CN203241377U - 一种基于磁铁的毛细管电泳电化学检测电极定位装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属毛细管电泳技术领域，具体为一种基于磁铁的毛细管电泳电化学检测电极定位装置。该装置由内含磁铁的电极支架、检测电极、毛细管、检测池、毛细管定位管、电极定位管、螺杆、测微头等组成。测微头通过安装套管固定在底板上，其螺杆的外径与电极支架上圆孔的直径相同，通过磁铁使螺杆的顶端附着在圆孔中并可自由旋转；毛细管定位管和电极定位管分别安装在检测池的两侧壁上并同心准直，毛细管固定在定位管中，检测电极安装在电极支架上的小孔中，插入定位管后与毛细管准直，通过旋转测微头的旋钮使电极支架带动检测电极前后移动，实现毛细管出口和检测电极间距离的精密调节。

Description

一种基于磁铁的毛细管电泳电化学检测电极定位装置

技术领域

本实用新型属毛细管电泳技术领域，具体涉及一种基于磁铁的毛细管电泳电化学检测电极定位装置。

背景技术

毛细管电泳是是一种以高压电场为驱动力，以毛细管为分离通道，依据样品中各组分之间淌度和分配行为上的差异而实现分离分析的高效液相分离方法。自从1981年Joegenson和Luckas首次提出毛细管电泳以来[1]，该技术以其高效、快速、分离度高、灵敏度高、试剂用量少、低耗及集成度高等优点引起了国内外分析和生命科学界有关专家的广泛关注，在生物医学研究、食品药品分析、临床诊断、环境监测等领域获得了广泛的应用[2, 3]。

毛细管电泳仪器系统主要包括分离毛细管、高压直流电源、缓冲溶液池、检测器、数据记录和处理单元等，目前毛细管电泳常用的检测技术有紫外吸收检测法、激光诱导荧光检测法、质谱检测法和电化学检测法等。其中电化学检测具有灵敏度高、耗电少、死体积小、电极及控制仪器小巧易集成等优点，是毛细管电泳理想的检测技术，近年来得到了越来越广泛的重视。

电化学检测常用离柱检测[4]和柱端检测[5]两种检测模式，对于离柱电化学检测，分离毛细管和检测毛细管间用多孔接点隔离分离电压；对于端柱电化学检测，微盘检测电极位于毛细管出口处。对于毛细管电泳电化学检测，分离毛细管和检测电极间的精确定位是制约其广泛应用的主要因素[3]。通常采用三维可调微操纵器来使检测电极与毛细管出口对齐，由于每次手工调节的重现性差，影响毛细管电泳分析的准确度和精密度。三维可调微操纵器体积较大，集成度不高，抗震性能不佳，定位操作复杂、费时，需要专业的操作人员[3]。所以，开发简便低成本的毛细管电泳检测电极定位装置，简化操作步骤，提高检测电极的定位重现性和精度对毛细管电泳电化学检测技术的发展和应用具有重要意义。

本实用新型利用同心准直的毛细管定位管和检测电极定位管使毛细管和检测电极对齐，借助内含磁铁的电极支架和测微头，通过旋转测微头的旋钮使电极支架带动检测电极前后移动，实现毛细管出口和检测电极顶端间距离的精密调节。本实用新型具有加工简便、成本低、高集成度、操作简便和定位精度高等优点，并可与微流控芯片、毛细管电色谱、流动注射等技术联用，在环境监测、临床诊断、食品药品分析等领域有良好的应用前景。

参考文献

[1] Jorgenson, J.W., Lukacs, K.D., Anal. Chem. 1981, 53, 1298–1302.

[2]   Yu, H., Xu, X.Y., Sun, J.Y., You, T.Y., Cent. Eur. J. Chem. 2012, 10, 639-651.

[3]   Chen, G., Zhu, Y.Z., Wang, Y.F., Xu, X.J., Lu, T., Current Med. Chem. 2006, 13, 2467–2485.

[4]   O’Shea, T.J., Lunte, S.M., Anal. Chem. 1993, 65, 948–951.

[5]   Chen, Q.W., Zhang, L.Y., Chen, G., Anal. Chem. 2012, 84, 171–178.。

发明内容

本实用新型的目的在于提出一种制作简单、价格低廉、集成度高，且操作简便、重现性好的基于磁铁的毛细管电泳电化学检测电极定位装置。

本实用新型提出的基于磁铁的毛细管电泳电化学检测电极定位装置，其结构如附图1所示，由内含磁铁3的电极支架14、检测电极8、毛细管9、毛细管定位管11、检测电极定位管13、检测池12、测微头17、钢质螺杆15、安装套管16和底板22组成；磁铁3安装于一面开有圆孔4的电极支架14中；安装套管16安装于底板22上，并将测微头17固定，钢质螺杆15的外径与圆孔4的直径相同，通过磁铁3的磁力使钢质螺杆15的顶端附着在圆孔4中并可自由旋转；在测微头17和磁铁3间设有一层25-100微米厚的用于减少摩擦的涤纶薄膜5；毛细管定位管11和电极定位管13分别安装在检测池12相对的两侧壁上，且两者同心准直，毛细管9通过硅橡胶片10固定在毛细管定位管11中，检测电极8通过两片硅橡胶片7固定在电极支架14上的小孔6中，并通过电极定位管13与毛细管9出口准直；通过调节测微头17的旋钮使吸在磁铁3上的圆柱形钢质螺杆15带动安装有检测电极8的电极支架14前后移动，以实现毛细管11出口和检测电极8顶端间距离的高精度调节。

本实用新型中，用于制作检测电极定位装置的磁铁3可为钕铁硼磁铁、铁氧体磁铁或磁钢等，是长方体块，尺寸为15-25 mm × 8-15 mm × 1-3 mm。根据磁铁3的尺寸，将0.5-2 mm厚的有机玻璃板或者聚苯乙烯板通过数控激光切割机切割成小片，通过氯仿等有机溶剂粘合可得电极支架14，其外部尺寸为30-40 mm × 17-30 mm × 4-6 mm，内部空间尺寸为25-35 mm × 15-25 mm × 1-3 mm，内部空间长度和宽度与磁铁3的长度和厚度一致，电极支架14底部填充用有机玻璃片或者聚苯乙烯片确定磁铁3的位置。

本实用新型中，电极支架14的顶部用于安装检测电极的两个小孔6为方孔，其尺寸为：1.5-3.5 mm × 4-6 mm，借助两片硅橡胶片7（1.5-3.5 mm × 1.5-2.5 mm × 6-8 mm），将检测电极安装在支架14上；电极支架14的一面中部的圆孔4直径为6 mm，圆孔中心距离底板22底部为10-20 mm。

本实用新型中，测微头17有市售，精度为0.01 mm，其螺杆的行程为0-25 mm，通过一个圆筒形的有机玻璃片或者聚苯乙烯套管16（内径13 mm，外径18 mm，长18 mm），固定在底板22上，圆筒形套管16两侧有粘合在底板22上的两个有机玻璃或者聚苯乙烯垫片18（3 mm × 3 mm × 18 mm），增加圆筒形套管16在底板上的粘合强度和稳定性。底板22为透明的有机玻璃或者聚苯乙烯板（15-25 mm × 40-60 mm × 3-7 mm）。检测池12及其支架采用厚度为1-3 mm的透明有机玻璃片或者聚苯乙烯片粘合而成，检测池12的内部尺寸为15-30 mm × 10-20 mm × 10-20 mm，通过机械钻孔和粘合的工艺将毛细管定位管11、检测电极定位管13、参比电极19、辅助电极20、接地电极21安装在检测池12中，毛细管定位管11、检测电极定位管13位于检测池12的上部区域，参比电极19、辅助电极20、接地电极21位于检测池12的中部区域，其位置参见图1所示。

本实用新型中，毛细管定位管11的内径0.35-0.6 mm，外径0.6-1 mm，长10-20 mm，检测电极定位管13的内径0.35-0.6 mm，外径0.6-1 mm，长10-20 mm，毛细管定位管11和检测电极定位管13的内径比插入其中的毛细管9和检测电极8的外径高出20-50 μm，均采用不锈钢毛细管制作，安装前，先将毛细管（内径10-320 μm，外径320-450 μm）插入两个管子，然后将毛细管定位管11和检测电极定位管13分别插入检测池12的向对的两侧壁的孔中，用透明环氧树脂粘合，固化后可使两个定位管同心准直。其中辅助电极20和接地电极21全部使用铂丝（直径100-500 μm），参比电极19为银/氯化银电极。

本实用新型中，检测电极的制作方法为：如附图2所示，将铜丝24（直径100-200 μm，长10-20 cm）一头插入一根熔融石英毛细管23（内径50-320 μm，外径320-450，长3-6 cm）中，铜丝24在管内的一端离毛细管末端约4 mm，毛细管23另一端通过热熔胶25与铜丝固定。将环氧树脂与固化剂调匀后与导电材料如石墨粉按质量比1:1混合并调匀，将毛细管末端垂直插入该混合物，直至混合物与管内的铜丝24接触，于50-70 ℃烘箱中加热40-80分钟后，末端电极填充材料26用金相砂纸磨成圆盘得电极端面，即制成检测电极21。将全部部件按照附图1安装到位即得基于磁铁的毛细管电泳电化学检测电极定位装置。

基于本实用新型的毛细管电泳电化学检测电极8的定位方法：将毛细管9插入毛细管定位管11中，并在检测池内露出约1-3 mm，通过检测池外的硅橡胶固定片10使毛细管9固定，然后，调节测微头17使检测电极8插入电极定位管13，直至其顶端与毛细管9出口接触，然后旋转测微头17的旋钮，使钢质螺杆15带动检测电极8回缩10-100 μm，实现基于毛细管电泳电化学检测电极的高精度定位。

本实用新型结构简单、加工简便、成本低、集成度高、操作简便、定位精度和定位重现性高，毛细管9和检测电极8间的准直定位无需使用结构复杂且稳定性差的三维操纵仪。本实用新型中采用了一体化设计，检测池12和检测电极支架14均固定在底板14上，底座的震动和位置的移动不会造成对准后的毛细管出口与检测电极8间相对位置的改变，增强了整个系统的稳定性和重现性。本实用新型在环境监测、生物医学分析、食品分析等领域有良好的应用前景。

附图说明

图1为本实用新型的设计示意图。其中，（A-C）为含磁铁3的电极支架14的正视图（A）、侧视图（B）和斜视图（C）；（D）为夹于两片硅橡胶片7间的检测电极8；（E）为安装有检测电极8的电极支架14的斜视图；（F）为基于磁铁3和测微头17的毛细管电泳电化学检测电极定位装置斜视图。

图2为本实用新型中检测电极的制作过程示意图。

图3为使用本实用新型检测对苯二胺（a）、间氨基酚（b）和间苯二酚（c）（浓度均为0.5 毫摩尔/升）的标准混合溶液的毛细管电泳图谱。

图4为本实用新型用于对苯二胺（a）、间氨基酚（b）和间苯二酚（c）（浓度均为0.5 毫摩尔/升）标准混合溶液的毛细管电泳电化学检测获得的峰电流和定位次数的关系曲线。

图5为使用本实用新型检测染发剂中对对苯二胺（a）、间氨基酚（b）和间苯二酚（c）的毛细管电泳图谱。

图中标号：1为检测电极固定孔，2为有机玻璃支架，3为磁铁，4为定位圆孔，5为涤纶薄膜，6为检测电极安装孔，7为电极固定用硅橡胶片，8为检测电极，9为毛细管，10为毛细管固定用硅橡胶片，11为毛细管定位管，12为检测池，13为检测电极定位管，14为含磁铁的检测电极支架，15为钢质螺杆，16为有机玻璃套管，17为有机玻璃垫片，18为检测电极引导管，19为银/氯化银参比电极，20为辅助电极，21为接地电极，22为有机玻璃底板，23为石英毛细管，24为铜丝，25为热熔胶，26为电极填充材料。

具体实施方式

下面通过实施例和附图进一步描述本实用新型：

（1）含磁铁的电极支架14的加工

用于制作检测电极定位装置的磁铁3可为钕铁硼磁铁，尺寸为20 mm × 10 mm × 2 mm。根据磁铁3的尺寸，将1 mm厚的有机玻璃板通过数控激光切割机切割成小片，通过氯仿等有机溶剂粘合可得电极支架14，其外部尺寸为32 mm × 24 mm × 4 mm，内部空间尺寸为25 mm × 20 mm × 2 mm，要求内部空间长度和宽度与磁铁3的长度和厚度一直，电极支架底部填充两片1 mm厚有机玻璃片确定磁铁3的底边离底板的高度为7 mm。电极支架14的顶部加工了两个方孔(2 mm × 4 mm)，借助两片硅橡胶片7（2 mm × 2 mm × 7 mm），将检测电极8安装在支架14上。支架14的一面中部加工一个直径为6 mm的圆孔4，圆孔中心距离底板22底部约12 mm。

（2）检测电极8的制作

如附图2所示，将铜丝24（直径150 μm，长15 cm）一头插入一根熔融石英毛细管23（内径250 μm，外径370，长4 cm）中，铜丝24在管内的一端离毛细管末端约4 mm，毛细管另一端用热熔胶25与铜丝24固定。将环氧树脂与固化剂调匀后与导电材料如石墨粉按质量比1:1混合并调匀，将毛细管末端垂直插入该混合物，直至混合物与管内的铜丝接触，于60 ℃烘箱中加热60分钟后，末端电极填充材料26用金相砂纸将电极头磨成圆盘，即制成检测电极21。

（3）基于磁铁的毛细管电泳电化学检测电极定位装置的加工和装配

如附图1所示，本实用新型由内含磁铁3的电极支架14、硅橡胶片7、检测电极8、毛细管9、毛细管定位管11、检测电极定位管13、检测池12、测微头17、安装套16和底板22等组成，磁铁3装于一面开有圆孔4的电极支架14中。通过固定在底板22上的安装套16可将测微头17固定，钢质螺杆15的外径与圆孔4的直径相同，通过磁铁3的磁力使螺杆15的顶端附着在圆孔4中并可自由旋转，在测微头17和磁铁3间有一层50微米厚的涤纶薄膜5以减少摩擦。毛细管定位管11和电极定位管13分别安装在检测池12相对的两侧壁上，要求同心准直，毛细管9通过硅橡胶固定片10固定在毛细管定位管11中，检测电极8通过两片硅橡胶片7固定在电极支架14上的小孔中，并通过电极定位管13与毛细管9出口准直。通过调节测微头17的旋钮使吸在磁铁3上的圆柱形钢质螺杆15带动安装有检测电极8的电极支架14前后移动，从而实现毛细管11出口和检测电极8顶端间距离的高精度调节。

本实用新型中市售测微头17精度为0.01 mm，其螺杆的行程为0-25 mm，通过一个圆筒形的有机玻璃片套管16（内径13 mm，外径18 mm，长18 mm），固定在底板22上，圆筒形套管16两侧有粘合在底板22上的连个有机玻璃垫片18（3 mm × 3 mm × 18 mm），增加圆筒形套管16在底板上的粘合强度和稳定性。底板22为透明的有机玻璃板（20 mm × 50 mm × 5 mm）。检测池12及其支架采用厚度为2 mm的透明有机玻璃片粘合而成，检测池12的内部尺寸为20 mm × 15 mm × 15 mm，通过机械钻孔和粘合的工艺将毛细管定位管11、检测电极定位管13、参比电极19、辅助电极20、接地电极21按照附图1所示安装在相应位置。毛细管定位管11（内径0.4 mm，外径0.7 mm，长15 mm）和检测电极定位管13（内径0.4 mm，外径0.7 mm，长15 mm）的内径比插入其中的毛细管9和检测电极8的外径高约30 μm，均采用不锈钢毛细管。安装前，先将毛细管（内径25 μm，外径370 μm）插入两个管子，然后将毛细管定位管11和检测电极定位管13分别插入检测池12的向对的两侧壁的孔中，用透明环氧树脂粘合，固化后可使两个定位管同心准直。其中辅助电极20和接地电极21均为铂丝（直径250 μm），参比电极19为银/氯化银电极。

（4）基于磁铁的毛细管电泳电化学检测电极定位装置的操作及其应用

将毛细管9插入毛细管定位管11中，并在检测池内露出约2 mm，通过检测池外的硅橡胶固定片10使毛细管9固定，然后，调节测微头17使检测电极8插入电极定位管13，直至其顶端与毛细管9出口接触，然后旋转测微头17的旋钮，使钢质螺杆15带动检测电极8回缩50 μm，实现基于毛细管电泳电化学检测电极的高精度定位。

为了测试本实用新型的性能，将其与高压直流电源和电化学检测器组装成毛细管电泳电化学检测系统，用于0.5 毫摩尔/升的对苯二胺（a）、间氨基酚（b）和间苯二酚（c）标准混合溶液的的毛细管电泳分离分析，获得电泳图谱见附图3，三个组分可在11分钟内完全分离，结果令人满意。测试条件为：分离和进样电压为9 kV，进样时间为5 s，缓冲溶液为50 mM硼酸盐缓冲液 (pH 9。2)，检测电极为直径250 μm石墨-环氧树脂复合材料圆盘电极，检测电位为+0.8 V (相对于银/氯化银参比电极)。

附图4为使用本实用新型检测0.5 毫摩尔/升的对苯二胺、间氨基酚和间苯二酚标准混合溶液的峰电流和定位次数的关系曲线， 15次定位测得的对苯二胺、间氨基酚和间苯二酚峰电流的相对标准偏差分别为4.2 %、4.4%和3. 5%，表明本实用新型的定位重现性良好。

为进一步验证本实用新型的实用性，研制的基于磁铁的毛细管电泳电化学检测电极定位装置还被用于染发剂中对苯二胺、间氨基酚和间苯二酚的检测（附图5），测得某品牌染发剂中对苯二胺、间氨基酚和间苯二酚的含量分别为24.49, 2.836和1.741 mg/g，符合国家标准。

Claims (7)

1. 一种基于磁铁的毛细管电泳电化学检测电极定位装置，其特征在于由内含磁铁（3）的电极支架（14）、检测电极（8）、毛细管（9）、毛细管定位管（11）、检测电极定位管（13）、检测池（12）、安装套管（16）、测微头（17）、钢质螺杆（15）、安装套管（16）和底板（22）组成；磁铁（3）安装于一面开有圆孔（4）的电极支架（14）中；安装套管（16）安装于底板（22）上，并将测微头（17）固定，钢质螺杆（15）的外径与圆孔（4）的直径相同，通过磁铁（3）的磁力使钢质螺杆（15）的顶端附着在圆孔（4）中并可自由旋转；在测微头（17）和磁铁（3）间设有一层25-100微米厚的用于减少摩擦的涤纶薄膜（5）；毛细管定位管（11）和电极定位管（13）分别安装在检测池（12）相对的两侧壁上，且两者同心准直，毛细管（9）通过硅橡胶片（10）固定在毛细管定位管（11）中，检测电极（8通过两片硅橡胶片7固定在电极支架（14上的小孔（6）中，并通过电极定位管（13）与毛细管（9）出口准直；通过调节测微头（17）的旋钮使吸在磁铁（3）上的圆柱形钢质螺杆（15）带动安装有检测电极（8）的电极支架（14）前后移动，以实现毛细管（11）出口和检测电极（8）顶端间距离的高精度调节。

2. 根据权利要求1所述的基于磁铁的毛细管电泳电化学检测电极定位装置，其特征在于所述的毛细管（9）插入在毛细管定位管（11）中，在检测池（12）内露出1-3毫米，调节测微头（17）使检测电极（8）的顶端与毛细管（9）出口接触，然后旋转测微头（17）的旋钮，使钢质螺杆（15）带动检测电极（8）回缩10-100微米，实现检测电极的高精度定位。

3. 根据权利要求1所述的基于磁铁的毛细管电泳电化学检测电极定位装置，其特征在于所述磁铁（3）为钕铁硼磁铁、铁氧体磁铁或磁钢，是长方体块，尺寸为15-25 mm× 8-15 mm × 1-3 mm。

4. 根据权利要求3所述的基于磁铁的毛细管电泳电化学检测电极定位装置，其特征在于所述的电极支架（14），其外部尺寸为30-40 mm × 17-30 mm × 4-6 mm，内部空间尺寸为25-35 mm × 15-25 mm × 1-3 mm，内部空间长度和宽度与磁铁（3）的长度和厚度一致，电极支架(14）底部填充用有机玻璃片或者聚苯乙烯片确定磁铁（3）的位置。

5. 根据权利要求3所述的基于磁铁的毛细管电泳电化学检测电极定位装置，其特征在于所述的电极支架（14）顶部用于安装检测电极的两个小孔（6）为方孔，其尺寸为：1.5-3.5 mm × 4-6 mm；电极支架（14）的一面中部的圆孔（4）直径为6 mm，圆孔中心距离底板（22）底部为10-20 mm。

6. 根据权利要求3所述的基于磁铁的毛细管电泳电化学检测电极定位装置，其特征在于所述的检测池（12）的内部尺寸为15-30 mm × 10-20 mm × 10-20 mm。

7. 根据权利要求6所述的基于磁铁的毛细管电泳电化学检测电极定位装置，其特征在于所述的毛细管定位管（11）的内径为0.35-0.6 mm，外径为0.6-1 mm，长为10-20 mm，检测电极定位管（13）的内径为0.35-0.6 mm，外径为0.6-1 mm，长为10-20 mm；毛细管定位管（11）、检测电极定位管（13）的内径比插入其中的毛细管（9）和检测电极（8）的外径高出20-50 μm；毛细管（9）的内径为10-320 μm，外径为320-450 μm。

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