用於檢測水中重金屬離子的平板移界顯色電泳方法及裝置的製作方法
2023-10-29 21:34:57 1
專利名稱：用於檢測水中重金屬離子的平板移界顯色電泳方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於分析化學領域，特別是涉及用於檢測水中重金屬離子的平板移界顯色電泳方法及裝置。
背景技術：
我國是發展中國家，有著分布廣泛、數量龐大的資源消耗型製造企業。鉛、鎘、汞、 鉻等重金屬廣泛應用於工業生產流程中，如電池和電子元器件、印染和冶煉工業等，給環境帶來嚴重的重金屬汙染。近年我國鉛、鎘、汞等重金屬汙染事件發生率急劇上升，造成的危害觸目驚心，已經引起政府部門高度重視，多個省份已經執行重金屬汙染問責制，追究造成汙染人的法律責任。重金屬汙染成為環境衛生領域的重大問題，新近公布的「十二五」規劃中，也將其列為環境汙染治理的重點項目之一。重金屬一般指密度大於4. 5g/cm3的金屬，約有45種，如銅、鉛、鋅、鐵、鈷、鎳、錳、 鎘、汞、鉻、鎢、鉬、金、銀等。儘管鐵、錳、銅、鋅等是生命活動所需要的微量元素，但大部分重金屬如鉛、汞、鎘、鉻等並非生命活動所必需，而且所有重金屬超過一定濃度對人體都有毒害。在環境汙染方面具有代表性的的重金屬通常是指鉛、汞、鎘、鉻以及類金屬砷等生物毒性顯著的重金屬元素。由於重金屬不能被生物降解，因此直接排放如河流、湖泊、海洋或土壤中都將造成環境汙染。環境中的重金屬通過食物鏈的富集和生物放大作用，最終進入人體，並形成長期毒害。迄今為止，已經建立多種重金屬離子檢測方法，如原子吸收光譜、原子發射光譜、 生化傳感器等。然而這些方法都有其弊端，如樣品需要預處理、使用條件複雜、無法實現現場檢測、檢測速度慢、檢測價格昂貴等。我國重金屬檢測的現行標準方法有原子吸收分光光度法、原子螢光(AM)、雙硫腙萃取分光光度法、催化示波極譜法。前兩種方法準確度和靈敏度都比較高，但是需要大型、昂貴的儀器設備並在實驗室內進行，耗費時間長，無法實現現場快速檢測。雙硫腙萃取分光光度法操作繁瑣，且使用的有機萃取試劑具有致癌作用，在實際工作中很少運用。催化示波極譜法需要配備專用的儀器和電極系統。其它一些尚處於研究狀態的的實驗室方法，如電感藕合等離子體質譜(ICP-MS) 分析技術、電感藕合等離體原子發射光譜(ICP-AEQ、高效液相色譜法、免疫分析法、生物傳感器法、酶抑制法等，或是需要大型、昂貴的儀器設備在實驗室進行檢測，或是難以製備金屬離子的單克隆抗體，均不能實現重金屬離子的現場、快速、定量檢測。因此，如果能夠建立一種針對水中重金屬離子的快速、準確、低成本的定量檢測方法，在汙染的早期提出環境危害預警，將為水質衛生監督監測提供可靠的指標依據，對保護生態環境和人類健康具有非常重要的意義。本發明成功地提供了一種全新的水中重金屬離子快速檢測方法及檢測裝置，即平板移界顯色電泳法。採用本發明中的檢測裝置，能夠實現在短時間內(一般不超過IOmin) 對水中重金屬離子做出現場、快速、定量檢測。
發明內容
利用超分子顯色劑對重金屬離子進行特異性選擇、顯色後，在平板直流電泳中，該顯色的絡合物質會定向移動，並聚集到電泳槽內某一區域，發生肉眼可見，直觀的變化。顯色區域的面積特徵與被測重金屬離子濃度存在相關性。這是一種全新的重金屬離子檢測方法，即平板移界顯色電泳，其英文名稱為Plate Moving Coloring Electrophoresis，簡寫為 PMCEP。本發明的技術方案如下平板移界顯色電泳用於水中金屬離子的檢測方法，把平板電泳、超分子衍生物質選擇顯色、顯色移界電泳方法結合使用，利用超分子物質的可修飾、空間結構尺寸可控性， 形成金屬離子與超分子大質量的帶電分子團的方法，選擇性結合被測金屬離子後的，利用電泳移界進行顯色區域集中移動顯示來分辨檢測。操作步驟如下1)根據要檢測的金屬離子的實際方法需要，將修飾過的對該金屬離子具有高選擇性的超分子顯色試劑或調節電性、PH值的緩衝液，加入平板移界顯色電泳槽內，水平放置；2)依次將數十微升被測水樣和顯色試劑加入平板電泳槽內，使槽內試劑混合均勻，均勻展開；3)將電源正、負極分別對應電泳槽內正、負極，接通兩電極，調節至檢測電壓，電流控制在IOmA以內，接通電源；4)當槽內顯色區域長邊方向在60s內變化 2kV/mm不導電的材料。優選的絕緣或化學惰性材料為聚乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基矽氧烷、聚丙烯、玻璃或石英。發明的原理及理論依據超分子物質是指由兩種或兩種以上分子依靠分子間相互作用結合在一起，組成複雜的、有組織的聚集體，並保持一定的完整性使其具有明確的微觀結構和宏觀特性，超分子內的分子間作用力屬於非共價鍵，通常是靜電作用、氫鍵和範德華力等。超分子普遍存在， 如酶及其底物、激素及其受體和冠醚與某些金屬的包合物都是超分子。目前化學界研究的超分子物質主要有金屬離子絡合物、嚇啉、環糊精、冠醚、杯芳烴及其衍生物，該類物質具有的高度可修飾性和結構尺寸可控性，使其對金屬離子的選擇性遠高於其它物質，所以，近年來超分子對金屬離子選擇分離研究受到了化學界的高度重視。經發明者驗證，修飾、調整過的超分子物質及其衍生物質，不僅可以特異性結合目標金屬離子，使其從樣品中分離出來，且可枝接固定上可在一定電性或PH條件下顯色的基團。在電泳檢測時，修飾、調整過的超分子體系與目標金屬離子特異性結合後，形成分子質量更大的分子絡合物，這些分子絡合物在電場的作用下，會產生泳動效應，聚集到電泳槽內某一個區域並顯色，該區域的面積特徵與被測水樣中金屬離子濃度存在數學比例關係，藉此數學關係，即可計算出目標金屬離子的濃度，最低檢出限可達0. 05mg/L。本發明的創新性工作介紹自1937年電泳技術問世以來，多用於對核酸、蛋白質等生物有機大分子的分析和比對檢驗，但其無法實時顯色，且操作過程複雜，需要經過長時間繁瑣的染色、脫色等步驟， 在專業的紫外燈照射下，才能得到最終分析結果。電泳技術尚未應用於金屬離子的檢測，原因在於(1)缺乏對重金屬離子穩定、特異、便於顯色檢測的絡合物體系。(2)金屬離子電荷與質量比非常大，根據電泳速度V = EXQ/m，在數秒內或幾乎瞬間，金屬離子就會跑完兩極之間的距離，無法實際應用。(3)金屬離子活躍，在低電壓電場強度下就有明顯的電化學反應(電解)。(4)目前的大多數金屬離子絡合物如冠醚、嚇啉、糊精等都呈電中性，不能利用電泳技術檢測。本發明中的平板移界顯色電泳檢測方法，針對以上四個問題，進行了創新性地巧妙解決(1)引入修飾過的對金屬離子具有良好選擇性的超分子顯色體系，主要是金屬絡合物、P卜啉、冠醚和杯芳烴。我們的前期試驗及其他實驗室的研究結果也證明了超分子體系對鎘、鉛、汞、鉻的選擇效果極佳。( 本發明設計的載體液無電性，加入的樣品和緩衝液雖是強電解質，但濃度卻極稀薄，且增敏(溶)劑加強了不帶電性，由此降低了顯色離子絡合物的電泳速度，基本都在IOmin內跑完平板全程，完全滿足檢測控制要求。同時由於被檢金屬離子結合了數個超分子，從而使金屬離子成為粒子團的一部分，其質量較金屬離子本身已大大增加，達到一千甚至數千道爾頓以上，並且整個粒子團也因此帶有電性，符合電泳技術要求。(3)本發明的平板電泳裝置，電極採用鉬金惰性電極，電源電流控制在IOmA以內， 兩極和電泳液內的電化學反應及其輕微，對電泳顯色的影響可以忽略不計。更為重要的是， 參與電化學反應的一些電解質離子，並不能被超分子選擇，即使發生了電解或氧化還原反應，也不顯色。(4)由於大多數未經修飾的的超分子絡合物是電中性的，如果分子團沒有電性，即使解決上述三個問題，仍然不能運用電泳檢測。本發明分別採用兩種方法使離子絡合物帶上電性①在超分子修飾時，加上使絡合物帶有一定(正或負)電性的修飾基；②在檢測時加上緩衝液，從而使超分子顯色基團在所有反應液包括被檢測樣品混合反應後，具有一定的電性。本發明首次將超分子特異性選擇體系、平板電泳、宏觀顯色、移界電泳方法巧妙結合，利用超分子物質(冠醚、杯芳烴等)的可修飾性及對金屬離子的高選擇性，使其與金屬形成大質量的帶電粒子團，改變了以往金屬離子由於質量太小、相對本身電荷量大、電泳無法分辨檢測的狀況，並首次在現有理論的基礎上設計了微型PMCEP裝置。本發明的特點⑴改變了以往平板電泳不能檢測水中金屬離子的現狀。(2)將自由移界電泳創造性地以平板薄槽電泳形式進行運用。C3)運用特異性很強的金屬絡合物、冠醚、杯芳烴等超分子物質，使結合重金屬離子的顯色基團分子總量大大提高，從而使金屬離子能夠通過電泳技術來檢測。檢驗裝置說明本發明中的金屬離子檢測裝置並不複雜，操作使用十分簡便一副帶惰性電極的微型平板電泳器(卡片)、一個功率為數瓦的調壓直流電源、一把測量精度為0. Imm的尺規
工具。
權利要求
1.平板移界顯色電泳用於水中金屬離子的檢測方法，其特徵是把平板電泳、超分子衍生物質選擇顯色、顯色移界電泳方法結合使用，利用超分子物質的可修飾、空間結構尺寸可控性，形成金屬離子與超分子大質量的帶電分子團的方法，選擇性結合被測金屬離子後的， 利用電泳移界進行顯色區域集中移動顯示來分辨檢測。
2.如權利要求1所述的檢測方法，其特徵是1)根據要檢測的金屬離子的實際方法需要，將修飾過的對該金屬離子具有高選擇性的超分子顯色試劑或調節電性、PH值的緩衝液，加入平板移界顯色電泳槽內，水平放置；2)依次將數十微升被測水樣和顯色試劑加入平板電泳槽內，使槽內試劑混合均勻，均勻展開；3)將電源正、負極分別對應電泳槽內正、負極，接通兩電極，調節至檢測電壓，電流控制在IOmA以內，接通電源；4)當槽內顯色區域長邊方向在60s內變化<0.5mm時，視為反應終止；用直尺測量槽內顯色區域的長度，計算顯色區域面積；5)將上一步測算結果代入相關性工作曲線公式，計算出樣品中金屬離子的濃度。
3.如權利要求2所述的方法，其特徵是所述的可修飾性超分子為金屬螯合物、絡合物、 卟啉、冠醚、環糊精、杯芳烴或杯冠與被測金屬離子結合成帶電性的、且使分子量提高1倍以上的絡合物。
4.平板移界顯色電泳用於水中金屬離子檢測裝置，其特徵是在絕緣或化學惰性材料加工的卡片上，設置一個水平上開口的立體方槽，底部及四周無滲漏，該槽長為10 1000mm、 寬為1 5mm、高為0. 1 3mm ；兩端各設一個惰性電極，一正一負。
5.如權利要求4所述的裝置，其特徵是所述的絕緣或化學惰性材料為介電常數>2kV/ mm不導電的材料。
6.如權利要求4或5所述的裝置，其特徵是所述的絕緣或化學惰性材料為聚乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基矽氧烷、聚丙烯、玻璃或石英。
全文摘要
本發明涉及用於檢測水中重金屬離子的平板移界顯色電泳方法及裝置。把平板電泳、超分子衍生物質選擇顯色、顯色移界電泳方法結合使用，利用超分子物質的可修飾、空間結構尺寸可控性，使經過修飾、調控過的超分子物質選擇性結合被測金屬離子後，與金屬離子形成相對更大質量的帶電分子團的方法，再在微型平板電泳平臺上進行移界顯色，檢測反應的顯色區集中移動到平板電泳槽內某一區域，來進行重金屬離子的快速分辨檢測。在絕緣或化學惰性材料加工的卡片上，設置一個水平上開口的立體方槽，底部及四周無滲漏，該槽長為10～1000mm、寬為1～5mm、高為0.1～3mm；兩端各設一個惰性電極。本發明克服了自由電泳的散熱對流問題，使自由移界電泳簡單、快速的優點盡現發揮，能夠檢測出水樣中重金屬離子鎘、汞、鉛、鉻的濃度，達到了發明預期設計的目的，具有實際應用價值。
文檔編號G01N27/447GK102411025SQ20111022667
公開日2012年4月11日 申請日期2011年8月8日 優先權日2011年8月8日
發明者劉楠, 朱蓓, 李曉麗, 歐國榮, 馬新華 申請人:中國人民解放軍軍事醫學科學院衛生學環境醫學研究所