一種低壓電容耦合非接觸電導檢測器的製作方法

2023-06-02 12:30:41

專利名稱：一種低壓電容耦合非接觸電導檢測器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及分離技術，尤其是涉及一種低壓電容耦合非接觸電導檢測器。
背景技術：
毛細管電泳(CE)是一類以毛細管為分離通道，以高壓直流電場為驅動力，以樣品中各組分的淌度(單位電場強度下的遷移速度)或分配行為的差異為依據的液相微分離分析技術。CE是分析科學中繼高效液相色譜之後的又一重大進展，它使分析科學從微升水平提高到納升水平。毛細管電泳是 近年來分析學科的研究熱點，在複雜藥物分析、環境分析、生物分析、醫學研究等方面都取得了很大的進展。毛細管電泳的檢測技術主要包括紫外-可見吸收檢測、雷射誘導螢光檢測、質譜、化學發光檢測、電化學檢測等。紫外檢測是最常用的檢測方法，但毛細管的檢測光程很短，導致紫外檢測的濃度靈敏度較低，而且紫外檢測對沒有紫外吸收的物質只能通過間接法檢測。雷射誘導螢光和化學發光檢測的靈敏度很高，但只能檢測有螢光和化學發光的物質，應用範圍受到很大的限制。質譜檢測器具有快速、準確、靈敏等優點，毛細管電泳進樣量在納克級，可得到很低的檢測限，但是該檢測技術存在譜帶展寬，質譜儀價格昂貴，耗能較大，難以普及。經過近年來的發展，非接觸電導檢測器作為毛細管電泳的一種檢測方法越來越受到關注。這是因為普通的紫外檢測對離子的檢測靈敏度不夠理想，而非接觸電導檢測器作為一個通用型檢測器可以用來測量帶電離子，例如無機離子、有機離子和生化物質。由於電容耦合非接觸電導檢測器(C4D)可以對所有的帶電粒子進行檢測，因而發展成為了一種通用的毛細管電泳檢測技術。C4D對於不能直接通過紫外檢測的無機及有機離子的檢測具有很大的優越性，而且不用像紫外檢測那樣製造精確的光學窗口。C4D檢測器比其他CE檢測器的價格要低的多而且使 用壽命長。Gas等人於上世紀80年代早期發表了第一篇關於電泳分離與電容耦合非接觸電導檢測(C4D)的文章，在這篇報導中，他們使用一個放射狀C4D檢測池用於較小陰離子的等速電泳分離測定。這種檢測池是把四個薄的金屬電極垂直地依次置於分離管道周圍組成的，通過這四個電極可以實現交流電信號的輸入與輸出，從而感知電泳管內的電導變化，獲得檢測信號。1998年，Zemann等和do Lago等分別同時提出了軸向排列的電容I禹合非接觸電動檢測器。這種檢測池由兩個管狀電極與分離毛細管組成，管狀電極內徑與毛細管外徑相匹配。管狀電極一般用注射器針頭做成，或者在毛細管外塗一層導電銀漆作為電極。兩個電極間的毛細管即檢測池。這種軸向的非接觸電導檢測器排列簡單、容易製作，適合具有標準外徑的毛細管使用。因此電容耦合非接觸電導檢測法近年來獲得了迅速的發展，並在無機離子、有機物、生化等物質的分析應用方面取得了很大的進展。2001年Zemann發表了第一篇綜述，概括了非接觸電導檢測器的基本原理及情況，之後在2003年他又對C4D進展進行了總結。[0008]在國內，中科院大連化學物理研究所的關亞風、譚峰課題組在2003年對影響無接觸電導檢測器檢測限和線性範圍的激發頻率、峰峰電壓(Vp_p)等因素進行了考察，並以2-N-嗎啡啉乙磺酸(MES)/組氨酸(His)為緩衝體系，用自製的檢測器對Li+，Na+，K+，Mg2+，Ca2+和Ba2+等幾種常見的無機離子進行了毛細管電泳分離檢測，分析結果良好，取得了一定的進展。C4D作為一種新型的檢測技術，具有通用性強、價格低廉、使用壽命長等特點，具有廣闊的應用前景。由於使用低電壓激發，該檢測系統對外界幹擾的屏蔽及對噪音的過濾有著較高的要求，雖也有公開報導的低壓電容耦合非接觸電導檢測器的 製作，但仍然存在一些問題，如檢測池、電子電路製作粗糙，檢測器噪音較大等。故，有關於C4D的研究和應用有待進一步深入。

實用新型內容本實用新型的目的在於提供一種低壓電容耦合非接觸電導檢測器，該系統有效消除了雜散電容及噪音，提高了檢測靈敏度和穩定性，成本低、使用壽命長。本實用新型採用以下技術方案一種低壓電容耦合非接觸電導檢測器，其中，所述低壓電容耦合非接觸電導檢測器包括交流信號源、檢測池和信號檢測電路；所述檢測池包括屏蔽電極、管狀電極、第一塑料片和第二塑料片，第一塑料片和第二塑料片均為兩個；所述屏蔽電極兩側各設一第一塑料片，所述屏蔽電極和第一塑料片上均設有一小孔，所述小孔的直徑大於毛細管小於管狀電極，所述第一塑料片外側各設一管狀電極，所述兩個管狀電極各經一第二塑料片固定，管狀電極為中空結構，直徑大於毛細管，所述的管狀電極與屏蔽電極垂直。進一步，所述交流信號源包括波形發生部分和放大部分；所述波形發生部分採用文氏電橋振蕩器。進一步，所述信號檢測電路包括放大電路、整流電路和基線調整電路。進一步，所述放大電路採用兩個放大器串接形成兩級放大電路。進一步，所述的管狀電極上套一塑料管。本實用新型的有益效果為本實用新型優化設計了小型檢測池結構，有效消除了雜散電容及噪音，提高檢測靈敏度和穩定性；採用文氏電橋振蕩器作為激勵信號源電子電路，結合絕對值檢波技術，檢測器簡單精準。本實用新型在兩個管狀電極間增加接地銅片和兩個薄塑料片以有效減少雜散電容，並用兩個厚塑料片固定兩個管狀電極使之與接地銅片保持垂直。本實用新型可對無機陰陽離子、糖類、胺基酸、多酚等物質進行分離，各物質都取得了較好的分離效果。本實用新型具有使用壽命長、系統體積小、性能穩定、重複性好、成本低廉、製作方法簡單等優點。該檢測系統不僅具有其他同類檢測器的分離檢測性能，還優化設計了小型檢測池結構，有效消除了雜散電容及噪音，提高檢測靈敏度和穩定性，並在信號源採用文氏電橋振蕩器作為激勵信號源，結合絕對值檢波技術，檢測器簡單精準，因此在一定程度上提高了檢測系統的性能。本實用新型的其他優點、目標和特徵在某種程度上將在隨後的說明書中進行闡述，並且在某種程度上，基於對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可以從本實用新型的實踐中得到教導。本實用新型的目標和其他優點可以通過下面的說明書所特別指出的結構來實現和獲得。


圖I是本實用新型中三明治式檢測池的結構示意圖；圖2是本實用新型中三明治式檢測池的製作示意圖；圖3是本實用新型中交流信號源的文氏電橋振蕩器的電路圖；圖4是本實用新型中信號檢測電路的放大電路電路圖；圖5是實用新型中信號檢測電路的整流電路電路圖；圖6是實用新型中信號檢測電路的基線調整電路電路圖；圖7是糖類混標五次實驗重複性示意圖；圖8是4種無機陽離子的電泳圖；圖9是4種無機陰離子的電泳圖；圖10是13種胺基酸的電泳圖；圖11是3種多酚的電泳圖；圖12是6種酚酸的電泳圖；圖13是3種糖類的電泳圖。
具體實施方式
下面結合實施例對本實用新型作進一步描述如圖I、圖2所示，本實用新型包括交流信號源、檢測池和信號檢測電路。檢測池包括屏蔽電極I、管狀電極4、第一塑料片和第二塑料片；第一塑料片為薄塑料片2，第二塑料片為厚塑料片3，屏蔽電極I兩側各有一個薄塑料片2，兩個薄塑料片2外側有兩個厚塑料片3，厚塑料片3中間穿孔，使管狀電極4能夠穿過，固定管狀電極4。屏蔽電極I和兩個薄塑料片2中間穿一個小孔，小孔的直徑大於毛細管小於管狀電極4，使毛細管5可以自由通過，管狀電極4不能通過。管狀電極4為中空結構，直徑大於毛細管5，毛細管5可以從管狀電極4穿過，兩個管狀電極4在一條直線上，與屏蔽電極I垂直。本實用新型的檢測池採用三明治式結構，其製作方法如下屏蔽電極I :把0.01 mm厚的銅片剪成圓片,直徑8 mm,中間穿一個小孔,使毛細管5可以自由通過而管狀電極4不能通過，銅片一側焊接銅線備用。薄塑料片2:把厚度為0.35 mm的塑料片剪成圓片，直徑8 mm，在塑料片中間穿一小孔，使毛細管5可以自由通過，管狀電極4不能通過。加工兩片薄塑料片2備用。厚塑料片3 :把厚約I. 5 mm的塑料片切成圓片,直徑6 mm,中間穿孔,使管狀電極4能夠穿過，它的作用是固定管狀電極4、使之與接地銅片(即屏蔽電極I)垂直。加工兩片厚塑料片3備用。管狀電極4:取醫用注射器針頭，用細銼截取一定長度，用砂紙將兩端磨平，製作成C4D檢測電極。在每個管狀電極4上焊接6 cm長銅絲作為電極引線。加工兩個管狀電極4備用。在毛細管表面塗上一層甘油，把各部分組合起來形成三明治結構，用502膠粘牢(固定時始終保持管狀電極4與屏蔽電極I垂直，且兩個管狀電極4在一條直線上)，各部分固定好後毛細管5仍然可以自由通過。最後在管狀電極4上套一小段塑料管6，防止用環氧樹脂密封檢測池時把管狀電極4堵塞。最後取環氧樹脂適量，加入一定比例的固化劑，置於燒杯中加熱攪拌數分鐘，在檢測池上均勻塗上ー層環氧樹脂膠，旋轉使塗層均勻，待環氧樹脂稍固化後放置一到兩天完全固化即可。交流信號源產生交流電壓信號，電壓幅度範圍0 20 VP_P，頻率範圍3 kHz^l80kHz可調，輸出波形為正弦波和方波。交流信號源包括波形發生部分和放大部分。波形發生部分採用文氏電橋振蕩器，輸出正弦信號經過放大，一路 直接作為正弦輸出；另一路經過過零比較器變換成方波輸出。輸出端採用電位器分壓，對輸出波形的幅度進行調整。如圖3所示，文氏電橋振蕩器的放大器採用增益帶寬為4 MHz的LF353，保證在輸出信號的頻率範圍內增益穩定。同時要求放大倍數大於3保證電路產生振蕩。RC串並聯網絡構成正反饋及選頻網絡，R1採用正溫度係數電阻，使電壓輸出穩定。R5和R6為同軸電位器，同時改變其阻值可以改變電路振蕩頻率，電路中對同軸電位器一致性要求較高，若調節時兩路阻值相差較大時，輸出波形的頻率會受到影響，甚至停振。同時切換C1和C2容值可以擴展振蕩頻率；調節R3可以改變正弦波輸出幅度。信號檢測電路包括放大電路、整流電路和基線調整電路。信號檢測電路將被測信號放大輸出，放大倍數14(Γ440可調，輸出交流和直流信號，直流輸出基線-13 V^13 V可調。被測信號經高精度放大電路後一路作為交流輸出，另一路經整流濾波送至基線調整電路，然後作為直流輸出。各部分電路以阻容形式耦合，濾除波形信號頻段以外的噪音及幹擾信號，提高電路的總體性能。如圖4所示，放大電路採用放大器0PA2132以串接形式形成兩級放大，提供合適的放大倍數，0PA2132具有很低的電壓噪聲和較寬的增益帶寬積(8 MHz)，保證了檢測器電路的性能。同時，調整R7的阻值可以在一定範圍內對放大倍數進行控制。如圖5、圖6所示，整流電路實現對交流信號的精密整流和濾波，變為直流信號。基線調整電路將整流和濾波後的直流與基準電壓進行比較，調整基準電壓改變放大器兩輸入端電壓差值，實現輸出直流電壓的調整。本實用新型使用文氏電橋振蕩器經放大電路輸出正弦波形，再經過比較器輸出方波，該輸出波形進過檢測池進入信號檢測電路。輸入信號經放大電路將有用信號及噪音同時放大，通過整流濾波和基線調整放大信號濾掉噪音，最終直流輸出信號，收集數據並進行分析。本實用新型可提供O 20 VP_P電壓範圍，頻率範圍3 kHz 180 kHz可調。放大倍數14(Γ440可調，輸出交流和直流信號，直流輸出基線-13 V^13 V可調。檢測池電極長度6 mm,電極間距I mm，當使用內徑為100 μ m的毛細管時,檢測池體積小於8 nL。為了減小噪音，還可對本實用新型進行優化，首先對交流信號源的設計進行了改進，減小了交流激發電壓的噪音；其次，用銅片對信號檢測電路進行了屏蔽，防止了其它電子元件對微弱的輸出信號的影響，優化後的本實用新型基線噪音減小至廣2 mV，檢測靈敏度得到很大提聞。如圖7所示，對糖類O. 2 mol/L混標進行了五次重複性實驗，以測試本實用新型的穩定性。電泳條件，使用毛細管柱，50 ym i.d. X 50 cm(有效長度40 cm);緩衝溶液，15 mmol/L NaOH + 5 mmol/L Na2HPO4 + 200 μ mol/L CTAB ;分離電壓，-22 kV ;壓カ進樣，50 mbar X 3 s;溫度，25°C。樣品為葡萄糖(0.04 mol/L)+ 果糖(0.04 mol/L) +蔗糖(O. 04 mol/L) ο重複性實驗結果樣品連續進樣五次，分別計算三個峰的保留時間和峰面積的相對標準偏差。果糖的分別為0.242%和6. 258%，葡萄糖的分別為0.436%和7. 459%，蔗糖的分別為O. 959%和6.538%。電導檢測器的時間穩定性電導檢測器連續運行500 min，基線平穩、無漂移，噪音穩定(f2 mV)。這說明檢測器電子電路時間穩定性好，符合日常使用要求。檢測器靈敏度在上述實 驗條件下，果糖、葡萄糖和蔗糖的最低檢出限可以達到0.1 mg/mL(S/N=3)。由於糖類和醇類物質的電導率較小，導致其電導檢測靈敏度較低，這是由方法本身造成的。非接觸電導檢測是基於緩衝溶液背景電解質與待測離子電導率存在差別進行定量，因此分析物、緩衝溶液的選擇在很大程度上都會影響非接觸電導檢測的靈敏度。以上實驗結果說明本實用新型的時間重複性好，保留時間及峰面積重複性好，可以保證測試結果的重複性與準確性。本實用新型可用於無機陰陽離子、糖類、胺基酸、多酚等物質的分離，各物質都取得了較好的分離。所有分離測定均在25°C下進行，每種樣品至少測定3次。實驗結果如圖8-13所示。圖8是4種無機陽離子的電泳圖。圖中，I. ΝΗ4'2· Κ+，3· Na+, 4. Li+;電泳條件，石英毛細管柱，50 ym X 50 cm (有效長度40 cm);緩衝溶液，10 mmol/L MES + 10mmol/L His (pH 5· 5, HAc 調)；分離電壓，25 kV;壓カ進樣，50 mbar X 2 S。現有技術中，由於無機離子的紫外吸收較弱，故只能用間接紫外法檢測，從而使靈敏度降低，同時由於生物大分子用紫外法檢測靈敏度不高，所以對這些物質的毛細管電泳分離就存在著檢出限低等缺點。用本實用新型檢測上述紫外檢測法靈敏度不高的物質，使分離物質帶電成為帶電粒子，從而根據其電導率的差異對其進行分離檢測。圖9是4種無機陰離子的電泳圖。圖中，I. CF ；2. Γ ;3· C2O廣；4. SO廣；電泳條件，石英毛細管柱，50 μ m X 50 cm (有效長度40 cm);緩衝溶液，15 mmol/L MES/His+ 200 μ mol/L CTAB (pH 5. 85，用 HAc 調)；分離電壓，-18 kV;壓カ進樣，50 mbar X 2
So圖10是13種胺基酸的電泳圖。圖中，I. L-精氨酸；2. L-組氨酸；3.氨基こ酸；4. L-丙氨酸；5. L-纈氨酸；6. L-異亮氨酸；7. L-絲氨酸；8. DL-蘇氨酸；9. L-天冬醯胺；10. L-甲硫氨酸；11. L-色氨酸；12. L-脯氨酸；13. L-半胱氨酸；電泳條件，石英毛細管柱，75 ym i.d. X 80 cm(有效長度65 cm);緩衝溶液，I. 7 mol/L HAc + 0.1%w/w輕甲基纖維素；分離電壓,20 kV;壓カ進樣,50 mbar X 3 S。圖11是3種多酚的電泳圖。圖中，I.莰菲醇-3-芸香糖苷；2.間苯二酚；3.莰菲醇；電泳條件，石英毛細管柱，50 ym i.d. X 50 cm (有效長度38 cm);緩衝溶液，150 mmol/L 2-氨基-2-甲基-1-丙醇(pH, 11. 27);分離電壓，20 kV;壓カ進樣,50 mbarX 10 S。圖12是6種酚酸的電泳圖。圖中，I. 2-甲氧基苯甲酸；2.香草酸；3. 4_羥基-3-甲氧基肉桂酸；4. 2-甲氧基肉桂酸；5.苯甲酸；6.水楊酸；電泳條件，石英毛細管柱，50 μ m i.d. X 50 cm (有效長度38 cm);緩衝溶液，150 mmol/L 2-氨基-2-甲基-1-丙醇(pH, 11. 27);分離電壓，20 kV;壓カ進樣,50 mbar X 10 S。圖13是3種糖類的電泳圖。圖中，I.果糖；2.葡萄糖；3.蔗糖；電泳條件，石英毛細管柱，50 ym i.d. X 53 cm (有效長度43 cm);緩衝溶液，15 mM NaOH + 5 mMNa2HPO4 + 200 μ M CTAB ;分離電壓，-22 kV;壓カ進樣，50 mbar X 2 S。最後說明的是，以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案而非限制，本領域普通技術人員對本實用新型的技術方案所做的其他修改或者等同替換，只要不脫離本實用新型技術方案的精神和範圍，均應涵蓋在本實 用新型的權利要求範圍當中。
權利要求1.一種低壓電容耦合非接觸電導檢測器，其特徵在於所述低壓電容耦合非接觸電導檢測器包括交流信號源、檢測池和信號檢測電路；所述檢測池包括屏蔽電極、管狀電極、第一塑料片和第二塑料片，第一塑料片和第二塑料片均為兩個；所述屏蔽電極兩側各設一第一塑料片，所述屏蔽電極和第一塑料片上均設有一小孔，所述小孔的直徑大於毛細管小於管狀電極，所述第一塑料片外側各設一管狀電極，所述兩個管狀電極各經一第二塑料片固定，管狀電極為中空結構，直徑大於毛細管，所述的管狀電極與屏蔽電極垂直。
2.根據權利要求I所述的一種低壓電容耦合非接觸電導檢測器，其特徵在於所述交流信號源包括波形發生部分和放大部分；所述波形發生部分採用文氏電橋振蕩器。
3.根據權利要求I或2所述的一種低壓電容耦合非接觸電導檢測器，其特徵在於所述號檢測電路包括放大電路、整流電路和基線調整電路。
4.根據權利要求3所述的一種低壓電容耦合非接觸電導檢測器，其特徵在於所述放大電路採用兩個放大器串接形成兩級放大電路。
5.根據權利要求I所述的一種低壓電容耦合非接觸電導檢測器，其特徵在於所述的管狀電極上套一塑料管。
專利摘要本實用新型公開了一種低壓電容耦合非接觸電導檢測器，其中，所述低壓電容耦合非接觸電導檢測器包括交流信號源、檢測池和信號檢測電路；所述檢測池包括屏蔽電極、管狀電極、第一塑料片和第二塑料片，第一塑料片和第二塑料片均為兩個；所述屏蔽電極兩側各設一第一塑料片，所述屏蔽電極和第一塑料片上均設有一小孔，所述小孔的直徑大於毛細管小於管狀電極，所述第一塑料片外側各設一管狀電極，所述兩個管狀電極各經一第二塑料片固定，管狀電極為中空結構，直徑大於毛細管，所述的管狀電極與屏蔽電極垂直。本實用新型能有效消除雜散電容及噪音，提高了檢測靈敏度和穩定性，成本低、使用壽命長。
文檔編號G01N27/447GK202442992SQ201120564629
公開日2012年9月19日 申請日期2011年12月29日 優先權日2011年12月29日
發明者冶保獻, 盧豔豔, 張書勝, 張斌, 徐飛飛, 蘇建坡, 郭亞肖, 齊若冰 申請人:鄭州大學