毛细管电泳法间接测定茶水_矿泉水中金属离子.pdf

第 15卷第 3期20 09年 09月分析测试技术与仪器ANALYSISAND TESTI NG TECHNOLOGY AND I NSTRUMENTSVolume 15Number 3 Sep.2009分析测试研究报告(135 139)毛细管电泳法间接测定茶水、矿泉水中金属离子王清萍1,2,陈国南2,林金明3(1.福州大学 化学化工学院 食品安全分析与检测教育部重点实验室,福建 福州 350002;2.福建师范大学 化学与材料学院,福建 福州 350007;3.清华大学 化学系,北京 100084)摘 要:采用毛细管电泳间接紫外检测技术测定了茶水、矿泉水中金属离子的含量.研究了电泳液组成和最佳实验条件.结果表明:采用 pH=4.82含有浓度为 6.0mmol/L咪唑的乙酸缓冲液作为电泳液,压力进样(30mbar 5 s),未涂层石英毛细管柱 75 Lm 50 cm,分离电压 12 kV,检测波长 210 nm,柱温为 25 e 实验条件下,6 m in内实现K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Zn2+5种离子的分离和测定.保留时间的相对标准偏差(RSD)小于 0.5%,峰面积 RSD小于5%(n=7),最低检测限依次为 0.002、0.001、0.001、0.010和 0.050mg/L.该方法用于茶水、矿泉水中金属离子含量的测定,回收率 95.6%108.6%,结果良好.关键词:毛细管电泳;间接检测;金属离子中图分类号:O657.7文献标识码:A文章编号:1006-3757(2009)03-0135-05 高效毛细管电泳(H igh-perfor mance capillaryelectrophoresis)是离子或物质以电场为驱动力,在毛细管中按其淌度或分配系数不同进行高效、快速分离的一种电泳新技术.在应用广泛的毛细管区带电泳(Capillary zone electrophoresis,CZE)中,用谱峰的迁移时间(tm)作为定性分析的依据,用谱峰的高度(h)或峰面积(A)作为定量分析的依据 1.近几年毛细管电泳(CE)技术迅速发展,被广泛应用于农业分析、环境检测以及医学鉴定等方面 2-4.应用研究包括:蛋白质分离 5、糖分析 6、DNA 测序 7、手性分离 8-9、单细胞分析 10-12等.同时无机离子的毛细管电泳分离分析研究也有较大的进展 13-16.由于多数阳离子在紫外波段没有吸收,故无机阳离子的CE分离通常是在缓冲溶液体系中添加配合剂,使溶质淌度发生选择性改变,增大有效速率差异.本文较系统地研究了几种金属阳离子的毛细管电泳分离,考察了 2种不同配合剂对分离的影响,并研究了方法的重现性、线性及最低检测浓度.在 6 m in内实现了 K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Zn2+5种金属阳离子的分离,在最佳实验条件下首次测定了茶水、矿泉水中金属离子的含量.该方法具有快速、简便、灵敏度高、重现性好、测定成本低的特点.1 实验部分1.1 仪器LUMEX 105 型高效毛细管电泳仪及检测器(190 400 nm,俄罗斯 LUMEX公司);未涂层石英毛细管(内径 75 Lm,有效长度 50 c m,俄 罗斯LUMEX公司);PHS-3C型精密 pH计(上海大普仪器有限公司);CARY 50 Bio UV-ViS紫外分光光度计(美国瓦里安公司);Chrom&Spec数据处理工作站(俄罗斯 LUMEX公司).1.2 试剂和样品咪唑(购自国药集团化学试剂有限公司);冰醋酸、硫酸均为分析纯.各阳离子储备液均采用相应分析纯氯化盐配制,阳离子储备液浓度均为 1.0 103mg/L备用.分析用水为二次去离子水.样品有西湖龙井(杭州、2004年春茶)、白岩牌矿泉水(福建).1.3 缓冲液和标准溶液的制备1.3.1 缓冲液称取咪唑 0.204 2 g用二次水溶解,定容为 50mL备用.每次取母液 1mL定容为 10mL,接近刻度收稿日期:2009-07-13;修订日期:2009-08-19;通讯联系人:林金明,e-mai:lj m lin mai.l 1基金项目:福建省自然科学基金资助项目(2007J0130);福州大学人才基金.作者简介:王清萍(1962-),女,在职博士,副教授,主要从事食品分析与环境污染物的研究.e-mai:l wangqp .分析测试技术与仪器第 15卷线时用 0.2mol/L 冰醋酸调 p H 值为 4.82(用酸度计适时测定).1.3.2 标准溶液分别称取 CaCl2#2 H2O 0.367 2 g、MgCl2#6H2O 0.836 4 g、ZnCl20.208 4 g、NaCl 0.254 5 g、KCl 0.190 6 g,用水定容为 100 mL 储备液备用.实验所用的低浓度标准溶液均由储备液稀释而成.1.4 样品的前处理移取二次水 50mL于 100mL锥形瓶中,水浴加到 90 e 后放入称取的茶叶 0.5 g,搅拌回流 15 m in冷却、抽滤,用 10 mL 二次水淋洗 3次,最后定容100mL.即得到西湖龙井茶母液放入冰箱中备用.白岩牌矿泉水直接用 0.22 Lm滤膜过滤备用.1.5 电泳条件实验前毛细管分别用水、0.1mol/L NaOH、水各清洗 10 m in,然后用缓冲液冲洗 3 m in后即可进行电泳分离分析.实验中的 2次运行期间,毛细管仅依次用蒸馏水、缓冲液各清洗 2 m in即可进行电泳分离.所有溶液在进样分析前均用 0.22 Lm 膜过滤,并经超声除去气泡后开始实验.2 结果与讨论2.1 检测波长的选定用紫外分光光度计绘制咪唑、金属离子混合液的光吸收曲线(以水为溶剂).发现咪唑在 206 nm处有最大的吸收,金属离子混合液无紫外吸收.实验中我们还进一步考察了波长分别为 206、210和 214n m 处金属离子混合液电泳的分离情况,综合考虑组分的分离度以及分析灵敏度,得出在 210 n m 波长处检测各组分的分离情况最佳.2.2 缓冲液体系的选择分别研究了咪唑-硫酸、咪唑-冰醋酸 2种缓冲液对组分的分离效果和灵敏度的影响.实验结果表明:在其它条件相同情况下,5种金属离子在咪唑-硫酸中没有达到基线分离;而在咪唑-冰醋酸中各离子分离度较高,基线平稳.因此本文选择咪唑-冰醋酸缓冲液作为毛细管电泳的运行缓冲体系.但实验还发现:在咪唑-硫酸中 Na+比 Ca2+先出峰;而在咪唑-冰醋酸中 Ca2+比 Na+先出峰.我们认为这是由于金属离子的配合作用越大,有效迁移率越小的结果,可见配合剂不同,各离子的分离选择性不同.即配合剂与各金属离子的配合作用不同会改变离子的有效迁移率.2.3 缓冲液 pH的影响研究了电泳液的 p H 值对分离效果的影响.一般认为 pH是电泳分离的重要影响因素.电泳液的p H 值不仅影响样品溶质的有效电荷数,同时还影响毛细管壁和离子表面双电层结构,影响电渗流的大小,决定样品溶质在电场中的迁移速度.实验研究了p H 值为 3.76 5.23的范围内,6.0 mmol/L咪唑-冰醋酸缓冲液 pH 与迁移时间的关系(如图 1所示).在此酸度范围内 5种金属离子分离情况都较好,它们的迁移时间都随 p H 值的增大而减小.但当缓冲液 p H 值小于 3.75时组分不出峰;缓冲液 p H值大于 5.85时,各组分的 峰形展宽导致 Na+、Mg2+、Zn2+的迁移时间几乎相同而无法有效分离,只有 K+、Ca2+在整个范围内都可以和其它 3个组分很好的分离.其中 p H 为 4.82时,组分分离好且峰形最好.综合考虑分离度和分析时间的影响,我们选定运行液的最佳 p H 为 4.82.图 1 缓冲液酸度对迁移时间的影响Fig.1 Effect of pH ofrunning buffer solution on m igration ti m e2.4 缓冲液浓度的影响缓冲液的浓度不仅决定溶液的导电性能,还影响运行液的速度系数、分析组分的扩散系数,所以可通过改变缓冲液的浓度来改善分离效率,我们考察了不同浓度的缓冲液对组分分离效率的影响.实验了 pH值为 4.82的咪唑-冰醋酸缓冲液浓度分别为 4.0、5.4、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、8.5、9.0、9.5、10.0 mmol/L时 5种离子分离的影响(由于是间接测定,所以实验背景电解质是 4.82的咪唑-冰醋酸缓冲液,在保证咪唑浓度下用醋酸或氢氧化钠或盐酸溶液调节酸度,酸度计测定.结果如图 2所示).5种金属离子的迁移时间随缓冲液浓度的增加而增136第 3期王清萍,等:毛细管电泳法间接测定茶水、矿泉水中金属离子大.当缓冲液浓度小于 6.0 mmol/L时,Na+、Mg2+、Zn2+不能完全分离;在浓度为 6.0 10.0mmol/L范围内,各离子达到完全分离.咪唑浓度增大有利于分离,但浓度太大时,强的背景吸收会掩盖离子峰,从而降低方法的灵敏度.冰醋酸浓度太大会导致各组分的迁移时间增加;浓度太低,则配合效果差,各组分间的区分度变差.综合考虑分离效果、分析时间、以及样品的用量,我们选择缓冲液的最佳浓度为610mmol/L.图 2 缓冲液浓度对迁移时间的影响Fig.2 Effect of concentrationof running solution onm igration ti m e2.5 分离电压和进样时间的影响电压对组分的分离时间和分离效果有较大的影响.分离体系的最佳外加电压与缓冲液离子强度及毛细管内径和长度有关.本文试验了毛细管内径为75 Lm,有效长度为 50 c m,分离电压分别为 8、10、12、14、16、18、20、22 kV时各组分的分离情况.5种离子的迁移时间都随着分离电压的增大明显减小.在 8 18 kV范围内都可以达到基线分离.当电压小于 8 kV时,由于迁移速度太慢,待测样品会在毛细管内扩散,造成峰展宽;当电压大于 20 kV时,迁移时间大大减小,各离子峰的分离度变差,同时 Na+、M g2+峰会出现重叠.塔板数与分离电压成正比,电压越高,塔板数就越高,但是高的分析电压又会导致焦耳热效应的增加,对分离效率产生负面影响.在12 kV时,各组分既可达到基线分离又具有较大的峰面积,同时保留时间也很短.综合上述因素,我们选择了 12 kV作为最佳分离电压.进样时间长短涉及到进样量的多少,也会影响检测灵敏度,为了达到最佳的分离效果和灵敏度.实验中采用 30 mbar压力进样,分别考察了进样时间为 2、4、6、8、10、12 s时的分离效果和灵敏度.实验结果表明:随着进样时间的增加,组分的迁移时间也增大.进样时间在 4 10 s范围内分离效果都很好.当时间小于 4 s时,灵敏度低,只出 2个峰;当进样时间大于 10 s时,各组分峰形展宽.综合考虑样品的用量以及分离效果,我们选择 5 s为最佳的进样时间.2.6 线性范围、检测限和重现性在 5个金属离子最佳电泳分离条件下,对系列标准溶液混合样进行分析,其标准混合液的电泳图(如图 3所示).以电泳谱图的峰面积(A)分别对离子浓度 C(Lg/mL)进行回归分析,得出各组分的线性回归方程、相关系数、以及 3倍信噪比对应浓度的检测限.结果可知:各离子线性范围分别为 K+:6125 50 Lg/mL;Ca2+:1 50 Lg/mL;Na+:1 50Lg/mL;M g2+:1 40 Lg/mL;Zn2+:0.5 50 Lg/mL.相对应的最低检测限依次为 0.002、0.001、0.001、0.010和 0.050 Lg/mL.相 关系数(R2)分 别为0.993 9、0.997 7、0.996 8、0.997 4、0.998 3.图 3 标准混合液的电泳谱图Fig.3 Electropherogram of standard m ixture solutionPeaks:1.K+;2.Ca2+;3.Na+;4.M g2+;5.Zn2+.Separation conditions:fused-silica capillary,75 Lm(.i d.)with 50cm effective length;running buffer,6.0 mm ol/Li m idazole-acetate acid(pH=4.82);applied voltage of 12kV;sam ple injection:30 mbar 5 s;detection wavelength,210 nm.2.7 茶水、矿泉水中金属离子测定在上述的最佳条件下,直接测定了西湖龙井茶水、白岩牌矿泉水中金属离子含量.白岩牌矿泉水毛细管电泳图见图 4.加标实验证明了白岩137分析测试技术与仪器第 15卷牌矿泉水中含 Ca2+、Na+、M g2+3种离子,其毛细管电泳图中的 2、3、4号峰分别是 Ca2+、Na+和M g2+离子.将西湖龙井茶水超声除去气泡、稀释后经过0122 Lm 膜过滤进行测定,其毛细管电泳图见图 5.加标实验证明了茶样谱图中的 1、2号峰分别是 K+和 Na+,可见西湖龙井茶样中含 K+、Na+2种离子浓度较高.白岩牌矿泉水、茶水均连续进样 7次.由回归方程计算样品中离子含量.样品中离子含量及回收率测定结果分别见表 1.图 4 白岩牌矿泉水的电泳谱图Fig.4 Electropherogram of Baiyan m ineralwaterPeaks:2.Ca2+;3.Na+;4.M g2+.Separation conditions,the sam e as in Fig.3图 5 龙井茶水的电泳谱图Fig.5 Electropherogram ofLongjing TeaPeaks:1.K+;2.Na+.Separation conditions,the sam e as in Fig.3表 1 矿泉水与茶水中金属离子的分析结果(n=7)Table 1 Analytical results ofm etal ions in Longjing Tea and Baiyan m ineralwater(n=7)样品离子离子含量/(mg/L)RSD/%加标量/(mg/L)加标后测定量/(mg/L)回收率/%RSD/%白岩牌矿泉水Na+11.3(2.70)10.022.2108.61.32Ca2+24.6(1.05)10.034.598.62.36西湖龙井茶水K+13.6(2.91)10.023.7100.71.70Ca2+10.09.696.60.98Na+0.6(4.64)10.010.7101.14.40Mg2+10.010.3102.91.17Zn2+10.09.695.64.244 结论本实验采用毛细管电泳间接紫外检测法测定了西湖龙井茶样中的 K+、Na+的含量及矿泉水中Ca2+、Na+的含量.结果可靠,方法简单、快速、有效.可见毛细管电泳间接紫外检测法可以成为检测各种不同类型水体中金属离子含量的有效方法.参考文献:1 陈义.毛细管电泳技术及应用 M.北京:化学工业出版社,2000:1-3.2 M artinez D,Borrull F,Calull M.Strategiesfordeter m ining environmental pollutants at trace levels inaqueous samples bycapillary electrophoresis J.T rends inAnalyticalChe m istry,1999,18(4):282-291.3 Rodriguez R,P ico Y,Font G,et al.Analysis ofthiabendazole and procymidone in fruits and vegetablesbycapillaryelectrophoresis-electrospraymassspectrometry J.JChromatogr A,2002,949(1-2):359-365.4 M ateus L.Enantioseparation of atropine by capillaryelectrophoresisusingsulfatedb-cyclodextrin:application to a plant extract J.J Chro matogr A,2000,868(2):285-294.5 Fung YS,Sun 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than 0.5%and 5%(n=7),respectively.The detection li m its of K+,Ca2+,Na+,M g2+and Zn2+were 0.002,0.001,0.001,0.010 and 0.050mg/L respectively.The recoveries of themetal ions in real sa mpleswere in the range of95.6%10816%.K ey words:capillary electrophoresis;indirectUV detection;metal ionClassifying nu m ber:O657.7139