CN111141810B - 一种用于水环境现场监测的毛细管电泳仪及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水样污染物监测技术领域，尤其涉及一种用于水环境现场监测的毛细管电泳仪及其使用方法，包括进样装置，内壁涂层的石英毛细管和检测器，所述进样装置包括气源、第一电磁阀、蠕动泵、过滤头、储液瓶、六通阀、第二电磁阀、第二缓冲液储液瓶、缓冲液储液室和三通接头；所述检测器为非接触电导检测器，导电针头和高压端电极之间构成一个完整的电泳回路，其使用方法包括上样、进样、冲洗、保持与大气压平衡、电泳检测、切换高压直流电方向，本发明的毛细管电泳仪体积小、成本低、适应场景广，可以实现水环境现场监测，并提供准确的多种水质参数。

Description

一种用于水环境现场监测的毛细管电泳仪及其使用方法

技术领域

本发明属于水样污染物监测技术领域，尤其涉及一种用于水环境现场监测的毛细管电泳仪及其使用方法。

技术背景

随着社会经济的快速发展，人类排放大量的污染物进入水体，导致水质恶化，生态环境受到破坏，进而严重影响人类正常生活。离子化合物，特别是硝氮、亚硝氮、氨氮、磷酸盐的浓度是反映水质和水生生态系统健康状况的重要指标之一。因此，对水体中的离子化合物的监测就变得尤为重要。传统方法进行水质监测往往在现场进行水样采集，再将采集到的样品转运到实验室进行水质检测。此方式存在诸多问题，转运过程中待测目标物可能受到污染或发生降解，从而不能够准确的对采集水样中的污染物定性及定量；监测数据量少，不能真实反映环境参数的变化规律。近年来，现场分析仪器已广泛应用于实时监测水样中的离子化合物。大多数自动化现场仪器是基于电化学或比色法。就电化学传感器而言，仍需要进一步提高选择性和耐用性以适应长期的现场应用。虽然将比色法与流动分析技术相结合，可实现自然水域的现场分析，但是各参数的测定需要特定的反应形成有色化合物进行分光光度检测，为了测量多个分析物，需要多条并行通道，导致整个系统变得复杂且昂贵。现有技术有采用离子色谱或毛细管电泳-紫外检测技术，可对水体中的多种离子化合物同时进行检测，但实施的设备体积庞大价格昂贵，运行环境要求高，一般只在实验室使用，较难使用到各种复杂的水体现场对水质进行连续监测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种体积小、成本低、适应场景广、精度高的用于水环境现场监测的毛细管电泳仪。

实现本发明目的的技术方案如下，

一种用于水环境现场监测的毛细管电泳仪，包括进样装置，内壁涂层的石英毛细管和检测器，所述进样装置包括气源、第一电磁阀、蠕动泵、过滤头、储液瓶、六通阀、第二电磁阀、第二缓冲液储液瓶、缓冲液储液室和三通接头；气源的出口通过压力控制器分别与第一电磁阀和储液瓶入口连接，第一电磁阀的出口与大气相通，所述蠕动泵通过过滤头与六通阀相接，储液瓶出口经六通阀后与三通接头上端口连接，三通接头的左端口通过缓冲液储液室连接第二电磁阀，第二电磁阀的出口接废液排出管，石英毛细管左端从三通接头右端口插入，插入的深度以超过或等于三通接头左、右两端口的间距一半为准，石英毛细管右端口连接第二缓冲液储液瓶，第二缓冲液储液瓶内设有与高压端连接的电极，三通接头左端口与第二电磁阀之间的管道内设有与接地端连接的导电针头，石英毛细管的中部外接检测器，所述检测器为非接触电导检测器，工作时，与接地端连接的导电针头和高压端电极之间构成一个完整的电泳回路。

进一步，所述石英毛细管左端口与三通接头左端口平齐。

进一步，所述进样装置还包括混合盘管，所述蠕动泵为双通道蠕动泵，双通道蠕动泵其中一通道设有所述过滤头，该通道为水样品通道，另一通道为内标物通道，水样品通道与内标物通道合并后连接混合盘管的入口，混合盘管的出口与六通阀相接。

进一步，所述石英毛细管的内壁涂层制备方法包括如下步骤：（1）使用丙酮、超纯水、0.1-1 mol/L NaOH、超纯水、0.1-1 mol/L HCl、超纯水、甲苯依次冲洗石英毛细管；（2）使用体积比为5-75%的3-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷与甲苯溶液混合液冲洗毛细管；（3）使用硅橡胶密封石英毛细管两端，将其置于20-80℃水浴锅中水浴2-24小时，使得石英毛细管功能化；（4）使用甲苯冲洗毛细管，在氮气下干燥；（5）使用0.01-1 mol/L H₂SO₄对石英毛细管冲洗1-12小时使得石英毛细管内壁上形成二醇基团；（6）使用超纯水冲洗石英毛细管；（7）使用氮气对石英毛细管干燥。使用该制备方法获得的石英毛细管在长期的水样检测过程中对电渗流有着较好的抑制效果。

上述用于水环境现场监测的毛细管电泳仪结构简单，体积小，便于维护，适应于各种复杂的水环境进行现场水质监测，具有明显的经济效益。

本发明还提供基于上述用于水环境现场监测的毛细管电泳仪的使用方法，包括如下步骤：

S1、系统初始化，六通阀切换为上样状态，水样品与内标物经过混合盘管混合后载入六通阀的定量环内，打开第二电磁阀，关闭第一电磁阀，气源输出压力驱动储液瓶内的背景缓冲液冲洗石英毛细管的进样口；

S2、六通阀切换为进样状态；

S3、定量环内水样品/内标物混合液受气源压力驱动流到三通接头内，并确保石英毛细管左端口浸入到水样品/内标物混合液中；

S4、关闭第二电磁阀，六通阀切换为上样状态，气源的压力驱动水样品/内标物混合液压入石英毛细管中；

S5、打开第二电磁阀，气源压力驱动管内的缓冲液对接地端的导电针头进行冲洗，

S6、关闭第二电磁阀，将气源的压力控制器的输出设为0，打开第一电磁阀，释放管道内压力，使得石英毛细管左端口和右端口与大气压平衡；

S7、根据分离需求对电极输入高压直流电，当分离阳离子时，高压端接直流负极，接地端接直流正极；当分离阴离子时，高压端接直流正极，接地端接直流负极；同时自动触发非接触电导检测器，进行电泳分离过程中的数据采集任务；

S8、关闭第一电磁阀，打开第二电磁阀，气源输出气压驱动背景缓冲液冲洗缓冲液储液室、导电针头、接地端头；

S9、关闭第二电磁阀，提高气源输出压力，驱动背景缓冲液快速冲洗石英毛细管；

S10、将气源的压力控制器的输出设为0，打开第一电磁阀，释放管道内压力，等待进入下一次循环。

需要说明的是，本案所述的六通阀又称为六通进样阀，是一种现有产品，该六通阀设有定量环，当切换上样状态时，检测样品进入定量环内，当切换成进样状态，定量环内的检测样品从六通阀内输出。

本发明的用于水环境现场监测的毛细管电泳仪及其使用方法具有以下全部或部分技术效果：一、结构简单，体积小，便于维护，适应于各种复杂的水环境进行现场水质监测，具有明显的经济效益；二、该毛细管电泳仪可以同时测量阴阳离子，获得的水质参数多，通过化学涂层修饰过的毛细管可以有效的抑制电渗流，从而通过仅切换高压电源极性就能对水环境中阴阳离子同时检测；三、测量精度高，采用气动分流式自动进样，从而精准地将进样量控制在nL-pL之间，本发明的检测器选择为非接触电导检测器，消除了电极被污染的可能性；四、稳定性好，内标物的引入使得系统可以在复杂环境下能够对分析结果进行校正，增强系统的稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为图1中的三通接头内部结构示意图；

图3为对同一水域使用本发明实施例毛细管电泳仪与使用离子色谱方法检测获得的典型的阴离子浓度随检测时间的变化趋势对比图；

图4为使用本发明实施例毛细管电泳仪对图三所述水域检测获得的典型的阳离子浓度随检测时间的变化趋势图。

图中，1：气源；2：压力控制器：3：第一电磁阀；4：储液瓶；5：六通阀；6：三通接头；7：混合盘管；8:过滤头；9：双通道蠕动泵；10：石英毛细管；11：非接触电导检测器； 12：第二缓冲液储液瓶；13：缓冲液储液室；14：接地端；15：高压端；16：第二电磁阀。

具体实施方式

参见图1和图2，一种用于水环境现场监测的毛细管电泳仪，包括进样装置，内壁涂层的石英毛细管10和检测器，进样装置包括气源1、第一电磁阀3、混合盘管7、双通道蠕动泵9、过滤头8、储液瓶4、六通阀5、第二电磁阀16、第二缓冲液储液瓶12、缓冲液储液室13和三通接头6；气源1的出口通过压力控制器2分别与第一电磁阀3和储液瓶4入口连接，第一电磁阀3的出口与大气相通；双通道蠕动泵9其中的一个通道设有过滤头8，该通道为水样品通道，另一通道为内标物通道，水样品通道与内标物通道合并后连接混合盘管7的入口，混合盘管7的出口与六通阀5相接，内标物与水样品混合后进行检测，以校准和消除由于检测环境的变化而对分析结果产生的影响，有利于提高分析结果的准确度；储液瓶4出口经六通阀5后与三通接头6上端口连接，三通接头6的左端口通过缓冲液储液室13连接第二电磁阀16，第二电磁阀16的出口接废液排出管，石英毛细管10的左端从三通接头6右端口插入，插入的深度以超过或等于三通接头6左、右两端口的间距一半为准，以确保检测样品液进入三通接头6内时，石英毛细管10左端口浸入在检测样品液中，本实施例取石英毛细管10左端口与三通接头6左端口平齐，该设置有利于更换石英毛细管10时迅速定位，提高了该毛细管电泳仪的可维护性，石英毛细管10右端口连接第二缓冲液储液瓶12，第二缓冲液储液瓶12内设有与高压端15连接的电极，三通接头6左端口与第二电磁阀16之间的管道内设有与接地端14连接的导电针头，石英毛细管10的中部外接设检测器，检测器为非接触电导检测器11，工作时，与接地端14连接的导电针头和高压端15电极之间构成一个完整的电泳回路，

本实施例的石英毛细管10的内壁涂层制备方法包括如下步骤：（1）使用丙酮、超纯水、0.2 mol/L NaOH、超纯水、0.2 mol/L HCl、超纯水、甲苯依次冲洗石英毛细管；（2）使用体积比为25%的3-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷与甲苯溶液混合液冲洗毛细管；（3）使用硅橡胶密封石英毛细管两端，将其置于60℃水浴锅中水浴20小时，使得石英毛细管功能化；（4）使用甲苯冲洗毛细管，在氮气下干燥；（5）使用0.5 mol/L H₂SO₄对石英毛细管冲洗8小时使得石英毛细管内壁上形成二醇基团；（6）使用超纯水冲洗石英毛细管；（7）使用氮气对石英毛细管干燥。使用该制备方法获得的石英毛细管在长期的水样检测过程中对电渗流有着较好的抑制效果。

上述用于水环境现场监测的毛细管电泳仪结构简单，维护性好，检测精度高，适合现场水环境水质连续监测。

该毛细管电泳仪使用方法，包括如下步骤：

S1、系统初始化，六通阀5切换为上样状态，水样品与内标物在二通道蠕动泵作用下，经过混合盘管7混合后载入六通阀5的定量环内，关闭第一电磁阀3，打开第二电磁阀16，气源1输出16 psi压力驱动储液瓶4内的背景缓冲液冲洗石英毛细管10的进样口，冲洗持续时间15 s；

S2、六通阀5切换为进样状态，持续时间1 s；

S3、定量环内水样品/内标物混合液受气源1压力驱动流到三通接头6内，并确保石英毛细管左端口浸入到水样品/内标物混合液中，持续时间1 s；

S4、关闭第二电磁阀16，六通阀5切换为上样状态，气源1的压力驱动水样品/内标物混合液压入石英毛细管10中，持续时间4 s；

S5、打开第二电磁阀16，气源1压力驱动管内的缓冲液对接地端14的导电针头进行冲洗，冲洗持续15 s，目的在于清洗石英毛细管左端口、缓冲液储液室和导电针头在上一步残留的样品及内标物混合液，避免影响测量结果；

S6、关闭第二电磁阀16，将气源1的压力控制器2的输出设为0 psi，打开第一电磁阀3，释放管道内压力，使得石英毛细管10左端口和右端口与大气压平衡，释放持续5 s；

S7、根据分离需求对电极输入15 kv的高压直流电，当分离阳离子时，高压端15接直流负极，接地端14接直流正极；当分离阴离子时，高压端15接直流正极，接地端14接直流负极；同时自动触发非接触电导检测器11，进行电泳分离过程中的数据采集任务，检测持续时间480 s；

S8、关闭第一电磁阀3，打开第二电磁阀16，气源1输出16 psi压力驱动背景缓冲液冲洗缓冲液储液室13、导电针头，持续6 s；

S9、关闭第二电磁阀16，提高气源1输出压力到25 psi，驱动背景缓冲液快速冲洗石英毛细管10，冲洗持续60 s；目的在于使用背景缓冲液将石英毛细管内可能残留的样品与内标物冲洗干净，为下一次电泳正常进行做准备；

S10、将气源1的压力控制器2的输出设为0，打开第一电磁阀3，释放管道内压力，释放持续10 s。

上述使用方法请参见以下流程表。

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。表中“A”代表六通阀5处于上样状态; “B”代表六通阀5处进样状态; “开”代表处于通电开启状态；“-”表示处于断电状态。

使用本实施例的毛细管电泳仪，按照上述使用方法，在大约1700次电泳分析中，该毛细管电泳仪在迁移时间、峰高和峰面积方面的相对标准偏差均低于5.00%，证明该毛细管电泳仪可以长期持续工作。

使用本实施例毛细管电泳仪及其使用方法对桂林电子科技大学校内的相思湖水域的水样进行了检测，检测时背景缓冲液使用双(2-羟基乙胺基)三(羟甲基)甲烷/ 3-(N-吗啉基)丙磺酸(Bis-Tris/MOPS)及2 mM18-冠醚-6，内标物采用高氯酸锂(LiClO4)。在同一时段内采用了离子色谱方法对该水域水样进行了检测对比。图3为两种检测方法获得的典型的阴离子浓度随检测时间的变化趋势对比图，图4为同一时间段内使用本实施例毛细管电泳仪检测获得典型的阳离子浓度随检测时间的变化趋势，从图中可以判断，使用本实施例毛细管电泳仪检测和采用离子色谱方法检测获得的阴离子浓度两者变化趋势吻合，从而证明了该实施例的毛细管电泳仪及其使用方法可以在现场检测水样并准确获得其中阴阳离子浓度。

Claims (5)

1.一种用于水环境现场监测的毛细管电泳仪，包括进样装置，内壁涂层的石英毛细管和检测器，其特征为，所述进样装置包括气源、第一电磁阀、蠕动泵、过滤头、储液瓶、六通阀、第二电磁阀、第二缓冲液储液瓶、缓冲液储液室和三通接头；气源的出口通过压力控制器分别与第一电磁阀和储液瓶入口连接，第一电磁阀的出口与大气相通，所述蠕动泵通过过滤头与六通阀相接，储液瓶出口经六通阀后与三通接头上端口连接，三通接头的左端口通过缓冲液储液室连接第二电磁阀，第二电磁阀的出口接废液排出管，石英毛细管左端从三通接头右端口插入，插入的深度以超过或等于三通接头左、右两端口的间距一半为准，石英毛细管右端口连接第二缓冲液储液瓶，第二缓冲液储液瓶内设有与高压端连接的电极，三通接头左端口与第二电磁阀之间的管道内设有与接地端连接的导电针头，石英毛细管的中部靠右端外接设检测器，所述检测器为非接触电导检测器，工作时，与接地端连接的导电针头和高压端电极之间构成一个完整的电泳回路。

2.根据权利要求1所述的用于水环境现场监测的毛细管电泳仪，其特征为，所述石英毛细管左端口与三通接头左端口平齐。

3.根据权利要求1或2所述的用于水环境现场监测的毛细管电泳仪，其特征为，所述进样装置还包括混合盘管，所述蠕动泵为双通道蠕动泵，双通道蠕动泵其中一通道设有所述过滤头，该通道为水样品通道，另一通道为内标物通道，水样品通道与内标物通道合并后连接混合盘管的入口，混合盘管的出口与六通阀相接。

4.根据权利要求3所述的用于水环境现场监测的毛细管电泳仪，其特征为，所述石英毛细管的内壁涂层制备方法包括如下步骤：（1）使用丙酮、超纯水、0.1-1 mol/L NaOH、超纯水、0.1-1 mol/L HCl、超纯水、甲苯依次冲洗石英毛细管；（2）使用体积比为5-75%的3-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷与甲苯溶液混合液冲洗毛细管；（3）使用硅橡胶密封石英毛细管两端，将其置于20-80℃水浴锅中水浴2-24小时，使得石英毛细管功能化；（4）使用甲苯冲洗毛细管，在氮气下干燥；（5）使用0.01-1 mol/L H₂SO₄对石英毛细管冲洗1-12小时使得石英毛细管内壁上形成二醇基团；（6）使用超纯水冲洗石英毛细管；（7）使用氮气对石英毛细管干燥。

5.如权利要求3或4所述的任一用于水环境现场监测的毛细管电泳仪的使用方法，其特征为，包括如下步骤：

S1、系统初始化，六通阀切换为上样状态，水样品与内标物经过混合盘管混合后载入六通阀的定量环内，打开第二电磁阀，关闭第一电磁阀，气源输出压力驱动储液瓶内的背景缓冲液冲洗石英毛细管的进样口；

S2、六通阀切换为进样状态；

S3、定量环内水样品/内标物混合液受气源压力驱动流到三通接头内，并确保石英毛细管左端口浸入到水样品/内标物混合液中；

S4、关闭第二电磁阀，六通阀切换为上样状态，气源的压力驱动水样品/内标物混合液压入石英毛细管中；

S5、打开第二电磁阀，气源压力驱动管内的缓冲液对缓冲液储液室、接地端的导电针头进行冲洗，

S6、关闭第二电磁阀，将气源的压力控制器的输出设为0，打开第一电磁阀，释放管道内压力，使得石英毛细管左端口和右端口与大气压平衡；

S7、根据分离需求对电极输入高压直流电，当分离阳离子时，高压端接直流负极，接地端接直流正极；当分离阴离子时，高压端接直流正极，接地端接直流负极；同时自动触发非接触电导检测器，进行电泳分离过程中的数据采集任务；

S8、关闭第一电磁阀，打开第二电磁阀，气源输出气压驱动背景缓冲液冲洗缓冲液储液室、导电针头、接地端头；

S9、关闭第二电磁阀，提高气源输出压力，驱动背景缓冲液快速冲洗石英毛细管；

S10、将气源的压力控制器的输出设为0，打开第一电磁阀，释放管道内压力，等待进入下一次循环。