微量金属元素的毛细管电泳分析方法及应用

资源类型:pdf 资源大小:1.04MB 文档分类:数理科学和化学 上传者:安磊

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【作者】 屈锋  王敏  林金明 

【关键词】微量金属元素 毛细管电泳 评述 

【出版日期】2005-04-25

【摘要】综述了毛细管电泳分析微量金属元素的基本原理、分离模式(CZE、MKEC、非水电泳、芯片分离等)、检测方法(紫外、荧光、化学发光、安培、电导、质谱联用技术)等的进展和该技术在环境、生物医学领域的研究与应用。引用文献94篇。

【刊名】分析化学

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1 引  言自 20世纪 90年代起,毛细管电泳(CE)开始大量应用于无机离子分析,金属离子的毛细管电泳分离分析方法不断完善,应用领域不断扩大。毛细管电泳相对于离子色谱的主要优点是:实验操作简单,分离效率高,分析时间短,实验消耗低。对于碱金属、碱土金属以及过渡金属离子的分离,离子色谱需要不同的分离柱、流动相以及不同的柱后检测和柱后衍生装置。而毛细管电泳法可使上述金属离子在一种简单的分离体系内分离检测。文献[1~4]分别就金属离子毛细管电泳分析进行评述。本文总结了微量金属元素的毛细管电泳分析技术以及最新进展。2 毛细管电泳分离的基本原理由于金属离子大多具有高电荷、低质量、迁移速率相近的特点,一般很难达到直接分离。仅有少量文献报道了金属离子的直接分离,而且多用于碱金属、碱土金属以及不同形态金属离子的分析。毛细管电泳法分离多种金属离子的一个显著特点是加入辅助络合剂,使金属离子与络合剂形成具有不同稳定常数的络合物,增大彼此迁移率的差异,以提高分离效率和检测灵敏度。加入络合剂后,金属离子M与络合剂L所形成的各级络合物ML、ML2、…MLi的有效迁移率可以表示为:μM = ni=0μiαi= ni=0ui[MLi] ni=0[MLi]= ni=0μiβi[L]i ni=0βi[L]i  其中, μi和αi分别为金属络合物形态i的电泳迁移率和分配系数, [MLi]是络合物MLi的浓度,[L]是络合剂的浓度, β是累积稳定常数(ML0 =M, β0 =1)。由于各金属离子的络合反应存在差异,因而使其分离的选择性得到提高。用于金属离子分离的络合剂分为弱络合剂和强络合剂。弱络合剂为羧酸和羟基羧酸类 [4] (如乙酸、α 羟基异丁酸、乳酸、酒石酸等),所产生的络合物自身无紫外吸收,用间接方法检测。强络合剂主要是氨基多羧酸类 [4] (如EDTA、DTPA、NTA等)。有色有机试剂和有机萃取剂偶氮类化合物 (如 (2 吡啶偶氮基)间苯二酚PAR)、喹啉类化合物 (如 8 羟基喹啉 5 磺酸 (HQS) )与金属形成的络合物具有紫外可见吸收,可直接检测。大环化合物络合剂 (如 18 冠醚 6、大环多胺类化合物、环果聚糖、磺化杯芳烃等), 菲咯啉 [5, 6]、2, 6 吡啶二羧酸 [7]、嗪类及二硫代氨基甲酸盐类也见报道。用于金属离子毛细管电泳分析的络合剂通常应具有以下特点: (1)与金属离子的络合反应灵敏、快速; (2)形成的金属络合物应具有一定的稳定性; (3)各种金属络合物的最大吸收波长尽可能相近,并应远离络合剂的最大吸收波长。3 毛细管电泳分离的模式3.1 毛细管区带电泳(CZE)毛细管区带电泳的分离原理是基于分析离子电泳迁移率的差异。在CZE分离中,描述金属离子的迁移行为的表观电泳迁移率(μobs)是电渗迁移率 (μeo)和电泳迁移率 (μep)之和。由于电渗迁移率约等于一般离子电泳迁移率的 5~7倍,因此电渗流控制在CZE分离中至关重要。根据电渗流的方向又可将金属离子的CZE分离模式分为: (1 )电渗同向的CZE; (2 )电渗反向的CZE。若不在电解质溶液中加入电渗流改性剂,则电渗流的方向通常与阳离子的迁移方向相同,可直接分离金属阳离子。多数情况下,金属络合物为络阴离子,因而电渗方向与其电泳方向相反,大多数的金属离子络合分离均属于电渗反向的CZE模式。为实现电渗同向的CZE,必须使电渗流改变反向,有许多方法可以达到这一目的。添加阳离子表面活性剂是最简单易行的方法之一 [8]。其次,还可使用各种涂层毛细管控制电渗流。3. 2 胶束电动毛细管色谱(MEKC)Terabe等 [9]运用含阴离子表面活性剂SDS胶束的缓冲液电泳分离了中性物质,建立了MEKC模式。虽然MEKC主要用于分离中性化合物,但它也同样适用于金属离子的分离。自从Saitoh等 [10]以PAR作为络合剂,首次用MEKC方法分离了Co3+、Cr3+、Fe2+和Ni2+, MEKC在金属分离中得到越来越广泛的应用。MEKC模式中胶束是分离的关键所在,SDS是最早也是应用最广泛的表面活性剂。Timer baev等 [11]研究了金属络阴离子在含SDS胶束的电泳体系中的迁移行为,证明MEKC模式非常适于具有疏水性带负电的金属络合物的分离。他们还以 2, 6 二乙酰基吡啶 双 (N 亚甲基吡啶并腙 )(H2dapmp)为络合剂,利用阳离子表面活性剂TTAB在 13min分离了 16种过渡金属和稀土金属离子 [12]。利用TTAB反向电渗流,还可使带正电的H2dapmp络合物在电渗反向CZE下得以分离。Haddad等 [13]评述了金属离子和金属络合物的MEKC分离方法,并讨论了MEKC在金属络合物以及生物体内的金属络合物(如叶绿素)、金属络和物对映体和有机金属化合物分离中的应用 [14]。3.3 非水毛细管电泳(NACE)毛细管电泳分离通常是在水溶液中完成的,对于疏水性物质,通常可在水相中加入有机溶剂、胶束或环糊精提高其溶解度和分离效率, 但仍有一定的局限性。1984年Walbrobel等 [15]首次提出采用非水毛细管电泳解决强疏水性物质的分离问题。非水介质毛细管电泳分离与水介质分离系统相比具有许多优点,如离子间的静电作用,离子 偶极作用均强于水溶液中,分析物可以有更宽范围的酸 /碱性,可形成离子对,增加疏水性物质的溶解度,减少疏水物质在毛细管壁上的吸附及毛细管中的焦耳热等。在金属离子分离中必须使用的络合试剂大多具有很强的疏水性,其应用受到限制,而NACE模式在这一点上具有明显优势。刘笔锋等 [16]实现了金属 MBTAE络合物的NACE分离,当使用传统CZE模式,没有色谱峰被检出,而MEKC模式不能分离Co2+、Cu2+、Zn2+的MBTAE络合物,但NACE模式可以使之达到很好的分离。此外,NACE也可用于金属离子的直接分离测定。Altria等 [17]利用咪唑为背景电解质,实现了Co2+、Cu2+等离子的直接分离。文献[18]报道了在甲醇介质中同时分离 10种金属离子的简单方法,以及Ni2+、Cu2+、Co2+、Zn2+、Cd2+及Fe3+在非水介质中的分离 [19]。3.4 毛细管电泳芯片分离和其它模式Manz等 [20]在 1992年发表了有关毛细管电泳芯片的第一篇报道。它是在常规毛细管电泳原理和技术的基础上,利用微加工工艺使毛细管电泳分离检测的整个过程集中在几cm2 的芯片上。在硅玻璃、塑料等基片上刻蚀毛细管通道、储液槽,并与化学反应单元和检测单元集成,由于其具有快速、高效和低耗以及设计灵活等显著优点,得到了迅猛发展。芯片用于金属离子分析的方法主要是利用毛细管电泳原理使金属分离,并使其与特定络合剂作用进行检测。较多的研究内容涉及如何获得高灵敏度的检测以及芯片分离与高灵敏度检测方法的结合和联用。Lu等 [21]在玻璃芯片上利用MEKC模式, 70s内分离了Co2+、V3+、Ni2+、Cu2+、Fe2+、Mn2+及Cd2+的PAR络合物,使用 540nm绿色发光二极管进行检测。Jachbson等 [22]在芯片上分离了Al3+、Zn2+、Cd2+并使用荧光络合剂HQS进行荧光检测。Tsukagoshi等 [23]报道了芯片分离Ni2+、Cu2+、Co2+和Fe3+,并用鲁米诺化学发光体系进行检测。Liu等 [24]评估了用于化学发光检测的 3种通道设计,并用于Cr3+、Co2+、Cu2+离子的分离检测。Deng等 [25]还将芯片与固相萃取联用,在非水体系中使用 5 Br PAPS,分离了Cd2+、Pb2+、Cu2+、Co2+、Ni2+和Hg2+ 6种重金属离子。目前金属离子的芯片分离检测的报道还很有限,这种限制源于芯片制作技术和高灵敏检测技术的发展还不完善。毛细管等速电泳(CITP)很早就用于金属离子的分离。Hirama等 [26]采用该模式分离了 7种过渡金属和重金属的氯代络合物。Zelensky等 [27]还报道了Mn2+、Pb2+、Zn2+和Cd2+与二甲酚橙络合物的分析。但CITP的分离效率不高,已基本被其他分离模式所替代。金属离子的毛细管电色谱(CEC)分离也有少量报道。Krokhin等 [28]就以此模式分离了Co2+、Fe2+、Ni2+等过渡金属的PAR络合物。而毛细管等电聚焦(CIEF)很少用于金属离子的分析测定。4 检测方法4.1 光学检测常用的光学检测法是紫外可见、荧光以及化学发光检测。由于大多数金属水合离子在 185nm以外的紫外区没有吸收或吸收极弱,通常需要在背景电解质中加入辅助络合剂形成具有高吸光系数的络合物,以提高检测灵敏度。对于大量报道的过渡金属离子,直接检测是普遍适用的方法。对于没有吸收或者吸收很弱的离子,间接检测也具有通用性。其原理是将一种具有吸收的离子 (称为共离子 )加入背景电解质中,以该离子的最大吸收波长做为检测波长。当无吸收离子进入检测口时,取代了共离子,使光吸收降低。间接检测需要共离子自身有较高的吸光系数并具有与待测离子相近的迁移速度。激光诱导荧光是目前最灵敏的检测手段。直接检测金属离子荧光的报道还没有,目前主要是通过金属与荧光试剂络合而直接检测,或者通过加入自身具有荧光色团的离子而实现间接检测。对于大多数金属离子,间接荧光检测更为常见。HQS可以和很多金属离子形成具有很强荧光的络合物,同时又作为络合剂参与金属离子的分离 [29]。利用HQS与Mg2+、Ca2+、Zn2+络合,荧光检测灵敏度可达到 10-7mol/L[30]。化学发光检测不需使用外加光源,仪器设备简单,灵敏度高。其选择性差的缺点可以通过与毛细管电泳高分离效率的结合而克服。近年,已有关于毛细管电泳分离与化学发光检测联用用于金属离子分析的评述 [31~33],张颖等 [34]利用络合剂HIBA和鲁米诺为金属离子分离的电解质,柱后加入H2O2,使金属离子Co2+、Cu2+、Ni2+、Fe3+和Mn2+在 8min内得以分离检测,灵敏度达到 10-13 mol/L,平均理论塔板数为 4. 6×105。利用鲁米诺 H2O2 Co2+化学发光体系,通过取代Co2+使化学发光信号减弱,可以间接检测Mn2+、Ni2+、Cd2+、Pb2+和 14种稀土离子 [35]。Peng等 [36]报道了微型化的毛细管电泳化学发光检测器,并用于Cr3+、Cu2+、Co2+的分离检测。Zhang等 [37]还报道了金属卟啉的化学发光检测。芯片分离金属离子时也采用鲁米诺化学发光体系进行检测 [23]。4.2 电化学检测具有电化学检测器的商用仪器较少,大多数有关电化学检测的报道是关于合理设计与毛细管电泳匹配的电化学检测池以及对电化学检测器性能进行评价的研究结果 [38~41]。安培检测灵敏度高,选择性好,应用范围广,是相对容易研制和适合毛细管电泳的电化学检测方法。刘继锋等 [42]对安培检测的电极和检测池技术进行了评述。Wen等 [43]报道了脉冲安培检测金属离子的方法,利用阴极沉积和阳极溶出可检测出μmol/L的Tl3+、Pb2+、Zn2+、Ni2+、Co2+、Cd2+、Hg2+、Ag+及Cu2+等。利用电极上吸附和循环伏安检测,可使金属离子Co2+、Ni2+、Cd2+、Pb2+的检测灵敏度达到 10-8 ~10-9 mol/L, 较脉冲安培检测高 50 ~100倍 [44]。Kappes等 [45]设计了简单的安培检测池,比较了不同的工作电极,使金属离子Co2+、Zn2+、Hg2+、Pb2+和Cd2+得以灵敏检测。相关报道还包括超微电极检测过渡金属离子 [46]以及Hg2+形态分析的安培检测 [47]等。抑制电导检测器出现在 20世纪 90年代初期 [48, 49], 其灵敏度高,但是要求使用特殊设计的毛细管,造价高。并且当电极与溶液接触时,会产生电极极化和电解质在电极表面的氧化还原反应。无接触电导检测(contactlesscouductometricdetection, CCD)是 20世纪 90年代末期出现的新型电化学检测技术 [50~53]。所设计的检测池中,两个

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