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高效毛细管电泳-非接触式电导检测法的应用
——瓶装矿泉水中Cl-、NO3-、SO42-的分离检测

摘要 本实验采用毛细管电泳–非接触式电导检测法，以 8mmol`L-1 Tris 和 6mmol`L-1 酒石酸为电泳运行液，分离电压为+15 kV，采用标准加入法，对瓶装矿泉水中K+、Na+、Ca2+、Mg2+四种阳离子同时进行直接分离和检测。实验测得逸仙泉矿泉水中K+、Na+、Ca2+、Mg2+的含量分别为2.78mg·L1 、2.80mg·L-1 、2.59mg·L-1 、0. 994mg·L-1，除Mg2+外，均在与厂家提供的含量范围内。

关键词 高效毛细管电泳 电导检测法 矿泉水 分离检测 标准加入法

1 引言
钾、钙、钠、镁是人体内重要的无机阳离子，这些离子含量的高低直接影响人体的生理功能。镁是人体细胞内的主要阳离子，浓集于腺粒体中，是体内多种细胞基本生化反应的必需物质，在神经肌肉的机能正常运作、血糖转化等过程中扮演着重要角色。钾在人体内的主要作用是维持酸碱平衡，参与能量代谢以及维持神经肌肉的正常功能。人体中的钙元素主要以羟羟基磷酸钙晶体的形式存在于骨骼和牙齿中。钠是细胞外液中带正电的主要离子，参于水的代谢，保证体内水的平衡，调节体内水分与渗透压，此外，糖代谢、氧的利用、维持正常血压也需有钠的参与。矿物质水中这些离子含量的高低决定了水质是否符合标准。因此，研究快速分离测定这些离子的含量很有实际的意义。
测定钾离子含量的实验方法有四苯硼钾重量法[1]、连续流动分析法[2]、原子吸收法[3]等，测定钙离子含量的方法有均相沉淀法[4]、双氧水法[4]、钙色素法[4]、EDTA法[6]、ICP—AES法[7] 、高锰酸钾法[5]等，镁离子的含量可通过EDTA法[8]测定。不过以上方法均只能测定一种离子的含量，无法同时分离测定多种离子的含量。
本实验采用毛细管电泳–非接触式电导检测法，可以同时对K+、Na+、Ca2+、Mg2+四种阳离子同时进行直接分离并且检测含量，相比已有的实验方法，本实验具有灵敏度高，操作简便，而且可以同时测定四种不同离子的含量，离子之间不存在相互干扰，极大地提高了实验效率，实验结果令人满意。

2 实验部分
2.1仪器试剂
2.1.1 仪器
CES2008 毛细管电泳仪（中山大学化学与化学工程学院研制）；非接触式电导检测池，熔融石英毛细管（50 cm×50 μm）。超声波清洗器；微量移液器。
2.2.2试剂
（1）0.1mol·L-1 NaOH溶液；0.1 mol·L-1酒石酸溶液；0.1mol·L-1三羟甲基氨基甲烷（Tris）溶液。
（2）电泳运行液：移取 8 mL 0.1 mol·L-1 Tris 溶液、6 mL 0.1 mol·L-1酒石酸溶液于 100 mL容量瓶中，加超纯水定容至刻度。（实验室制备）
（3）1.0×10-4mol·L-1 K+、Na+、Ca2+、Mg2+单一标准溶液：分别称取相应量的K+、Na+、Ca2+、Mg2+的氯化物于塑料烧杯中，用超纯水溶解和定容后储存在 100 mL聚乙烯塑料瓶中备用。（实验室提供）
（4）1.0×10-4mol·L-1 K+、Na+、Ca2+、Mg2+混合标准溶液。
（5）样品：本实验采用“中大逸仙泉矿泉水”。进样前稀释 30 倍。

2.2实验步骤
2.2.1 准备
（1） 将电导检测池的工作电极、辅助电极和高压地电极与电泳平台上的接线端正确联接。
依次打开计算机，检测器（检测方式设为非接触式电导检测）和高压电源（“进样/分离”
按钮处于“进样”位置，电压极性设定为正高压）的电源开关。检测器预热 30 min。双击
Windows 桌面上的“CES2003”图标，待出现“毛细管电泳数据工作站 CES2003”界面后，
点击工具栏中的“设置”图标，在弹出的对话框中对参数作如下设置速率：5；增益：25；
补偿：（省缺值）点击“确认”，设置完毕，准备进行样品测试工作。
（2）在进样端储液瓶和检测端储液池中各加入约 2/3体积的电泳运行液。毛细管柱依次用 0.1 mol•L-1 NaOH 、超纯水和运行液各冲洗约 2 min。将毛细管柱的一端插入进样端储瓶中，另一端插入检测端储液池中，与电泳运行液保持接触。将高压电源的“分离/进样”按钮按向“分离”位置。设定“分离电压”值为+15 kV ,（由低到高，用“分离电压”旋钮调节到该电压值），这时可观察到电泳电流值显示为 2.5 μA左右。点击“毛细管电泳数据工作站”工具栏中的“背景”图标，背景测试完毕后弹出一个结果框显示当前的背景值，按“确认”键后该值自动作为“参数设置”中的“补偿”值，进行背景扣除。点击工具栏中的“启动”图标，这时记录开始，可观察到屏幕上显示出基线。待基线稳定后（一般需要 10min），停止记录，并将“分离/进样”按钮按向“进样”位置，准备进样测量。

2.2.2 测量
（1）样品：吸取 3.00 mL 超纯水于一个干净的进样瓶中，再用微量移液管移取 100μL
混合标准溶液加入其中，轻轻摇匀。
（2）进样：取下储液瓶，换上盛有样品的进样瓶，采用电动进样方式，按照设定的进样
参数（进样电压+9.0 kV，时间为 5s）进样。进样结束后，取下进样瓶，换回储液瓶。
（3）分离：将高压电源的“分离/进样”按钮按向“分离”位置。点击工具栏中的“启动”图标，开始记录电泳谱图。待K+、Na+、Ca2+、Mg2+的电泳峰和水峰出现后再运行 2 min（共约 8 min），点击工具栏中的“停止”图标，停止记录。随后将高压电源的“分离/进样”按钮按向“进样”位置。点击工具栏中的“峰高”图标，可自动给出电泳峰的“迁移时间”和“峰高”等数据（也可手动测量）。点击“保存”图标可将电泳图谱保存在指定的目录下。
（4）鉴定：用微量移液管逐次移取 100μL K+、Na+、Ca2+、Mg2+单一标准溶液于原含有
混合标准溶液的进样瓶中，按照（2）和（3）的操作步骤，观察峰高变化情况，确定各个电
泳峰所对应的离子组分。
（5）测量：吸取 3.00 mL水样于进样瓶中，按（2）和（3）的操作步骤，分别记录K+、
Na+、Ca2+、Mg2+离子的峰高；用标准加入法（各加入 100μL单一标准溶液到测试样品溶液中）测定水样中K+、Na+、Ca2+、Mg2+离子的含量。

表1：毛细管电泳仪工作条件
速率
增益
补偿
分离电压/kV
工作电流/μA
进样电压/kV
进样时间/s
5
25
省缺值
+15
2.5
+9.0
5

3 实验测量与讨论
3.1 样品及加入单一标准溶液后样品的谱图

4
3
2
1

图1 逸仙泉矿泉水样品的谱图

加入K+标准溶液后，峰1变高增宽
峰2、3、4基本没有变化

图2 样品加K+单一标准溶液的谱图

峰1、3、4基本没有变化

加入Na+标准溶液后，峰2变高增宽

图3 样品加Na+单一标准溶液的谱图

加入Mg2+标准溶液后，峰3变高增宽

峰1、2、4基本没有变化

图4 样品加Mg2+单一标准溶液的谱图

加入Ca2+标准溶液后，峰4变高增宽

峰1、2、3基本没有变化

图5 样品加Ca2+单一标准溶液的谱图

3.2 实验数据处理
表2 K+、Na+、Ca2+、Mg2+离子混合溶液的HPCE–C4D分离检测结果
电泳峰序号
迁移时间/min
鉴定离子
1
1:50
K+
2
2:40
Na+
3
3:00
Mg2+
4
3:32
Ca2+
在毛细管电泳仪上可读出峰面积数据，将各谱图中峰面积数据进行分析，据公式：
= 其中： C2=
可得： C1=
代入实验数据可求得C1 ，计算结果列于表3：
表3：瓶装水中K+、Na+、Ca2+、Mg2+的HPCE–C4D分离检测结果
离子
K+
Ca2+
Na+
Mg2+
样品（峰高）S1
2303
400
2392
166
样品+标准（峰高）S2
5360
984
4215
569
标准浓度C0/mol·L-1
1.0×10-4
1.0×10-4
1.0×10-4
1.0×10-4
样品体积V1/L
3.00×10-3
3.00×10-3
3.00×10-3
3.00×10-3
标准体积V2/L
1.00×10-4
1.00×10-4
1.00×10-4
1.00×10-4
离子浓度C1/ mol·L-1
2.37×10-6
2.16×10-6
4.06×10-6
1.31×10-6
测定结果C/mg·L-1
0.0925
0.0865
0.0934
0.0865
水样品含量/ mg·L-1
2.78
2.59
2.80
0.944
逸仙泉含量/mg·L-1
1.0-4.0
0.51-18.90
2.0-7.25
0.15-0.45
注： C=C1×M×1000mg/g

3.3 实验讨论
实验过程中，谱图的基线不平，成一斜线，说明外界环境因素对实验有较大的影响。由于仪器灵敏度较高，实验操作过程中须严格控制实验室的湿度、温度、风向等因素的影响。在加入单一标准溶液时，必须重复除背景和走基线的操作，尽可能减少测量中可能存在的干扰。

4 实验结论
实验测得逸仙泉瓶装水中K+、Ca2+、Na+ 、Mg2+的浓度分别为2.78 mg·L-1、2.59 mg·L-1、2.80 mg·L-1、0.944 mg·L-1，除Mg2+外，均在与厂家提供的含量范围内。高效毛细管电泳法仪器简单、自动化程度高；分析速度快、分离效率高；操作方便、消耗少；可以广泛应用于各种溶液中离子的分离鉴定。

参考文献
[1] 张志韦,福广,莫晓玲.有机-无机复混肥中总钾含量测定方法的探讨. 化工技术与开发,2009,2:28-30
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[7]陆军,龙如成,程晓舫.ICP—AES法测定高碳钢线材中钙含量. 金属制品.2008,34(4): 51-52,56
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思考题
1. 影响K+、Na+、Ca2+、Mg2+的电泳出峰顺序（迁移时间）的因素是什么？
答：根据迁移速度公式

其中，γ为离子的表观液态动力学半径；η —介质的粘度，则影响各阳离子的迁移时间与电荷、电场强度、离子的表观液态动力学半径和介质的粘度有关。

2. 水峰为何出现在K＋、Na+、Ca2+、Mg2+的电泳峰之后，且为负峰（道峰）？
答：水是中性分子，在高压电流下即电场中不受到电场力的作用，所以要比点电荷的阳离子慢，所以在K＋、Na+、Ca2+、Mg2+之后。水峰吸收值比背景溶液本身要低，故出现负峰 。

3. 柠檬酸起何作用？是否会影响其它阳离子的电泳峰？
答：1）柠檬酸与三羟甲基氨基甲烷（Tis）组成了一对缓冲溶液可以使离子的分离达到好的效果。
2）不会。柠檬酸根是负离子，与阳离子运动方向相反，到最后才分离出来。

4. 什么是电渗流？本实验中的水峰为何可作为电渗流的标志？
答：电渗流是指在高压电场下,一定pH值(大于3.0)的缓冲溶液由正极向负极移动的过程。水是不带电的物质，而水有流动的特性，不会在电场中如阳离子定向移动，如果现在假设有水峰出现，说明已经发生了电渗流。

5. 高效毛细管电泳中定量分析的方法有哪几种？本实验为何要采用标准加入法？
答：定量分析可以用浓度的峰高和峰面积进行。
（1）便于定性的检出是何离子。
（2）也可以定量检测出离子含量即浓度。

6. 电动进样的优缺点是什么？本实验为何采用电动进样？
答：（1）优点: 控制电压低,控制灵活等特点。
缺点：电动进样方式，进样不均：电歧视现象，淌度大的离子比淌度大的进样量大；离子丢失：淌度大且与电渗流方向相反的离子可能进不去； 特别适合黏度大的试样。可以通过电堆积效应提高灵敏度。
（2）采取电动进样是方便，实验也易于灵活控制