。
(12)停止第一微型蠕动泵运转，二通常开电磁阀继续保持通电闭合保持压力，将十字四通缓冲液储液室内电泳缓冲液压入毛细管，对其进行冲洗。
(13)开启第四微型蠕动泵以输入电泳缓冲液适当补充高压端电泳缓冲液储液瓶，以便于系统等待下一个检测循环。
(14)系统回到最初状态，准备进行下一个检测循环。
采用本发明检测值相对标准值偏差较小，检测数据准确性、可靠性以及稳定性较好，同时具备成本低、方便携带、灵活易用、高灵敏度等优点。
附图说明
图1为本发明系统结构示意图；
图2为本发明分离水样中钴、铜、锌离子的电泳信号谱图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步的说明，但不是对本发明的限定。
图1示出了一种用于水样重金属原位监测的毛细管电泳仪，包括第一微型蠕动泵1、第二微型蠕动泵2，第三微型蠕动泵3，第四微型蠕动泵4、第一单向阀5、第二单向阀6、金属管11、高压端电泳缓冲液储液瓶12、废液瓶13、二通常开电磁阀14、十字四通缓冲液储液室16、混合反应盘管17、毛细管18、光度法检测器、三通接头25，所述第二微型蠕动泵2、第二单向阀6、三通接头25第一接口及第二接口、混合反应盘管17、十字四通缓冲液储液室16的第一接口及第二接口、毛细管18、光度法检测器、高压端电泳缓冲液储液瓶12依次相连接，所述第一微型蠕动泵1、第一单向阀5、十字四通缓冲液储液室16的第三接口及第四接口四、金属管11、二通常开电磁阀14、废液瓶13依次相连接，所述三通接头25的第三接口与所述第三微型蠕动泵3相连，所述高压端电泳缓冲液储液瓶12下部的接口与所述第四微型蠕动泵4连接，所述高压端电泳缓冲液储液瓶12通过上部设置的溢流口与废液袋7相连并在顶端具有电泳高压接口22，所述金属管11通过设有的接地端15与大地相连，所述废液瓶13通过上部设有的溢流口与废液袋7相连，所述电泳高压接口22外接微型化的高压电源作为电泳分离过程的一极，所述金属管11作为电泳分离过程的另一极，两极之间形成阴阳极关系，构成一个完整的电泳回路，通过所述光度法检测器对电泳回路中金属络合物溶液进行分析确定重金属的种类及其在溶液中的浓度。
所述光度法检测器包括发光二极管19、光电检测器20及毛细管检测光学接口21，所述毛细管检测光学接口21两端分别连接毛细管18及高压端电泳缓冲液储液瓶12，所述发光二极管19为所述光度法检测器提供光源，所述光电检测器20负责快速完成实时的数据采集、分析和处理工作。
所述毛细管18为与十字四通缓冲液储液室连接的内径为10-100μm的熔融石英毛细管，其接头部分外套内径为0.4mm的PEEK套管；
所述混合反应盘管17为特氟龙管，其长为30cm、内径0.5mm；
所述高压接口22连接的高压电压为3-30kV，通过微型高压转换器由笔记本电脑USB端口供电转换产生，可通过软件控制变换高压电压的极性；
所述高压端电泳缓冲液储液瓶12、废液瓶13通过上部设置的溢流口保持两者液面的一致，保证电泳回路中不存在着液面高度压力差而对毛细管两端产生重力势差进而影响测定精度。
所述第一微型蠕动泵1用于输入补充提供一定离子强度的电泳缓冲溶液9，维持电泳过程电流的导通，缓冲溶液在提供稳定的离子强度的同时也维持电泳溶液的pH值，从而保持各待测组分在溶液中的迁移速率恒定，同时电泳缓冲液也用来冲洗十字四通缓冲液储液室内残留的混合样品和试剂；所述第二微型蠕动泵2用于输入络合反应试剂23；所述第三微型蠕动泵3用于输入样品溶液或标准溶液24；所述第四微型蠕动泵4用于输入对高压端电泳缓冲液储液瓶12进行的每次检测循环的电泳缓冲液的补充，以便于系统等待下一个检测循环，保证不影响后续的分析过程。
本发明的工作原理：
水样中大多数金属离子对光的吸收较弱，难以直接用便携式光学检测方法测试。如要光度法测定金属离子，必须与一些络合试剂发生反应生成有色物质，有色物质能够吸收特定波长的光，可以用分光光度法进行检测。但是这类方法的选择性较差，多种金属离子都能与这类络合试剂发生反应，通过分光光度法难以区分单种金属的浓度。
本发明将水样中的金属与络合试剂反应生成有色络合物，经毛细管电泳分离后，再进行分光光度法检测，可同时测定水样中多种金属浓度。选择4-(2-吡啶偶氮)间苯二酚(PAR)或1-(2-吡啶偶氮)-2-萘酚(PAN)等络合试剂与水中钴、镍、铜、锌、镉、铁等金属离子发生反应，生成有色络合物。将有色络合物注入石英毛细管后施加电场，金属络合物在高压电场中的迁移速率不同，因此到达光度法检测器的时间不同。通过与金属标准溶液得到的吸光度信号对比，可以利用在高压电场下信号到达检测器的时间确定金属的种类，吸光度峰信号的强度确定金属的浓度。
实施例1：
实验所用试剂均为分析纯或以上纯度，使用超纯水配制所有溶液。背景电解质包括Na2B4O7，N-三(羟甲基)甲基-3-氨基丙磺酸(TAPS)，三(羟甲基)氨基甲烷)/N-环己基-2-氨基乙磺酸(TRIS/CHES)等，用1mol/L NaOH调节至所需pH。分别将硝酸盐，氯化物或硫酸盐形式的金属盐类溶解于0.01mol/L HNO3(微量金属纯)中来制备金属离子的储备溶液，用时逐级稀释为所需浓度。
系统在使用前需将配置好的电泳缓冲液、络合试剂、待测样品接入相应的管路位置，并通过开启相应的微型蠕动泵将管路及废液瓶13、高压端电泳缓冲液储液瓶12充满。
毛细管18在连接到系统之前，依次用1mol/L NaOH，1mol/L HCl和超纯水对其进行清洗。清洗完成后将毛细管18接入系统中，再通过开启第一微型蠕动泵1、通电关闭二通常开电磁阀14将电泳缓冲液压入系统内进行清洗。清洗完成后系统准备就绪，可进行样品测试。典型的样品测试流程如下表1所示。
表1
该表格的参数可输入至LABVIEW编写的上位机程序中，每一个步骤由上位机程序逐行扫描程序执行内容进行控制，通过计算机自动控制控制系统各部件的运行、数据采集以及结果分析。表中“开”代表处于通电开启状态；“关”代表处于通电闭合状态；“-”表示处于断电状态。
现对照表1对本发明的操作流程和工艺进行具体说明，包括以下步骤：
(1)将各部件初始化，持续时间约3秒。
(2)启动第二微型蠕动泵2以输入液体速度为0.2mL/min的速度输入络合反应试剂23，经通电开启的第二单向阀6到达三通接头25；启动第三微型蠕动泵3以输入液体速度为0.2mL/min的速度输入样品溶液或标准溶液24到三通接头25，样品溶液或标准溶液24与络合反应试剂23在三通接头25内混合并在混合反应盘管17中反应生成金属络合物后进入十字四通缓冲液储液室16，过程持续时间约40秒。
(3)待络合物完全充满十字四通缓冲液储液室16后，第二微型蠕动泵2断电停止工作，第二单向阀6断电闭合，第三微型蠕动泵3断电停止工作。络合物溶液静置，静置时间为3秒。
(4)重新启动第三微型蠕动泵3以输入液体速度为50μL/min的速度输入样品溶液或标准溶液24，通过软件监控施加到第三微型蠕动泵3的电压，获得的电压信号指示泵转子的位置，从而准确的控制第三微型蠕动泵3的转动圈数。第三微型蠕动泵3的一个转动周期大约是3秒，第三微型蠕动泵3转动2圈，持续时间6秒。
(5)在两个转动周期6秒后触发二通常开电磁阀14通电关闭，第三微型蠕动泵3继续工作产生用于样品溶液或标准溶液注射的压力，将十字四通缓冲液储液室16内的样品溶液或标准溶液压入毛细管18中，注射持续时间在10000毫秒内。
(6)停止第三微型蠕动泵3转动，络合物溶液在系统中静置等待，静置时间为3秒。
(7)启动第一微型蠕动泵1以输入液体速度为0.3mL/min的速度输入电泳缓冲液9，经第一单向阀5对十字四通电泳缓冲液储液室16、金属管11进行冲洗，冲洗为60秒。
(8)停止第一微型蠕动泵1转动，络合物溶液在系统中静置等待，静置时间为3秒。
(9)将微型高压电源开启，将微型高压电通过高压接口22施加于高压端电泳缓冲液储液瓶12之内，通过毛细管18和金属管11的接地端15建立电泳回路，样品溶液或标准溶液24的电泳分离开始，电泳持续时间可达40分钟。样品溶液分离时，在数据采集频率为20Hz的条件下记录光度法检测器输出和高压电源电流信号。从光度法检测器输出的电压信号可计算吸光度A。将吸光度信号A对时间作图，得到毛细管电泳谱图。在毛细管电泳谱图上，每个信号峰都对应相应的金属络合物。通过对比标准溶液，根据各个信号峰对应的时间(迁移时间)就可以确定是何种重金属，对比样品溶液和标准溶液的峰高和峰面积确定金属离子在水样中的质量百分比含量。
(10)开启第一微型蠕动泵1，二通常开电磁阀14也处于通路状态，用电泳缓冲液9再次冲洗十字四通缓冲液储液室16，冲洗时间为10秒。
(11)保持第一微型蠕动泵1正常运转，二通常开电磁阀14通电闭合以在十字四通缓冲液储液室16产生一定压力，维持时间8秒。
(12)停止第一微型蠕动泵1运转，二通常开电磁阀14继续保持通电闭合60秒保持压力，将十字四通缓冲液储液室16内电泳缓冲液压入毛细管18，对其进行冲洗。
(13)开启第四微型蠕动泵4以输入液体速度为0.3mL/min的速度输入电泳缓冲液10适当补充高压端电泳缓冲液储液瓶12，以便于系统等待下一个检测循环，第四微型蠕动泵保持转动时间2秒。
(14)系统回到最初状态，用时约1秒，准备进行下一个检测循环。
实施例2：
在实验室内连续运行考察本发明的稳定性，同时对Co(II)、Cu(II)和Zn(II)金属离子混合标准溶液检测，检测的分离水样中钴、铜、锌离子的电泳信号谱图如图2所示，其中重金属浓度都为80μmol/L，横坐标为电泳的时间，纵坐标为信号强度。每个信号峰对应的金属如图例所示，信号峰高度与样品浓度正相关。
检测的主要性能指标如下表2所示：
表2主要分析性能指标
本发明在实验室中连续运行超过3个月，其中对Cu(II)和Zn(II)离子进行连续945次检测，2种离子迁移时间RSD分别为1.6％和1.7％，峰高的RSD分别为5.4％及4.5％。证明了本发明的稳定性能良好。
实施例3：
现场测定某地区河流中Zn(II)的含量,该地区河流中有大量矿山废水注入，其中所含金属离子可能对当地居民及生态环境造成严重影响。采用现有技术的电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)用于对比验证。本发明测定结果见下表3：
表3水样现场检测及基底加标结果
测定结果表明本发明在现场基底加标的回收率均在90～113％之间，本发明测量结果均与现有技术的电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)可接受水平达到一致。证明了本发明对水样中重金属现场监测的可行性。本发明成本约为6000元人民币，远低于市面上其它的毛细管电泳仪的价格(多以数十万元计)，便携性好(长宽高：21cm*10cm*7cm)，可通过微型高压转换器变换由笔记本电脑的USB端口供电，方便实用。
综上所述，本发明检测数据偏差较小，准确性、可靠性以及稳定性较好，同时具备成本低、方便携带、灵活易用、高灵敏度等优点。
以上结合附图对本发明的实施方式做出了详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对于本领域技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，对这些实施方式进行各种变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于水样重金属原位监测的毛细管电泳仪，其特征在于，包括第一微型蠕动泵（1）、第二微型蠕动泵（2），第三微型蠕动泵（3），第四微型蠕动泵（4）、第一单向阀（5）、第二单向阀（6）、金属管（11）、高压端电泳缓冲液储液瓶（12）、废液瓶（13）、二通常开电磁阀（14）、十字四通缓冲液储液室（16）、混合反应盘管（17）、毛细管（18）、光度法检测器、三通接头（25），所述第二微型蠕动泵（2）、第二单向阀（6）、三通接头（25）第一接口及第二接口、混合反应盘管（17）、十字四通缓冲液储液室（16）的第一接口及第二接口、毛细管（18）、光度法检测器、高压端电泳缓冲液储液瓶（12）依次相连接，所述第一微型蠕动泵（1）、第一单向阀（5）、十字四通缓冲液储液室（16）的第三接口及第四接口四、金属管（11）、二通常开电磁阀（14）、废液瓶（13）依次相连接，所述三通接头（25）的第三接口与所述第三微型蠕动泵（3）相连，所述高压端电泳缓冲液储液瓶（12）下部的接口与所述第四微型蠕动泵（4）连接，所述高压端电泳缓冲液储液瓶（12）通过上部设置的溢流口与废液袋（8）相连并在顶端具有电泳高压接口（22），所述金属管（11）通过设有的接地端（15）与大地相连，所述废液瓶（13）通过上部设有的溢流口与废液袋（7）相连，所述电泳高压接口（22）外接微型化的高压电源作为电泳分离过程的一极，所述金属管（11）作为电泳分离过程的另一极，两极之间形成阴阳极关系，构成一个完整的电泳回路，通过所述光度法检测器对电泳回路中金属络合物溶液进行分析确定重金属的种类及其在溶液中的浓度。
2.如权利要求1所述的用于水样重金属原位监测的毛细管电泳仪，其特征在于，所述光度法检测器包括发光二极管（19）、光电检测器（20）及毛细管检测光学接口（21），所述毛细管检测光学接口（21）两端分别连接毛细管（18）及高压端电泳缓冲液储液瓶（12），所述发光二极管（19）为所述光度法检测器提供光源，所述光电检测器（20）负责快速完成实时的数据采集、分析和处理工作。
3.如权利要求1或2所述的用于水样重金属原位监测的毛细管电泳仪，其特征在于，所述毛细管（18）为与十字四通缓冲液储液室（16）连接的内径为10-100 μm的熔融石英毛细管，其接头部分外套内径为0.4 mm 的PEEK套管。
4.如权利要求1或2所述的用于水样重金属原位监测的毛细管电泳仪，其特征在于，所述混合反应盘管（17）为特氟龙管，其长为30 cm、内径0.5 mm。
5.如权利要求1或2所述的用于水样重金属原位监测的毛细管电泳仪，其特征在于，所述高压接口（22）连接的高压电压为3-30 kV,可通过软件控制变换极性。
6.如权利要求1或2所述的用于水样重金属原位监测的毛细管电泳仪，其特征在于，所述高压端电泳缓冲液储液瓶（12）、废液瓶（13）通过上部设置的溢流口保持两者液面的一致。
7.如权利要求1或2所述的用于水样重金属原位监测的毛细管电泳仪，其特征在于，所述第一微型蠕动泵（1）用于输入补充提供一定离子强度的电泳缓冲溶液（9），所述第二微型蠕动泵（2）用于输入络合反应试剂（23）；所述第三微型蠕动泵（3）用于输入样品溶液或标准溶液（24）；所述第四微型蠕动泵（4）用于输入对高压端电泳缓冲液储液瓶（12）进行的每次检测循环的电泳缓冲液的补充。
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