电化学分离技术.ppt

电化学分离方法化学分离方法2024/5/21 2024/5/21 周二周二1 1.电泳分离法泳分离法在在电场电场作用下，作用下，电电解解质质溶液中溶液中带电带电粒子向两极作定向粒子向两极作定向移移动动的一种的一种电电迁移迁移现现象。象。电电泳分离的依据是不同泳分离的依据是不同带电带电粒子迁移率的差粒子迁移率的差别别。与与电电迁移所不同的是，迁移所不同的是，电电泳通常需要一种多孔材料作泳通常需要一种多孔材料作电电解解质质的支持体，以消除的支持体，以消除电电解解质质的非定向运的非定向运动动所引起的所引起的电电泳泳带变宽带变宽，便于取，便于取样测样测定，或定，或获获得分离后的得分离后的组组分。分。影响影响电电泳的主要因素：泳的主要因素：带电带电粒子迁移率、粒子迁移率、电电解解质质溶液溶液的的组组成、外加成、外加电电位梯度、位梯度、电电泳泳时间时间等。等。2024/5/21 2024/5/21 周二周二2 2.一、高效毛一、高效毛细管管电泳基本原理泳基本原理 在在电电解解质质溶液中，位于溶液中，位于电场电场中的中的带电带电离子在离子在电场电场力的力的作用下，以不同的速度向其所作用下，以不同的速度向其所带电带电荷相反的荷相反的电电极方向迁移极方向迁移的的现现象，称之象，称之为电为电泳。由于不同离子所泳。由于不同离子所带电带电荷及性荷及性质质的不的不同，迁移速率不同可同，迁移速率不同可实现实现分离。分离。1.1.1.1.经经典典典典电电泳分离法的不足泳分离法的不足泳分离法的不足泳分离法的不足 所用分离柱的柱径大，柱所用分离柱的柱径大，柱较较短，分离效率不高（短，分离效率不高（远远低于低于HPLCHPLC），），温度影响大温度影响大。高效毛高效毛细细管管电电泳在技泳在技术术上上采取了两采取了两项项重要改重要改进进。2024/5/21 2024/5/21 周二周二3 3.2.2.高效毛高效毛细管管电泳技泳技术上的重要突破上的重要突破高效毛高效毛高效毛高效毛细细管管管管电电泳在技泳在技泳在技泳在技术术上采取了两上采取了两上采取了两上采取了两项项重要改重要改重要改重要改进进：一是采用了一是采用了0.050.05mmmm内径的毛内径的毛细细管管,；二是采用了高达数千伏的二是采用了高达数千伏的电压电压。毛毛细细管管的的采采用用使使产产生生的的热热量量能能够够较较快快散散发发，大大大大减减小小了温度效了温度效应应，使，使电场电压电场电压可以很高。可以很高。电电压压升升高高，电电场场推推动动力力大大，又又可可进进一一步步使使柱柱径径变变小小，柱柱长长增加，增加，高高效效毛毛细细管管电电泳泳的的柱柱效效远远高高于于高高效效液液相相色色谱谱，理理论论塔塔板数高达几十万板数高达几十万块块/米，特殊柱子可以达到数百万。米，特殊柱子可以达到数百万。2024/5/21 2024/5/21 周二周二4 4.3.3.电泳泳现象与象与电渗流渗流现象象 电电泳泳泳泳现现象象象象：带电带电离子在离子在电场电场作用下的迁移，速度作用下的迁移，速度电电泳泳2024/5/21 2024/5/21 周二周二5 5.电渗流渗流现象象 当固体与液体接触当固体与液体接触时时，固体表面由于某种原因，固体表面由于某种原因带带一种一种电电荷，荷，则则因静因静电电引力使其周引力使其周围围液体液体带带有相反有相反电电荷，在液荷，在液-固界固界面形成面形成双双双双电层电层，二者之，二者之间间存在存在电电位差。位差。当液体两端施加当液体两端施加当液体两端施加当液体两端施加电压时电压时，就会就会就会就会发发生液体相生液体相生液体相生液体相对对于固体表面于固体表面于固体表面于固体表面的移的移的移的移动动，这这种液体相种液体相种液体相种液体相对对于固体于固体于固体于固体表面的移表面的移表面的移表面的移动动的的的的现现象叫象叫象叫象叫电电渗渗渗渗现现象象象象。电电渗渗渗渗现现象中整体移象中整体移象中整体移象中整体移动动着的着的着的着的液体叫液体叫液体叫液体叫电电渗流渗流渗流渗流（electroosmotic flow electroosmotic flow，简简称称称称EOFEOF）。）。）。）。2024/5/21 2024/5/21 周二周二6 6.2.2.HPCE中的中的电渗渗现象与象与电渗流渗流 石英毛石英毛石英毛石英毛细细管柱，内充液管柱，内充液管柱，内充液管柱，内充液pH3pH3pH3pH3时时，表面，表面，表面，表面电电离成离成离成离成-SiOSiOSiOSiO-,管内管内管内管内壁壁壁壁带负电带负电荷，形成双荷，形成双荷，形成双荷，形成双电层电层。在高在高在高在高电场电场的作用下，的作用下，的作用下，的作用下，带带正正正正电电荷的溶液表面及荷的溶液表面及荷的溶液表面及荷的溶液表面及扩扩散散散散层层向阴向阴向阴向阴极移极移极移极移动动，由于，由于，由于，由于这这些阳离子些阳离子些阳离子些阳离子实际实际上是溶上是溶上是溶上是溶剂剂化的，故将引起柱中化的，故将引起柱中化的，故将引起柱中化的，故将引起柱中的溶液整体向的溶液整体向的溶液整体向的溶液整体向负负极移极移极移极移动动，速度，速度，速度，速度电电渗流渗流渗流渗流。2024/5/21 2024/5/21 周二周二7 7.HPCE中中电渗流的方向渗流的方向 电电渗流的方向取决于毛渗流的方向取决于毛渗流的方向取决于毛渗流的方向取决于毛细细管内表面管内表面管内表面管内表面电电荷的性荷的性荷的性荷的性质质：内表面内表面内表面内表面带负电带负电荷，溶液荷，溶液荷，溶液荷，溶液带带正正正正电电荷，荷，荷，荷，电电渗流流向阴极；渗流流向阴极；渗流流向阴极；渗流流向阴极；内表面内表面内表面内表面带带正正正正负电负电荷，溶液荷，溶液荷，溶液荷，溶液带负电带负电荷，荷，荷，荷，电电渗流流向阳极；渗流流向阳极；渗流流向阳极；渗流流向阳极；石英毛石英毛石英毛石英毛细细管；管；管；管；带负电带负电荷，荷，荷，荷，电电渗流流向阴极；渗流流向阴极；渗流流向阴极；渗流流向阴极；改改改改变电变电渗流方向的方法：渗流方向的方法：渗流方向的方法：渗流方向的方法：（1 1 1 1）毛）毛）毛）毛细细管改性管改性管改性管改性 表面表面键键合阳离子基合阳离子基团团；（2 2 2 2）加）加）加）加电电渗流反渗流反渗流反渗流反转剂转剂 内充液中加入大量的阳离子表面活性内充液中加入大量的阳离子表面活性剂剂，将使石英毛，将使石英毛细细管壁管壁带带正正电电荷，溶液表面荷，溶液表面带负电带负电荷。荷。电电渗流流向阳极。渗流流向阳极。2024/5/21 2024/5/21 周二周二8 8.4.分离分离过程程 电电场场作作用用下下，柱柱中中出出现现：电电泳泳现现象象和和电电渗渗流流现现象。象。带电带电粒子的迁移速度粒子的迁移速度=电电泳和泳和电电渗流两种速度的矢量和。渗流两种速度的矢量和。正离子：两种效正离子：两种效应应的运的运动动方向一致，在方向一致，在负负极最先流出；极最先流出；中性粒子无中性粒子无电电泳泳现现象，受象，受电电渗流影响，在阳离子后流出；渗流影响，在阳离子后流出；阴阴离离子子：两两种种效效应应的的运运动动方方向向相相反反，电电渗渗流流 电电泳泳时时,阴阴离离子子在在负负极极最最后后流流出出,在在这这种种情情况况下下,不不但但可可以以按按类类分分离离,除除中中性性粒粒子子外外,同同种种类类离离子子由由于于受受到到的的电电场场力力大大小小不不一一样样也也同同时时被被相互分离。相互分离。2024/5/21 2024/5/21 周二周二9 9.5.5.分离分离类型型(1)(1)(1)(1)毛毛毛毛细细管区管区管区管区带电带电泳泳泳泳（CZECZECZECZE）最普遍、最基本的一种分离最普遍、最基本的一种分离模式。模式。(2)(2)(2)(2)毛毛毛毛细细管凝胶管凝胶管凝胶管凝胶电电泳（泳（泳（泳（CGECGECGECGE）将聚丙将聚丙烯酰烯酰胺在毛胺在毛细细管柱内交管柱内交联联生成凝胶。其具有生成凝胶。其具有多孔性，多孔性，类类似分子似分子筛筛的作用，的作用，试样试样分子按大小分离。能分子按大小分离。能够够有效减小有效减小组组分分扩扩散，所得峰型尖散，所得峰型尖锐锐，分离效率高。可，分离效率高。可分离分离测测定蛋白定蛋白质质、DNADNA等。等。2024/5/21 2024/5/21 周二周二1010.(3)(3)毛毛细管胶束管胶束电动色色谱（MECC）在在缓缓冲溶液中加入离子型表面活性冲溶液中加入离子型表面活性剂剂，形成一疏水内核、外部，形成一疏水内核、外部带负电带负电的胶束。在的胶束。在电场电场力的作用下，胶束在柱中移力的作用下，胶束在柱中移动动。由于。由于电电泳流泳流和和电电渗流的方向相反，且渗流的方向相反，且电电渗流渗流 电电泳泳 ，则带负电则带负电的胶束以的胶束以较较慢慢的速度向的速度向负负极方向移极方向移动动，中性，中性试样试样分子在胶束相和溶液（水相）两分子在胶束相和溶液（水相）两相相间间分配，疏水性分配，疏水性强强的的组组分与胶束分与胶束结结合的合的较较牢，流出牢，流出时间长时间长。可用。可用来分离中性物来分离中性物质质，扩扩展了高效毛展了高效毛细细管管电电泳的泳的应应用范用范围围。2024/5/21 2024/5/21 周二周二1111.二、仪器流程与主要部件 process and main assembly 电压电压：0 03030kVkV；分离柱不涂敷任何固定液；分离柱不涂敷任何固定液；紫外或激光紫外或激光诱导荧诱导荧光光检测检测器；器；（可（可检测检测到：到：1010-19-191010-21-21 mol/Lmol/L）2024/5/21 2024/5/21 周二周二1212.1.高压电源（1 1 1 1）0 0 0 030303030 kV kV kV kV 稳稳定、定、定、定、连续连续可可可可调调的直流的直流的直流的直流电电源；源；源；源；（2 2 2 2）具有恒）具有恒）具有恒）具有恒压压、恒流、恒功率、恒流、恒功率、恒流、恒功率、恒流、恒功率输输出；出；出；出；（3 3 3 3）电场强电场强度程序控制系度程序控制系度程序控制系度程序控制系统统；（4 4 4 4）电压稳电压稳定性：定性：定性：定性：0.1%0.1%0.1%0.1%；（5 5 5 5）电电源极性易源极性易源极性易源极性易转换转换；2.2.毛毛细管柱管柱 （1 1 1 1）材料：石英：各）材料：石英：各）材料：石英：各）材料：石英：各项项性能好；玻璃：光学、机性能好；玻璃：光学、机性能好；玻璃：光学、机性能好；玻璃：光学、机械性能差；械性能差；械性能差；械性能差；（2 2 2 2）规规格：内径格：内径格：内径格：内径2020202075757575m m m m，外径外径外径外径350350350350400400400400m m m m；长长度度度度=1=1=1=1m m m m2024/5/21 2024/5/21 周二周二1313.3.缓冲液池 化学惰性，机械化学惰性，机械稳稳定性好；定性好；4.4.检测器器 要求：具有极高灵敏度，可柱端要求：具有极高灵敏度，可柱端检测检测；检测检测器、数据采集与器、数据采集与计计算机数据算机数据处处理一体化；理一体化；类类型型型型 检测检测限限限限/mol mol mol mol 特点特点特点特点紫外紫外-可可见见 10 10-13-131010-15-15 加二极管加二极管阵阵列，光列，光谱谱信息信息荧荧光光 10 10-15-151010-17 -17 灵敏度高，灵敏度高，样样品需衍生品需衍生激光激光诱导荧诱导荧光光 10 10-18-181010-20 -20 灵敏度极高，灵敏度极高，样样品需衍生品需衍生电导电导 10 10-18-181010-19 -19 离子灵敏，需离子灵敏，需专专用的装置；用的装置；2024/5/21 2024/5/21 周二周二1414.高效毛高效毛细管管电泳泳仪器（器（1）2024/5/21 2024/5/21 周二周二1515.高效毛高效毛细管管电泳泳仪器（器（2）2024/5/21 2024/5/21 周二周二1616.高效毛高效毛细管管电泳泳仪器（器（3）2024/5/21 2024/5/21 周二周二1717.三、影响柱效的因素及改三、影响柱效的因素及改进方法方法热热效效效效应应：焦耳焦耳热热仍是影响柱效的主要因素。采用外部冷却仍是影响柱效的主要因素。采用外部冷却的方法散的方法散热热，择择合适的合适的电压电压和和电电解解质质也是提高柱效的有效也是提高柱效的有效途径。途径。选择选择合适的合适的电电解解质质降低降低电电阻，阻，电电流低于流低于200200微安，一微安，一般几十微安。般几十微安。电电渗流控制渗流控制渗流控制渗流控制：电电渗流的渗流的大小和方向依大小和方向依赖赖于毛于毛细细管壁与溶液管壁与溶液间电势间电势的极的极性和大小。性和大小。使用添加使用添加剂剂可以改可以改变电变电渗流的大小和方向，如添加渗流的大小和方向，如添加NaClNaCl和甲醇可降低和甲醇可降低电电渗流；加入乙渗流；加入乙腈则腈则可以增大可以增大电电渗渗流。加入反流。加入反转剂转剂。则则可以改可以改变电变电渗流的方向。渗流的方向。2024/5/21 2024/5/21 周二周二1818.四、主要特点和四、主要特点和应用用 高分辨率：理高分辨率：理论论塔板数高达数百万塔板数高达数百万块块，甚至数千万，甚至数千万块块。高灵敏度：可高灵敏度：可检测检测出低至出低至1010-21-21 mol/Lmol/L浓浓度的物度的物质质。高分析速度：可在高分析速度：可在3 3分分钟钟内分离内分离3030种阴离子；种阴离子；1.71.7分分钟钟分离分离1919种阳离子种阳离子;4;4分分钟钟可分离可分离1010种蛋白种蛋白质质.试样试样用量少：用量少：仅仅需几需几nLnL（1010-9-9 L L）的的试样试样 仪仪器器简单简单，操作成本低，操作成本低：分析一个分析一个试样仅试样仅需几毫升流需几毫升流动动液。液。不足之不足之不足之不足之处处：进样进样不不够够方便。方便。应应用范用范围围相相对较对较窄。窄。分析阴离子分析阴离子时时，由阴极，由阴极进样进样，在阳极，在阳极检测检测。但。但电电渗流方向与渗流方向与阴离子受阴离子受电场电场力作用移力作用移动动方向相反，出峰方向相反，出峰时间较长时间较长。2024/5/21 2024/5/21 周二周二1919.电渗析分离法渗析分离法v渗析渗析过程程：以浓度差使溶质透过膜而分离的过程。速率低，适用于引用外力有困难或自身有足够浓度的物质的分离，也适用少量物料处理，典型用途是血液透析。v电渗析（渗析（electrodialysis）分离）分离：离子在电场作用下迁移和离子交换技术结合的一种分离方法。（电迁移离子交迁移离子交换）2024/5/21 2024/5/21 周二周二2020.电渗析分离装置示意渗析分离装置示意图 分离分离分离分离过过程程程程：当阴阳：当阴阳电电极上加上极上加上电压时电压时，料液池中阳离子通，料液池中阳离子通过过阳离子交阳离子交换换膜迁移到阴极池中；阴离子通膜迁移到阴极池中；阴离子通过过阴离子交阴离子交换换膜迁移到阳极池中；料液中的沉淀膜迁移到阳极池中；料液中的沉淀颗颗粒、胶体、非离子性粒、胶体、非离子性物物质质不能通不能通过过（阴或阳）离子交（阴或阳）离子交换换膜，留在料液中。膜，留在料液中。I I：阳极池；阳极池；II II：料液池；料液池；IIIIII：阴极池。阴极池。A A：阴离子交阴离子交换换膜，常膜，常压压下不透水，只允下不透水，只允许许阴离子通阴离子通过过；C C：阳离子交阳离子交换换膜，只允膜，只允许许阳离阳离子通子通过过。2024/5/21 2024/5/21 周二周二2121.+阳极阳极阳极阳极ClCl-NaNa阳膜阳膜阳极室阳极室阳极室阳极室ClCl-ClCl-ClCl-NaNaNaNaClCl-NaNaNaNaClCl-ClCl-NaNaNaNa浓缩浓缩室室淡化室淡化室淡化室淡化室浓缩浓缩室室阴极室阴极室阴极室阴极室阳膜阳膜电渗析渗析过程原理程原理图阴膜阴膜阴膜阴膜阴极阴极2024/5/21 2024/5/21 周二周二2222.离子交离子交换换膜的膜的选择选择透透过过性源于膜上孔隙和膜上离子基性源于膜上孔隙和膜上离子基团团。膜上孔隙的作用：离子通膜上孔隙的作用：离子通过过膜的大膜的大门门和通道。和通道。膜上离子基膜上离子基团团的作用：在水溶液中，膜上的离子交的作用：在水溶液中，膜上的离子交换换基因基因会解离，在膜上就留下会解离，在膜上就留下带带正或正或负电负电荷的固定基荷的固定基团团。这这些存在些存在于膜微孔中的荷于膜微孔中的荷电电基基团团，好比在一条狭，好比在一条狭长长的通道中的通道中设设立的一立的一个个关卡或个个关卡或“警警卫卫”，以，以鉴别鉴别和和选择选择通通过过的离子。的离子。离子交离子交换膜的膜的选择透透过性性因此，因此，因此，因此，这这里的离子交里的离子交里的离子交里的离子交换换膜的作用不是离子交膜的作用不是离子交膜的作用不是离子交膜的作用不是离子交换换，而，而，而，而是离子是离子是离子是离子选择选择性通性通性通性通过过。2024/5/21 2024/5/21 周二周二2323.离子交离子交换膜功能示意膜功能示意图2024/5/21 2024/5/21 周二周二2424.电渗析法的渗析法的应用用电电渗渗析析是是膜膜分分离离过过程程中中较较为为成成熟熟的的一一项项技技术术，至至今今仍然是仍然是苦咸水脱苦咸水脱苦咸水脱苦咸水脱盐盐的主要方法。的主要方法。锅锅炉炉进进水水制制备备、电电镀镀工工业业废废水水处处理理、乳乳清清脱脱盐盐、果果汁脱酸等也已具有工汁脱酸等也已具有工业规业规模。模。海海水水浓浓缩缩制制食食盐盐虽虽仅仅限限于于日日本本和和科科威威特特，但但也也是是电电渗析的一大市渗析的一大市场场。因因能能耗耗低低、无无污污染染等等明明显显优优势势而而广广泛泛用用于于食食品品、医医药药、化化工工、城城市市废废水水处处理理等等领领域域。虽虽然然大大多多还还处处于于实实验验室室规规模，但研究模，但研究进进展很快。展很快。2024/5/21 2024/5/21 周二周二2525.2024/5/21 2024/5/21 周二周二2626.2024/5/21 2024/5/21 周二周二2727.实际应用的用的电渗析器渗析器2024/5/21 2024/5/21 周二周二2828.