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毕业设计（论文）外文翻译
Electrochemicaldetectionmethodsincapillaryelectrophoresisandapplicationstoinorganicspecies
毛细管电泳电化学检测方法
在无机元素中的应用
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本科
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电气与信息学院
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自动化
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讲师
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2008年4月23日
学生姓名
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电化学检测法在毛细管电泳
和无机元素中的应用
摘要：
本文论述了毛细管电泳的三种电化学检测即电导检测法、安培检测法和电位检测法，并与较常见的光学检测方法进行了比较。
详细介绍了三种检测方法的原理及其实现方法，同时介绍了它们在无机元素分析物中的应用情况。
关键字：
电化学检测、毛细管电泳；无机阴离子、金属阳离子。
目录：
1.简介--------------------------------------------------------------1
2.电导检测法--------------------------------------------------------2
2.1原理----------------------------------------------------------2
2.2实现方法------------------------------------------------------3
3安培检测法--------------------------------------------------------6
3.1原理----------------------------------------------------------6
3.2实现方法------------------------------------------------------6
4电位检测法--------------------------------------------------------5
4.1原理----------------------------------------------------------9
4.2实现方法------------------------------------------------------9
5在无机元素中的应用------------------------------------------------9
6总结-------------------------------------------------------------10
7参考文献---------------------------------------------------------10
1．简介
毛细管电泳的检测方法通常采用光学方法（激光诱导荧光检测法），而毛细管电泳的三种电化学检测法即电导测定法、安培检测法、和电位测定法是非常有吸引力的一种替代方法，尽管目前开发的还相对较少。
相对套色板离子法来说（其他和以前一般化的检测方法）他主要借助于电导性能而不是运用光学方法。
由与针对毛细管中更小体积细胞的光学检测变得更加困难，而且事实上许多离子也不能直接由光学方法直接检测到，或许当人们意识到这些的时候会感到很惊讶。
关于这一情况或许有两种解释。
首先由于高性能流体套色板的广泛应用，我们在毛细管电泳中通常采用光学吸收检测法，许多毛细管电泳仪器制造商似乎已经走上这一路线并且将其纳入他们已有的毛细管电泳仪器检测中去了。
其次应由于可分离的高电压与电化学检测有着本质的矛盾，在以前，通常借助于精密的设计来克服这一问题，但在最近几年，通过设计正确的系统，这不再成为问题。
三种不同的电化学检测方法有一个共同的本质上的特点，那就是比光学检测要简单的多。
我们可以直接得到电信号而不用借助于中间参数（例如光学检测法中的辐射强度）。
检测器仅仅包含三个或更少的小电极和一些非常简单的电路，而光学检测法需要有光源、单色光镜、光学检测器和光学聚焦。
在光学检测法中，细胞的体积大小直接影响到光信号的传播路径，也正是因为此，需要求毛细管的直径应尽可能的大。
而对于电化学检测法，细胞的体积大小仅仅影响电导率的测量。
在安培检测法中，影响信号的只是电极的位置，而细胞的大小则限制在可应用的样品体积内；在电位检测法中，信号与传感器的大小、细胞的体积和毛细管的直径完全无关。
但是另一方面，在光学检测法中，我们可以在应用于毛细管的可分离电压中设计完全绝缘而不受可分离电压干扰的光电隔离检测器。
电导检测法可以被认为是大众化的方法，而安培检测法则受到电活化离子的限制，电位检测法对于一些变化多样的小离子来说则无能为力。
安培检测法有非常低的检测限，而光学检测法的吸收性和荧光性的测量也受到表现出不同属性的离子的限制。
由于这个原因，我们经常用间接的光学方法取代直接对分析物的检测而进行辅助检测（强制来获得整体的中性电荷）。
当分析物不能被直接检测到的时候，这一方法也可应用于电化学检测法中。
利用分析物的化学衍生物检测也是一个可行的做法。
但这些方法都不太理想，因为间接检测只被限制在一个很小的范围内而衍生物又使测量过程更加复杂。
在实际应用中，对检测方法的选择首先要利用被检测物的内在特性作为直接检测对象，然后还要立足于其可实现性和要求检测的上下限。
而当检测几个不同元素且又不可能具有同样的检测属性时，必须要找到一种折衷的方法。
2.电导检测法
2.1原理
在此方法中运用溶液中离子电荷的导电能力，当施加电压时会在两个电极之间产生电流，并根据欧姆定律测量出低阻抗或电解溶液的导电率。
为了防止电极周围产生氧化还原反应，通常使用频率为1KHZ的交流电。
如果使用更高赫兹的交流电，可能会产生与溶液无关的电极从而与样品以外的细胞产生联系。
[16]溶液的电导率（L）与电极的面积（A）、它们之间的距离（I）、电荷的积聚度（C）以及它们在电场中的迁移率有关，根据等式
（1）：
L=
（1）
离子的流动性与它们的大小（水合离子的半径）和电荷数量的多少有关，顺便值得一提的是，对于电泳分离的离子也有与此下相同的性质。
因此电导检测法不具有可选性，是一种单机方法，这就对样品组成的大体环境有了一定的限制。
所有离子在电压下都会有相应反应，而这恰恰是分离离子检测法所需要的，也正因为这一原因，电导检测法被广范的应用于离子套色板中。
[17]一方面这一特点使所有本底离子做出相应的反应，例如那些在离子套色板中的缓冲液或PH值的反应和在毛细管电泳中的离子强度缓冲器和分析离子中的抗衡离子的反应。
另一方面的原因是传导等式中包含了所有情况的总和，较高的电导率会降低分析物检测的限制。
因此所谓的压力检测法被广泛应用于离子套色板的方法中，这里隐藏的离子在检测前被从流体中移除。
同样值得注意的是等式中电极的面积和电极之间的距离与细胞的体积有关，因此也对测量信号有一定的影响。
2.2实现方法
在以前的毛细管电泳法和等速电泳系统中，通常使用电位梯度检测法[8-11]。
这里，由于电场效应在溶液中产生的电位检测区域可以通过单电极或一对惰性电极检测。
如果电导率不同，那么在分离的毛细管中的电压降也就不一致。
由于传导率的这一特性，我们可以直接检测这一性质而不需要测量信号，这是一个很不错的方法。
但是，可以想到相对于正常的交流模式的传导率测量方法，这会导致更多的内部干扰。
或许正是因为此原因这一方法没有受到广泛的接受。
在早期的研究中，会使用的孔径来分离毛细管，电极检测器被直接安置在分离的毛细管电极终端的前面。
这可以由图一看出，为了避免检测到血管中的电压梯度，将两个电极方向相反相互垂直的安放在管道的两侧。
通过合理的设计交流检测电极，同样可以达到直流低频的效果。
在Huangetal的首篇关于现代硅土毛细管的电导检测介绍中，通过激光打孔技术在血管壁上打了两个小孔以便安放两个检测电极。
更简单的安置技术在中有相关介绍。
[14]后面的这一安置方法中，一个电极被喷墨裱好后直接放在血管的外侧，另一个电极放在一个有一定距离的缓冲容器中，如图1.B所示。
图1电导检测法
（A）:
由两个检测电极（DE）线性排列，对电极独立接地的简易装置（GND）。
（B）:
由单个检测电极和对电极接地构成。
这样电泳就可以通过电导率来衡量。
电导率信号可以通过放置在外侧的电极来放大，因为这样可以在相反的电极上获得较大的流体横截面，这一几何形式会直接导致外围电场的损失。
关于电化学检测的商业化设备现在已经可以进行联合制作了。
[14]
一般的电导检测的检测范围和注射试样相对较高，大概在
MOL/L。
压力检测允许的检测范围的浓度可达
MOL/L。
[15-18]可通过使用弱酸来移除缓冲离子或在使用离子交换剂通过隔膜来提取非离子物质，释放质子或氢氧离子。
为了使毛细管实现电泳而不增加谱带宽度，常采用一个相似体积的离子交换剂附在以分离的血管电极细胞前面，如图2所示。
为了检测更低一级，比起无压力电导检测法和使用了缓冲器的检测法，这种实现方法将会更加复杂。
图2由化学池压力器组成的电导检测
电泳的接地端在溶液受到压力器作用的容器中，可以通过测量柱体末端的对地极或系统中的两个独立电极来获得电导值。
另一种降低检测限的方法是使用样品堆栈的方法，其浓度可达1ppb。
关于低ppb的混合物的电泳图如图3所示。
但是样品堆栈仅适用于低离子强度，为获得足够精度则需进行内部标准化。
图3使用电导检测法对标准低浓度样品的电化学图谱[14]
近来一种遥控电导检测法正在引起人们的注意。
两个管状电极放置在毛细管上，在连接处检测器的体积会形成电容，所以需采用40KHZ的交流电。
这一装置的构造非常简单并允许连接两个检测器。
这一检测方法与末端管状检测相比有一定的局限性。
3.安培检测法
3.1原理
安培检测法主要基于分析物在工作电极的氧化还原反应原理，因此它的使用范围不像电导检测法那样广泛，但另一方面，它却可以实现低检出限。
通常安培检测法中的电流（i），与电极面积（A），交换电荷数（n），法拉第常数（F），扩散系数（D），扩散层浓度（
）和待分析物浓度（c）有关，如式
（2）：
（2）
安培检测法实现的先决条件是提供的阳极或阴极电压能在分析物上产生氧化还原反应，在电极反应这一过程中溶液的浓度不能有较大的改变。
对于毛细管电泳中较小体积的细胞，不会出现这种情况但在完全电解的溶液附近则有可能发生。
这一方法通常被称为电量分析法，但两种方法又不能清楚的区分开来。
这一小部分用于氧化还原反应的分析物被称作库仑效率，高灵敏度的检测往往要求较高的库仑效率。
当应用于系统的电压不稳定时常采用脉冲安培检测法（例如通过累积电极表面反应的产物），在这一方法中，通过一开始施加很高的阳极电压使生成物和电极表面本生产生氧化反应，从而使电极不断被清洗。
伴随这一过程，阴极会发生还原反应而又重新生成纯金属和正常的工作电压。
不同的分析物性质决定了应用不同的电极材料，对于起决定作用的阳极离子来说，水银电极被证明是可行的。
因为水银可承受较宽范围的阴极电压，并且还原反应的产物会和水银化合，从而可以保护电极的表面。
安培检测法通常需要使用一个具有三个端口的恒电压源：
工作端、负极和参考端。
而且它的电镀板具有可选性，如果配以合适的电解液，就不会产生噪音。
等式中的电极面积和信号取决与电极的大小和细胞的大小，但是对于小的电极，正在做关于辐射形式方面的研究，至少可以部分的补偿对电流的限制。
3.2实现形式
1987年Wallingford和Ewing介绍了在毛细管电泳中的安培检测法。
这里使用了直径为75mm的熔融石英毛细管，在距检测器末端5cm处的端口，是为了形成一个多孔渗水的接口以便于在接地电极上施加高电压。
[22]检测器由含炭材料的电极，借助于显微操纵器将其置于毛细管的末端；一个小的一般参考电极和一个负极构成
。
工作电极与三端稳压电源连接。
在有些情况下，可采用两个电极来代替。
[23]毛细管连接处如图4.A所示，在连接处接地端的多孔玻璃可使有效的使检测器的电极与从电场和电流绝缘，而渗透性电板则可以通过压力使分析物穿过检测器的连接处。
对此设计有了一些修正和简化，连接处的端口处理也提出了几种不同的实现方法。
[24]Huangetal对此也做了介绍，对于小直径毛细管（5mm），穿过毛细管的较小电流不会与安培检测仪发生冲突，也不需要多孔渗水连接。
[13]使用这样细窄的毛细管可用于检测样品中的单细胞，而这可以通过检测仪电板的神经传递素来实现。
后来还发现直径达到50mm的也毛细管也可以没有连接点。
[26]这样检测电极就可以安装在毛细管末端不远处尽量减小电泳电流的影响，如图4.B所示。
而这些则依赖于电场和电流密度能够在血管末端的外侧很容易的下降，同时要求导电溶液的横截面能迅速扩大。
毛细管的直径越小，电极距离血管末端越远，施加的电压和电流也就越大。
为了使检测仪的电干扰与库仑效率和增宽谱带之间能更好的协调，常将毛细管末端腐蚀成圆锥形状。
[29]同样发现没有必要必须使电极的直径与毛细管相匹配，而且其直径甚至允许比毛细管大几倍。
[30]当使用比较理想的细胞时，则可以不必借助于显微操纵器和显微镜就可以将电极与血管长久的连接起来。
[30]而这也使这一方法得到更加广泛的接受。
在其他不同的方法中，检测器的电极常通过溅射喷膜的方法与毛细管末端连接。
[33]安培检测法的电子图如图5所示，在这里起决定作用的重金属离子使用水银薄膜在一定电压下涂抹在电极上。
安培检测法的典型检出限约在
MOL/L.
图4安培检测
（A）:
毛细管直径（ID）>50
.在毛细管中的检测极由三电极组成分别为工作电极（WE）、参比电极（RE）、对电极（CE）,其中工作电极可以直接插入毛细管中。
（B）:
毛细管直径（ID）<50
.工作电极需在毛细管电极外侧（终端）
在未来的发展中，一种快速阳极拆模伏安法正在被认识
。
这种方法中，待分析物首先通过还原反应集中在电极表面，而阳极的电压清洗起着决定作用。
这样检测限可以降低一到两个数量级。
回路电压可提供更多的关于等式两端的相关信息（与光学吸收检测法中的二极管阵列检测器相似），并且可以证明处在两个电栅（虽然已经很好的的分离）之间的金属离子的区别。
进来提出了一种针对分离通道与检测电极的小型化仪器，它是基于照相平板印刷模式技术制作而成的一种电子集成电路。
[35]
图5使用安培检测法对浓度在
到
mol/l的重金属离子检测的电化学图谱.[47]
（注：
第四部分未译）
5.在无机元素中的应用
两种检测方法在无机元素的应用情况见下表。
按时间顺序列出了相关结果，给出的检测限直接摘引在原作，其他一些则来源于实验数据。
总体来说，与检测有机物相比，通过电化学的方法检测无机物可以使用更少的设备或装置。
至少在原理上，电导检测法更适合于无机物的检测，因为小离子具有更高的流动性，而这直接影响到检测信号。
但事实上电位检测法因为有机物大多具有弱酸或弱碱性质而能检测的到，这一技术已经得到证实。
值得注意的是安培检测法的一些缺点，尽管这一方法是应用最多的电化学方法。
安培检测法虽然适用于大多数的惰性金属和一些活性阴离子（一些复合阴离子如氮硫化合物），但却不能检测碱性离子。
而电位检测法则主要用于无机物的检测，并且具有可选性，但是最近有报道说这一方法同样适用于有机物的检测。
[36，46]在应用中的不足之处就是对大多数多样的电荷离子没有较大的选择性。
6.总结
两种电化学检测朝着简单化细胞排列发展的趋势越来越明显，因为基于检测仪柱上的电极安装法构造非常复杂，一种更简单的基于检测仪末端的电极安装法的技术正在取代这一安装法。
这也使应用更小直径的毛细管成为可能，因为这样可以减少电极电压和电流的干扰。
对于光学检测法正常直径在75-100mm之间，而对于电化学检测法，毛细管的直径约在25或50mm左右。
在显微镜下利用显微操纵器进行排列已经被固定细胞所取代。
基于检测器的这一设计使电化学检测法在无机物中的应用更加广泛。
特别的是电导检测法，这是一个更加实用的方法，它不仅可以实现与间接的光学吸收检测一样的效果，而且电化学检测法的仪器更加小型化，也更加廉价。
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