CN202442992U - 一种低压电容耦合非接触电导检测器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种低压电容耦合非接触电导检测器，其中，所述低压电容耦合非接触电导检测器包括交流信号源、检测池和信号检测电路；所述检测池包括屏蔽电极、管状电极、第一塑料片和第二塑料片，第一塑料片和第二塑料片均为两个；所述屏蔽电极两侧各设一第一塑料片，所述屏蔽电极和第一塑料片上均设有一小孔，所述小孔的直径大于毛细管小于管状电极，所述第一塑料片外侧各设一管状电极，所述两个管状电极各经一第二塑料片固定，管状电极为中空结构，直径大于毛细管，所述的管状电极与屏蔽电极垂直。本实用新型能有效消除杂散电容及噪音，提高了检测灵敏度和稳定性，成本低、使用寿命长。

Description

一种低压电容耦合非接触电导检测器

技术领域

本实用新型涉及分离技术，尤其是涉及一种低压电容耦合非接触电导检测器。

背景技术

毛细管电泳(CE)是一类以毛细管为分离通道，以高压直流电场为驱动力，以样品中各组分的淌度(单位电场强度下的迁移速度)或分配行为的差异为依据的液相微分离分析技术。CE 是分析科学中继高效液相色谱之后的又一重大进展，它使分析科学从微升水平提高到纳升水平。毛细管电泳是近年来分析学科的研究热点，在复杂药物分析、环境分析、生物分析、医学研究等方面都取得了很大的进展。

毛细管电泳的检测技术主要包括紫外-可见吸收检测、激光诱导荧光检测、质谱、化学发光检测、电化学检测等。紫外检测是最常用的检测方法，但毛细管的检测光程很短，导致紫外检测的浓度灵敏度较低，而且紫外检测对没有紫外吸收的物质只能通过间接法检测。激光诱导荧光和化学发光检测的灵敏度很高，但只能检测有荧光和化学发光的物质，应用范围受到很大的限制。质谱检测器具有快速、准确、灵敏等优点，毛细管电泳进样量在纳克级，可得到很低的检测限，但是该检测技术存在谱带展宽，质谱仪价格昂贵，耗能较大，难以普及。

经过近年来的发展，非接触电导检测器作为毛细管电泳的一种检测方法越来越受到关注。这是因为普通的紫外检测对离子的检测灵敏度不够理想，而非接触电导检测器作为一个通用型检测器可以用来测量带电离子，例如无机离子、有机离子和生化物质。由于电容耦合非接触电导检测器(C₄D)可以对所有的带电粒子进行检测，因而发展成为了一种通用的毛细管电泳检测技术。C₄D 对于不能直接通过紫外检测的无机及有机离子的检测具有很大的优越性，而且不用像紫外检测那样制造精确的光学窗口。C₄D 检测器比其他 CE 检测器的价格要低的多而且使用寿命长。

Ga? 等人于上世纪 80 年代早期发表了第一篇关于电泳分离与电容耦合非接触电导检测(C₄D)的文章，在这篇报道中，他们使用一个放射状 C₄D 检测池用于较小阴离子的等速电泳分离测定。这种检测池是把四个薄的金属电极垂直地依次置于分离管道周围组成的，通过这四个电极可以实现交流电信号的输入与输出，从而感知电泳管内的电导变化，获得检测信号。

1998 年，Zemann 等和 do Lago 等分别同时提出了轴向排列的电容耦合非接触电动检测器。这种检测池由两个管状电极与分离毛细管组成，管状电极内径与毛细管外径相匹配。管状电极一般用注射器针头做成，或者在毛细管外涂一层导电银漆作为电极。两个电极间的毛细管即检测池。这种轴向的非接触电导检测器排列简单、容易制作，适合具有标准外径的毛细管使用。因此电容耦合非接触电导检测法近年来获得了迅速的发展，并在无机离子、有机物、生化等物质的分析应用方面取得了很大的进展。

2001 年 Zemann 发表了第一篇综述，概括了非接触电导检测器的基本原理及情况，之后在 2003 年他又对 C₄D 进展进行了总结。

在国内，中科院大连化学物理研究所的关亚风、谭峰课题组在 2003 年对影响无接触电导检测器检测限和线性范围的激发频率、峰峰电压(V_p-p)等因素进行了考察，并以 2-N-吗啡啉乙磺酸(MES)/组氨酸(His)为缓冲体系，用自制的检测器对 Li⁺，Na⁺，K⁺，Mg²⁺，Ca²⁺和 Ba²⁺等几种常见的无机离子进行了毛细管电泳分离检测，分析结果良好，取得了一定的进展。

C₄D 作为一种新型的检测技术，具有通用性强、价格低廉、使用寿命长等特点，具有广阔的应用前景。由于使用低电压激发，该检测系统对外界干扰的屏蔽及对噪音的过滤有着较高的要求，虽也有公开报道的低压电容耦合非接触电导检测器的制作，但仍然存在一些问题，如检测池、电子电路制作粗糙，检测器噪音较大等。故，有关于 C₄D 的研究和应用有待进一步深入。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种低压电容耦合非接触电导检测器，该系统有效消除了杂散电容及噪音，提高了检测灵敏度和稳定性，成本低、使用寿命长。

本实用新型采用以下技术方案：

一种低压电容耦合非接触电导检测器，其中，所述低压电容耦合非接触电导检测器包括交流信号源、检测池和信号检测电路；所述检测池包括屏蔽电极、管状电极、第一塑料片和第二塑料片，第一塑料片和第二塑料片均为两个；所述屏蔽电极两侧各设一第一塑料片，所述屏蔽电极和第一塑料片上均设有一小孔，所述小孔的直径大于毛细管小于管状电极，所述第一塑料片外侧各设一管状电极，所述两个管状电极各经一第二塑料片固定，管状电极为中空结构，直径大于毛细管，所述的管状电极与屏蔽电极垂直。

进一步，所述交流信号源包括波形发生部分和放大部分；所述波形发生部分采用文氏电桥振荡器。

进一步，所述信号检测电路包括放大电路、整流电路和基线调整电路。

进一步，所述放大电路采用两个放大器串接形成两级放大电路。

进一步，所述的管状电极上套一塑料管。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型优化设计了小型检测池结构，有效消除了杂散电容及噪音，提高检测灵敏度和稳定性；采用文氏电桥振荡器作为激励信号源电子电路，结合绝对值检波技术，检测器简单精准。本实用新型在两个管状电极间增加接地铜片和两个薄塑料片以有效减少杂散电容，并用两个厚塑料片固定两个管状电极使之与接地铜片保持垂直。本实用新型可对无机阴阳离子、糖类、氨基酸、多酚等物质进行分离，各物质都取得了较好的分离效果。本实用新型具有使用寿命长、系统体积小、性能稳定、重复性好、成本低廉、制作方法简单等优点。该检测系统不仅具有其他同类检测器的分离检测性能，还优化设计了小型检测池结构，有效消除了杂散电容及噪音，提高检测灵敏度和稳定性，并在信号源采用文氏电桥振荡器作为激励信号源，结合绝对值检波技术，检测器简单精准，因此在一定程度上提高了检测系统的性能。

    本实用新型的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本实用新型的实践中得到教导。本实用新型的目标和其他优点可以通过下面的说明书所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明：

图 1 是本实用新型中三明治式检测池的结构示意图；

图 2 是本实用新型中三明治式检测池的制作示意图；

图 3 是本实用新型中交流信号源的文氏电桥振荡器的电路图；

图 4 是本实用新型中信号检测电路的放大电路电路图；

图 5 是实用新型中信号检测电路的整流电路电路图；

图 6 是实用新型中信号检测电路的基线调整电路电路图；

图 7 是糖类混标五次实验重复性示意图；

图 8 是 4 种无机阳离子的电泳图；

图 9 是 4 种无机阴离子的电泳图；

图 10 是 13 种氨基酸的电泳图；

图 11 是 3 种多酚的电泳图；

图 12 是 6 种酚酸的电泳图；

图 13 是 3 种糖类的电泳图。

具体实施方式：

下面结合实施例对本实用新型作进一步描述：

如图1、图2所示，本实用新型包括交流信号源、检测池和信号检测电路。检测池包括屏蔽电极1、管状电极4、第一塑料片和第二塑料片；第一塑料片为薄塑料片2，第二塑料片为厚塑料片3，屏蔽电极1两侧各有一个薄塑料片2，两个薄塑料片2外侧有两个厚塑料片3，厚塑料片3中间穿孔，使管状电极4能够穿过，固定管状电极4。屏蔽电极1和两个薄塑料片2中间穿一个小孔，小孔的直径大于毛细管小于管状电极4，使毛细管5可以自由通过，管状电极4不能通过。管状电极4为中空结构，直径大于毛细管5，毛细管5可以从管状电极4穿过，两个管状电极4在一条直线上，与屏蔽电极1垂直。

本实用新型的检测池采用三明治式结构，其制作方法如下：

屏蔽电极1：把 0.01 mm 厚的铜片剪成圆片，直径 8 mm，中间穿一个小孔，使毛细管5可以自由通过而管状电极4不能通过，铜片一侧焊接铜线备用。

薄塑料片2：把厚度为 0.35 mm 的塑料片剪成圆片，直径 8 mm，在塑料片中间穿一小孔，使毛细管5可以自由通过，管状电极4不能通过。加工两片薄塑料片2备用。

厚塑料片3：把厚约 1.5 mm 的塑料片切成圆片，直径 6 mm，中间穿孔，使管状电极4能够穿过，它的作用是固定管状电极4、使之与接地铜片(即屏蔽电极1)垂直。加工两片厚塑料片3备用。

管状电极4：取医用注射器针头，用细锉截取一定长度，用砂纸将两端磨平，制作成 C₄D 检测电极。在每个管状电极4上焊接 6 cm 长铜丝作为电极引线。加工两个管状电极4备用。

在毛细管表面涂上一层甘油，把各部分组合起来形成三明治结构，用 502 胶粘牢(固定时始终保持管状电极4与屏蔽电极1垂直，且两个管状电极4在一条直线上)，各部分固定好后毛细管5仍然可以自由通过。最后在管状电极4上套一小段塑料管6，防止用环氧树脂密封检测池时把管状电极4堵塞。最后取环氧树脂适量，加入一定比例的固化剂，置于烧杯中加热搅拌数分钟，在检测池上均匀涂上一层环氧树脂胶，旋转使涂层均匀，待环氧树脂稍固化后放置一到两天完全固化即可。

交流信号源产生交流电压信号，电压幅度范围 0~20 V_P-P，频率范围 3 kHz~180 kHz 可调，输出波形为正弦波和方波。交流信号源包括波形发生部分和放大部分。波形发生部分采用文氏电桥振荡器，输出正弦信号经过放大，一路直接作为正弦输出；另一路经过过零比较器变换成方波输出。输出端采用电位器分压，对输出波形的幅度进行调整。

如图3所示，文氏电桥振荡器的放大器采用增益带宽为 4 MHz 的LF353，保证在输出信号的频率范围内增益稳定。同时要求放大倍数大于 3 保证电路产生振荡。RC 串并联网络构成正反馈及选频网络，R₁ 采用正温度系数电阻，使电压输出稳定。R₅ 和 R₆ 为同轴电位器，同时改变其阻值可以改变电路振荡频率，电路中对同轴电位器一致性要求较高，若调节时两路阻值相差较大时，输出波形的频率会受到影响，甚至停振。同时切换 C₁ 和 C₂ 容值可以扩展振荡频率；调节 R₃ 可以改变正弦波输出幅度。

信号检测电路包括放大电路、整流电路和基线调整电路。信号检测电路将被测信号放大输出，放大倍数 140~440 可调，输出交流和直流信号，直流输出基线 -13 V~13 V 可调。被测信号经高精度放大电路后一路作为交流输出，另一路经整流滤波送至基线调整电路，然后作为直流输出。各部分电路以阻容形式耦合，滤除波形信号频段以外的噪音及干扰信号，提高电路的总体性能。

如图4所示，放大电路采用放大器 OPA2132 以串接形式形成两级放大，提供合适的放大倍数，OPA2132 具有很低的电压噪声和较宽的增益带宽积(8 MHz)，保证了检测器电路的性能。同时，调整 R₇ 的阻值可以在一定范围内对放大倍数进行控制。

如图5、图6所示，整流电路实现对交流信号的精密整流和滤波，变为直流信号。基线调整电路将整流和滤波后的直流与基准电压进行比较，调整基准电压改变放大器两输入端电压差值，实现输出直流电压的调整。

本实用新型使用文氏电桥振荡器经放大电路输出正弦波形，再经过比较器输出方波，该输出波形进过检测池进入信号检测电路。输入信号经放大电路将有用信号及噪音同时放大，通过整流滤波和基线调整放大信号滤掉噪音，最终直流输出信号，收集数据并进行分析。

本实用新型可提供 0~20 V_P-P电压范围，频率范围 3 kHz~180 kHz 可调。放大倍数 140~440 可调，输出交流和直流信号，直流输出基线 -13 V~13 V 可调。检测池电极长度 6 mm，电极间距 1 mm，当使用内径为 100 μm 的毛细管时，检测池体积小于 8 nL。为了减小噪音，还可对本实用新型进行优化，首先对交流信号源的设计进行了改进，减小了交流激发电压的噪音；其次，用铜片对信号检测电路进行了屏蔽，防止了其它电子元件对微弱的输出信号的影响，优化后的本实用新型基线噪音减小至 1~2 mV，检测灵敏度得到很大提高。

如图7所示，对糖类 0.2 mol/L 混标进行了五次重复性实验，以测试本实用新型的稳定性。电泳条件，使用毛细管柱， 50 μm i.d. × 50 cm(有效长度 40 cm)；缓冲溶液， 15 mmol/L NaOH + 5 mmol/L Na₂HPO₄ + 200 μmol/L CTAB；分离电压，-22 kV；压力进样，50 mbar × 3 s；温度，25℃。样品为葡萄糖(0.04 mol/L)+果糖(0.04 mol/L)+蔗糖(0.04 mol/L)。 

重复性实验结果：样品连续进样五次，分别计算三个峰的保留时间和峰面积的相对标准偏差。果糖的分别为 0.242% 和 6.258%，葡萄糖的分别为 0.436% 和 7.459%，蔗糖的分别为 0.959% 和 6.538%。

电导检测器的时间稳定性：电导检测器连续运行 500 min，基线平稳、无漂移，噪音稳定(1~2 mV)。这说明检测器电子电路时间稳定性好，符合日常使用要求。

检测器灵敏度：在上述实验条件下，果糖、葡萄糖和蔗糖的最低检出限可以达到 0.1 mg/mL(S/N=3)。由于糖类和醇类物质的电导率较小，导致其电导检测灵敏度较低，这是由方法本身造成的。非接触电导检测是基于缓冲溶液背景电解质与待测离子电导率存在差别进行定量，因此分析物、缓冲溶液的选择在很大程度上都会影响非接触电导检测的灵敏度。

以上实验结果说明本实用新型的时间重复性好，保留时间及峰面积重复性好，可以保证测试结果的重复性与准确性。

本实用新型可用于无机阴阳离子、糖类、氨基酸、多酚等物质的分离，各物质都取得了较好的分离。所有分离测定均在 25℃ 下进行，每种样品至少测定 3 次。实验结果如图 8-13 所示。

图 8 是 4 种无机阳离子的电泳图。图中，1. NH₄ ⁺，2. K⁺，3. Na⁺，4. Li⁺；电泳条件，石英毛细管柱，50 μm × 50 cm (有效长度 40 cm)；缓冲溶液，10 mmol/L MES + 10 mmol/L His (pH 5.5，HAc调)；分离电压，25 kV；压力进样，50 mbar × 2 s。

现有技术中，由于无机离子的紫外吸收较弱，故只能用间接紫外法检测，从而使灵敏度降低，同时由于生物大分子用紫外法检测灵敏度不高，所以对这些物质的毛细管电泳分离就存在着检出限低等缺点。用本实用新型检测上述紫外检测法灵敏度不高的物质，使分离物质带电成为带电粒子，从而根据其电导率的差异对其进行分离检测。 

图 9 是 4 种无机阴离子的电泳图。图中，1. Cl^-；2. F^-；3. C₂O₄ ^2-；4. SO₄ ^2-；电泳条件，石英毛细管柱，50 μm × 50 cm (有效长度 40 cm)；缓冲溶液，15 mmol/L MES/His + 200 μmol/L CTAB  (pH 5.85，用HAc调)；分离电压，-18 kV；压力进样，50 mbar × 2 s。

图 10 是 13 种氨基酸的电泳图。图中，1. L-精氨酸；2. L-组氨酸；3. 氨基乙酸；4. L-丙氨酸；5. L-缬氨酸；6. L-异亮氨酸；7. L-丝氨酸；8. DL-苏氨酸；9. L-天冬酰胺；10. L-甲硫氨酸；11. L-色氨酸；12. L-脯氨酸；13. L-半胱氨酸；电泳条件，石英毛细管柱，75 μm i.d. × 80 cm(有效长度 65 cm)；缓冲溶液，1.7 mol/L HAc + 0.1% w/w羟甲基纤维素；分离电压，20 kV；压力进样，50 mbar × 3 s。

图 11 是 3 种多酚的电泳图。图中，1. 莰菲醇-3-芸香糖苷；2. 间苯二酚；3. 莰菲醇；电泳条件，石英毛细管柱，50 μm i.d. × 50 cm (有效长度 38 cm)；缓冲溶液，150 mmol/L 2-氨基-2-甲基-1-丙醇 (pH, 11.27)；分离电压，20 kV；压力进样，50 mbar × 10 s。

图 12 是 6 种酚酸的电泳图。图中，1. 2-甲氧基苯甲酸；2. 香草酸；3. 4-羟基-3-甲氧基肉桂酸；4. 2-甲氧基肉桂酸；5. 苯甲酸；6. 水杨酸；电泳条件，石英毛细管柱，50 μm i.d. × 50 cm (有效长度 38 cm)；缓冲溶液，150 mmol/L 2-氨基-2-甲基-1-丙醇 (pH, 11.27)；分离电压，20 kV；压力进样，50 mbar × 10 s。

图 13 是 3 种糖类的电泳图。图中，1. 果糖；2. 葡萄糖；3. 蔗糖；电泳条件，石英毛细管柱，50 μm i.d. × 53 cm (有效长度 43 cm)；缓冲溶液，15 mM NaOH + 5 mM Na₂HPO₄ + 200 μM CTAB；分离电压，-22 kV；压力进样，50 mbar × 2 s。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种低压电容耦合非接触电导检测器，其特征在于：所述低压电容耦合非接触电导检测器包括交流信号源、检测池和信号检测电路；所述检测池包括屏蔽电极、管状电极、第一塑料片和第二塑料片，第一塑料片和第二塑料片均为两个；所述屏蔽电极两侧各设一第一塑料片，所述屏蔽电极和第一塑料片上均设有一小孔，所述小孔的直径大于毛细管小于管状电极，所述第一塑料片外侧各设一管状电极，所述两个管状电极各经一第二塑料片固定，管状电极为中空结构，直径大于毛细管，所述的管状电极与屏蔽电极垂直。

2.根据权利要求1所述的一种低压电容耦合非接触电导检测器，其特征在于：所述交流信号源包括波形发生部分和放大部分；所述波形发生部分采用文氏电桥振荡器。

3.根据权利要求1或2所述的一种低压电容耦合非接触电导检测器，其特征在于：所述信号检测电路包括放大电路、整流电路和基线调整电路。

4.根据权利要求3所述的一种低压电容耦合非接触电导检测器，其特征在于：所述放大电路采用两个放大器串接形成两级放大电路。

5.根据权利要求1所述的一种低压电容耦合非接触电导检测器，其特征在于：所述的管状电极上套一塑料管。

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