CN1275037C - 一种非接触电导检测器及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电导检测技术，是一种用于毛细管电泳、电色谱和微柱液相色谱的分离检测的检测器及检测方法。本发明包括函数信号发生器，检测电极，电极固定装置，信号处理电路，其两个检测电极为套筒式管状电极，直接套在毛细管两端；检测电极内壁与毛细管外周面之间有微小缝隙；电极固定装置主体为两块刻有凹槽的板，其中之一板上的凹槽内有两个小电极引线孔；检测电极置于凹槽内；两检测电极分别与信号处理电路连接；上述部件置于一金属屏蔽盒内；凹槽的轴心延线两端有毛细管导引装置，毛细管导引装置固接于金属屏蔽盒的侧壁上；检测电极引线从板上的引线孔引出与函数信号发生器的输出端直接连接。本发明结构简单，灵敏度高，检测准确，使用非常方便。

Description

一种非接触电导检测器及检测方法

技术领域

本发明涉及电导检测技术，特别是一种用于毛细管电泳、电色谱和微柱液相色谱的分离检测的检测器及检测方法。

背景技术

电导检测器已经广泛用于毛细管电泳的分离检测，其结构简单，对离子化合物的检测具有优势，特别是对安培检测电活性不高和光学吸收比较弱的一些小无机阳离子和阴离子的检测非常有效。用于毛细管电泳检测的电导检测器一般使用一对铂(Pt)微电极直接插入到激光打孔的毛细管内或置于分离毛细管末端，或在毛细管末端沉积一层金属薄膜作为检测电极。在电极上施加一定频率交流信号，当分离的样品经过检测电极时，由于样品和缓冲溶液间电导的差别，产生响应信号。由于检测电极同溶液直接接触，在所加电压的作用下，可能发生电极反应、及一些物质在电极上物理或化学的吸附作用，使得电极表面状态发生变化，影响电极的响应性能。因此，检测电极必须经常性的活化处理，必要时还必须将电极拆下来清洗，由于使用的是微电极，操作困难，使检测器实际使用很不方便，这也是这种传统电导检测器很难商品化的主要原因。

1998年，Zeman等人首次提出了电容耦合非接触电导检测(C₄D)的方法，用在毛细管电泳上成功的实现了对一些无机离子的检测。这种电导检测器的电极同溶液不直接接触，完全避免了传统电导检测器中电极易于污染的缺点，加之这种电导检测器使用的电极非常简单，分离毛细管只需简单的穿过检测电极即可，使用起来非常方便，易于商品化。所以，非接触电导检测器一经出现便在国际上引起重视，相关文献日渐增多。但目前国内对电容耦合非接触电导检测(C₄D)的研究才刚起步，还未见有任何相关的文献报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于电容耦合非接触电导检测(C₄D)原理的非接触电导检测器，其包括函数信号发生器，检测电极，电极固定装置以及相关的信号处理电路，并且检测器结构非常简单，灵敏度高，检测准确，使用非常方便。

本发明的另一目的是提供一种与非接触电导检测器相应的检测方法，主要用于毛细管电泳、电色谱和微柱液相色谱的分离检测。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种非接触电导检测器，用于毛细管电泳、电色谱和微柱液相色谱分离检测，包括函数信号发生器，检测电极，电极固定装置，信号处理电路，其两个检测电极为套筒式管状电极，其内径比分离毛细管的外径稍大，直接套在毛细管两端；检测电极内壁与毛细管外周面之间有微小缝隙；电极固定装置主体为两块刻有凹槽的板，其中之一板上的凹槽内有两个小电极引线孔；检测电极置于凹槽内；两检测电极分别与信号处理电路连接；上述部件置于一金属屏蔽盒内，电极固定装置由固定机构固接在金属屏蔽盒底面；凹槽的轴心延线两端有毛细管导引装置，毛细管导引装置固接于金属屏蔽盒的侧壁上；检测电极引线从板上的引线孔引出与函数信号发生器的输出端直接连接。

所述的非接触电导检测器，其所述检测电极，壁厚≤300μm，电极的长度在0.5～10mm；两个检测电极轴向相隔在2～5mm之间。

所述的非接触电导检测器，其所述检测电极，是由金属或其它导电材料制作的。

所述的非接触电导检测器，其所述检测电极，是由不锈钢材料制作的。

所述的非接触电导检测器，其所述检测电极，还可以使用金属丝绕成管状电极或使用金属薄片卷在分离毛细管外面作为检测电极。

所述的非接触电导检测器，其所述函数信号发生器，使用高频交流电作为信号激励源，直接作用在检测电极上；交流电的频率在10～1000KHz之间，交流电源的峰-峰电压V_p-p在10～50V之间。

所述的非接触电导检测器，其所述信号激励源，为多种波形的交流源。

所述的非接触电导检测器，其所述多种波形的交流源，为正弦，方波，三角波。

所述的非接触电导检测器，其所述电极固定装置主体为两块高分子绝缘板，检测电极轴向之间的距离通过电极引线孔之间的距离调节。

所述的非接触电导检测器，其所述高分子绝缘板为透明板，可直观观察毛细管在穿过检测电极时的情形。

所述的非接触电导检测器，其所述固定电极固定装置的固定机构为螺栓。

所述的非接触电导检测器，其所述信号处理电路的取样电阻在10～50kΩ之间；采用单级差动放大模式，交流放大的倍数在20～200倍之间；放大的交流信号经单向导通的二极管检波变为直流信号直接读出。

所述的非接触电导检测器，其所述毛细管导引装置，至少有两个，其二通的一端置于金属屏蔽盒两侧的孔中，由螺帽固接于金属屏蔽盒的侧壁；另一螺帽将二通的中心导管和硅胶垫固紧。

所述的非接触电导检测器，其所述毛细管导引装置的二通与电极固定装置上的V形槽处于同一条轴线上，以保证毛细管经二通、检测电极A、B套筒中顺利引出，并于二通两外端伸出一定的长度。

一种非接触电导检测器的检测方法，其先将两个检测电极套在毛细管外周面的两端，两个检测电极轴向相隔一定的距离；

让待检样品溶液从毛细管内流过，同时在毛细管的两端加上分离电压；

再将高频交流电直接作用在两个检测电极上，检测电极同毛细管内溶液形成电容，两个检测电极轴向间距间溶液形成一个电阻R，两个检测电极经毛细管内的溶液电耦合形成闭合回路；

使取样电阻同检测电极成串联关系，在V_p-p作用下，电路中有电流流过；

由于样品和缓冲溶液电导的差别，待检样品在流经检测区间引起取样电阻上的电压的变化，形成信号；

最后，产生的交流信号先放大，再进行检波变成直流信号输出，显示为检测结果。

所述的检测方法，其在取样电阻上形成的信号同待检测物质的浓度有关。

本发明的检测器具有以下优点：

该检测器使用的电极为管状电极，只需简单的套在毛细管的一端即可进行检测，易于制作，检测效果好；

使用的电极固定装置结构简单，固定效果好，比直接使用胶粘剂将电极固定在支撑板上显得灵活，可以方便的拆卸以调节电极的间距和改变电极的长短；

检测器应用时，只需将分离毛细管从毛细管导引二通穿过检测电极即可，不需要另外打开检测器的部件，操作容易；

使用的信号处理电路采用单级差动放大模式，电路非常简单，噪音小，易于获得好的信噪比和低的检测限；

采用的函数信号发生器可以提供很宽频程的正眩、方波和三角交流信号；

检测器的整体结构非常简单，使用方便，易于微型化，不用像光学检测器一样制作检测窗口，检测器测量准确，线性范围宽、响应值稳定、最小检测限低，可连续长期使用，易于商品化。

本发明电导检测器是一种通用性的检测器，对离子化合物的检测灵敏度比较高，采用一些特殊的分离方法和技术，可以用于非离子性化合物的检测，因此，发明的检测器可以用于无机离子，药物，氨基酸、蛋白质，肽，核酸，农药等生化和环境样品的分离检测。具体的说可以同毛细管电泳、电色谱和微柱液相色谱等分离手段结合，实现对上述物质的分离检测。

本发明的检测器经过适当的结构改造还可以用于芯片的分离检测。

附图说明

图1为本发明非接触电导检测器整体示意图(包括函数信号发生器部分，检测电极部分，信号处理电路部分)；

图2为检测电极在高频交流电作用下同分离毛细管和溶液形成的等效电路图；

图3为本发明检测器检测部分(包括电极和电极固定装置)的示意图；

图4为电极固定装置示意图；

图5为六种无机阳离子检测的分离谱图，其中：出峰顺序K⁺，Ba²⁺，Ca²⁺，Na⁺，Mg²⁺，Li⁺。

具体实施方式

下面结合附图详细说明检测器的结构、检测原理和方法。

图1为发明的非接触电导检测器整体示意图，本发明检测器的部件主要有：检测电极A、B，电极固定装置10，信号处理电路3，函数信号发生器1。

其中，虚框1为函数信号发生器，可以提供不同频率和振幅的正弦、方波和三角波交流信号源，直接作用在检测电极A、B上，其峰-峰电压最大为10伏。

虚框2为检测电极A、B，电极固定装置10和分离毛细管4，两个检测电极A和B，直接套在毛细管4两端；检测电极A、B为管状电极，内径比分离毛细管4的外径稍大，以使电极A、B可以套在分离毛细管4的外面，电极A、B与毛细管4之间的接触缝隙很小。电极A、B的壁厚要薄，控制在300μm以下，以减小两个电极A、B在空气中直接藕合的电容。电极A、B的长度一般在0.5～10mm左右，具体的长度应如实际检测时对分离效率和检测灵敏度的要求确定，电极A、B越短，检测得到的谱峰失真越小，但检测灵敏度变低；电极A、B越长，检测灵敏度越高，但降低了分离柱效。两个电极A、B之间的距离一般在2～5mm，距离短使分离效率高，但距离太短会增加检测电极A、B在空气中直接藕合的电容，使信噪比下降，不利于检测；距离过大使得分离效率下降，同时灵敏度也可能下降，不利于分离和检测。合适的拉伸不锈钢管或其它导体管可以用作本发明检测器的检测电极A、B。

参见图3、图4，电极固定装置10的主体为两块绝缘材料板10a、10b，如有机玻璃板等。两块板10a、10b上都有V形凹槽14，用于将电极A、B和毛细管4固定，以减小因外部振动引起的假信号或噪音。电极固定装置10由螺栓通过夹板固定孔13固定在屏蔽盒12内。在其中一块板10b上有两个电极引线孔15，改变这两个小孔15的距离就能改变检测电极A、B轴向之间的距离。

虚框3为信号处理电路，采用单级差动放大模式，R_s，R_m，R₀，分别是取样电阻，负反馈电阻和信号输出电阻，R_s一般在10～50kΩ之间，R_m取1MΩ，R₀在2～5kΩ之间，C是滤噪电容，取值在1～10μF之间；信号处理电路3主要由取样部分，交流信号放大部分，检波和直流信号采集等构成。取样电阻R_s与检测电极A、B是串联关系，电极A、B同溶液构成的总阻抗大约在几兆到几十兆之间，这与使用的缓冲体系、电极A、B长短和间距都有关系。在保证加上取样电阻R_s不影响总电路的情况下(也就是取样电阻要小于总阻抗的百分之一)，取样电阻R_s越大，产生的信号越大。交流放大采用的是单级差动放大模式，放大的倍数一般在几十倍到二百倍左右，以求有最佳的信噪比和最低的检测限。检波的作用是将交流信号变为直流信号，以便数据采集器进行信号读出。

虚框2和虚框3两部分放在一个金属屏蔽盒12内，以消除外部的干扰。

本发明的非接触电导检测器的工作原理为：高频交流信号作用在两个检测电极A、B上，由于毛细管4内的溶液是导电的，每个电极A、B同内部的溶液就构成一个圆柱状电容，聚酰亚胺涂层和石英管壁构成此电容的介质，在两个电极A、B之间的毛细管4内的溶液相当于一个电阻，由此构成的等效电路如图2，C₁，C₂分别为两个电极同溶液构成的电容，R为两电极间溶液等效的电阻。如图1所示，取样电阻R_s同C₁，C₂，R为串联关系，在电极上施加一定频率和振幅的交流电后，在上述回路会有电流，其大小满足欧姆定律：I_p-p＝V_p-p/Z_total(＝R+Z_c))，由于样品和缓冲溶液的电导不同，当样品区带流经检测电极A、B时，使得回路中阻抗(Z_total)改变，所以电流也发生变化，ΔI_p-p在取样电阻产生的ΔV_p-p就是反映样品浓度的信息，ΔV_p-p经运算放大器(OP)放大，再经检波成为可以读出的直流信号。

图3为检测部分，包括电极A、B、分离毛细管4、毛细管导引装置5和电极固定装置10。电极固定装置10为通明高分子塑料夹板，11为电极引线，A、B为检测电极，12为外部金属屏蔽盒。毛细管导引装置5，其包括螺帽6、9，硅胶垫7，二通8。毛细管导引装置5有两个，其二通8的一端置于金属屏蔽盒12两侧的孔中，由螺帽9固接于金属屏蔽盒12的侧壁；另一螺帽6将二通8的中心导管和硅胶垫7固紧。

具体操作方法：先将两个电极A、B放在无电极引线小孔15的板10a上的凹槽14内，再将另一块板10b放在上面，对准两块板凹槽14的位置，电极引线11从上面板的引线孔15引出，然后将两块板10a、10b固定在金属屏蔽盒12内，此过程同时也就将电极A、B牢固的固定在两块板10a、10b上的凹槽14内。检测电极A、B和函数信号发生器1及信号处理电路3构成如图1所示的闭合回路。在电极A、B两侧的毛细管导引装置5(由螺帽6、9，硅胶垫7，二通8构成)固定在金属屏蔽盒12的外面两侧，见图3所示，毛细管导引二通8与电极固定装置10上的V形槽必须处于同一条轴线上，以保证毛细管4经二通8、检测电极A、B顺利引出。在使用检测器时，将分离用的毛细管4顺序经过毛细管导引二通8(内衬有硅橡胶垫7)，检测电极A、B，毛细管导引二通8，并伸出一定的长度，在毛细管4的两端加上分离电压即可进行分离检测。

本发明为一种用于毛细管电泳、电色谱和微柱液相色谱分离检测用的非接触电导检测器和相应的检测方法。

本发明方法为非接触式电导检测，检测电极同溶液不接触；

使用高频的交流电压作为检测电极的激励信号，直接作用在检测电极上；

响应信号为样品和缓冲溶液(对电泳来说)间电导的差，信号同样品浓度成线性关系；

产生的交流信号先放大，再进行检波变成直流信号。

发明的非接触式电导检测器使用两个管状的检测电极，套在分离毛细管的外面；

两个检测电极分别同函数信号发生器的输出直接电连接；

电极固定装置主体为两个有凹槽的有机玻璃夹板，电极固定容易，可以灵活的拆卸电极以调节电极的间距和改变电极的长短；

检测器应用时，只需将分离毛细管从毛细管导引二通穿过检测电极即可，不需要另外打开检测器的部件，操作容易；

信号处理电路采用单级差动放大模式后，交流信号放大后在检波为直流信号。

实施例：

用于毛细管电泳分离检测几种无机阳离子；

电泳条件：分离电压+10KV，L＝50cm×50μm I.D×375μm 0.D，L_effi＝40cm，压力进样30s，高度10cm，缓冲液为10mM的MES/HIS(pH＝5.0，用2％乙酸调节)，所用水为高纯水，LiU，Na⁺，K⁺，Mg²⁺，Ca²⁺，Ba²⁺的浓度均为20μM；

检测条件：电极长为5mm，两电极间距为2mm，正弦交流电的频率为20KHz，函数信号发生器输出峰-峰电压V_p-p＝50V。分离谱图见图5。

Claims (16)

1、一种非接触电导检测器，用于毛细管电泳、电色谱和微柱液相色谱分离检测，包括函数信号发生器，检测电极，电极固定装置，信号处理电路，其特征在于，两个检测电极为套筒式管状电极，其内径比分离毛细管的外径稍大，直接套在毛细管两端；检测电极内壁与毛细管外周面之间有微小缝隙；电极固定装置主体为两块刻有凹槽的板，其中之一板上的凹槽内有两个小电极引线孔；检测电极置于凹槽内；两检测电极分别与信号处理电路连接；上述部件置于一金属屏蔽盒内，电极固定装置由固定机构固接在金属屏蔽盒底面；凹槽的轴心延线两端有毛细管导引装置，毛细管导引装置固接于金属屏蔽盒的侧壁上；检测电极引线从板上的引线孔引出与函数信号发生器的输出端直接连接。

2、如权利要求1所述的非接触电导检测器，其特征在于，所述检测电极，壁厚≤300μm，电极的长度在0.5～10mm；两个检测电极轴向相隔在2～5mm之间。

3、如权利要求1或2所述的非接触电导检测器，其特征在于，所述检测电极，是由金属或其它导电材料制作的。

4、如权利要求1或2所述的非接触电导检测器，其特征在于，所述检测电极，是由不锈钢材料制作的。

5、如权利要求1或2所述的非接触电导检测器，其特征在于，所述检测电极，还可以使用金属丝绕成管状电极或使用金属薄片卷在分离毛细管外面作为检测电极。

6、如权利要求1所述的非接触电导检测器，其特征在于，所述函数信号发生器，使用高频交流电作为信号激励源，直接作用在检测电极上；交流电的频率在10～1000KHz之间，交流电源的峰-峰电压V_p-p在10～50V之间。

7、如权利要求6所述的非接触电导检测器，其特征在于，所述信号激励源，为多种波形的交流源。

8、如权利要求7所述的非接触电导检测器，其特征在于，所述多种波形的交流源，为正弦，方波，三角波。

9、如权利要求1所述的非接触电导检测器，其特征在于，所述电极固定装置主体为两块高分子绝缘板，检测电极轴向之间的距离通过电极引线孔之间的距离调节。

10、如权利要求9所述的非接触电导检测器，其特征在于，所述高分子绝缘板为透明板，可直观观察毛细管在穿过检测电极时的情形。

11、如权利要求1所述的非接触电导检测器，其特征在于，所述固定电极固定装置的固定机构为螺栓。

12、如权利要求1所述的非接触电导检测器，其特征在于，所述信号处理电路的取样电阻在10～50kΩ之间；采用单级差动放大模式，交流放大的倍数在20～200倍之间；放大的交流信号经单向导通的二极管检波变为直流信号直接读出。

13、如权利要求1所述的非接触电导检测器，其特征在于，所述毛细管导引装置，至少有两个，其二通的一端置于金属屏蔽盒两侧的孔中，由螺帽固接于金属屏蔽盒的侧壁；另一螺帽将二通的中心导管和硅胶垫固紧。

14、如权利要求1或13所述的非接触电导检测器，其特征在于，所述毛细管导引装置的二通与电极固定装置上的V形槽处于同一条轴线上，以保证毛细管经二通、检测电极A、B套筒中顺利引出，并于二通两外端伸出一定的长度。

15、一种非接触电导检测器的检测方法，其特征在于，先将两个检测电极套在毛细管外周面的两端，两个检测电极轴向相隔一定的距离；

让待检样品溶液从毛细管内流过，同时在毛细管的两端加上分离电压；

再将高频交流电直接作用在两个检测电极上，检测电极同毛细管内溶液形成电容，两个检测电极轴向间距间溶液形成一个电阻R，两个检测电极经毛细管内的溶液电耦合形成闭合回路；

使取样电阻同检测电极成串联关系，在输出峰-峰电压V_p-p作用下，电路中有电流流过；

由于样品和缓冲溶液电导的差别，待检样品在流经检测区间引起取样电阻上的电压的变化，形成信号；

最后，产生的交流信号先放大，再进行检波变成直流信号输出，显示为检测结果。

16、如权利要求15所述的检测方法，其特征在于，在取样电阻上形成的信号同待检测物质的浓度有关。

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