环境水中多环芳烃检测方案(毛细管电泳仪)

岩 矿广测 试ROCK AND MINERAL ANALYSIS第22卷 第2期2003年6月Vol. 22，No.2June，2003 袁倬斌等：毛细管电泳及其在环境分析中的应用进展第2期第22卷 文章编号：0254-5357(2003)02-0144-07 毛细管电泳及其在环境分析中的应用进展 袁倬斌，尚小玉，张 君 (中国科学院研究生院应用化学研究所，北京100039) 摘要：对毛细管电泳技术的基本原理、特点以及分离模式进行了概述，对其在环境分析中的应用进展予以综述。 关键词：毛细管电泳；环境分析；应用进展 中图分类号：0657.8；X132 文献标识码： A 21世纪是生命、材料和信息科学的世纪，是建立可持续发展的世纪，也是高效、洁净、环境友好和安全利用新能源的时代。在前进发展中要求维持绿色环境和生态平衡，环境分析化学对于这些过程能否达到目的具有决定性的因素。绿色化学和绿色技术(或称清洁生产技术或环境友好技术)的兴起，为人类解决环境污染问题，实现经济和社会的可持续发展提供了有效的手段。毛细管电泳(Cap-illary Electrophoresis， CE)，又称高效毛细管电泳( High Performance Capillary Electrophoresis，HPCE)，是近年来发展起来的一类以毛细管为分离通道，以高压直流电场为驱动力的新型液相分离分析方法，是现代分析化学研究的前沿领域之一。毛细管电泳实际上包含电泳、色谱及其交叉的内容，是现代分析化学中继高效液相色谱(HPLC)之后的又一重大发展。 CE 只需纳升(10-)级进样量和极少量化学试剂(流动相)，柱价低，易清洗，方法简便，分析时间短，相对而言，符合绿色化学的要求，不污染环境，故特别适用于环境分析。本文对毛细管电泳技术的主要原理、特点及其在环境分析中的应用作一综述和展望。 毛细管电泳的基本原理11~3] CE 是以高压电场为驱动力，以毛细管为分离 通道，依据样品中各组分(各粒子)之间的迁移速度的差异而实现分离的一类液相分离技术，这里组分的迁移速度是指电渗和淌度两个速度的矢量和。CE 原理与结构见图1。由于各组分迁移速度不同，因而经过一定时间后，各组分按其速度的大小顺序，依次到达检测器被检出，得到按时间分布的电泳谱图，根据谱峰的迁移时间和峰面积或峰高即可进行定性和定量分析。 Fig.1 Structural diagram of capillaryelectrophoresis equipment 在一般情况下(毛细管壁带负电)，电渗方向从阳极到阴极，且在多数情况下，电渗速度一般大于电泳速度5~7倍，所以阴离子也向阴极流动。因此，阳离子、中性分子和阴离子能够同时朝向一个方向(如阴极方向)产生差速迁移，在一次 CE 操作中，同时完成正、负离子和中性分子的分离分析。 ( 收稿日期：2002-06-19；修订日期：2003-01-02 ) ( 基金项目：国家自然科学基金(29875027；20175025)；电分析化学国家重点实验室基金；国家“九五”科技攻关重点项 目(96-A23-01-06)；“十五”科技攻关重大项目(2001BA210A04 的第七课题) ) ( 作者简介：袁倬斌(1938-)，男，四川省成都市薄江县人，教授，博导，主要从事现代分析化学技术及应用，HPCE 和SPM 以及环境分析与治理的研究工作。 ) 阳离子(+)移动速率=电参流速率+阳离子电泳速率 中性分子(N)移动速率=电渗流速率 阴离子(-)移动速率=电渗流速率-阴离子电泳速率 所以移动速率： 阳离子>中性分子>阴离子 但对小离子(如钠、钾、氯)分析时，组分的电泳速率一般大于电渗速率。另外，毛细管壁电荷的改性会使电渗发生变化，在这些情况下，阳离子和阴离子可能向不同的方向移动。 必须指出的是电渗是溶液整体的流动，它不能改变分离的选择性。 2毛细管电泳的分离模式 通过对毛细管及其填充物进行修饰、更换或改进，可以创造出各种不同的分离模式，表1列出了一些毛细管电泳分离模式。 可以按操作方式重新分为手动、半自动及全自动型毛细管电泳，或按分离通道形状分为圆形、扁形、方形毛细管电泳等等。毛细管电泳的多种分离模式，给样品分离提供了不同的选择机会，这对复杂样品的分离分析是非常重要的。 3毛细管电泳的特点 3.1 毛细管电泳与高效液相色谱比较 毛细管电泳是色谱和电泳相结合的分离分析技术，与目前广泛使用的 HPLC 相比有许多异同点，见表2。 3.2 毛细管电泳的特点 毛细管电泳技术具有四高、二少、一广的特点。 四高①高效率：理论塔板数高，柱子长，且进样端和检测端都无死体积，因此高柱效。②高灵敏度：毛细管电泳分离后，用激光诱导荧光检测法(LIF)和安培型电化学检测法(EC)，均可检测至10-19mol/L，甚至可达10-2 mol/L，即可达几十个至几个分子及单细胞检测，故 HPCE -LIF 称为分子光谱的“指纹识别”法。③高速度：使用细内径(25~75 um)的毛细管，它具有电阻高，能使用高的电场(100~500 V/cm)。高电场的应用提高了分离效率，缩短了分离时间，通常只需几十秒至几十分钟内就可完成分离。芯片式 CE 则更快，能以秒计算。④易实现高自动化： CE 是目前自动化程 度最高的分离分析方法之一。 二少①所需的进样少(可少到1pL，消耗体积在1~50 nL)。容积也小(如：一根75um×100 cm 管子的容积仅为 4.4 uL；50 um× 50 cm管子其容积还不足1pL)。②运行成本少(只需少量的流动相和低廉的毛细管)。由于 CE 的消耗少且一机多用，其运行成本可以下降到极低的水平。 表i毛细管电泳分离模式及其分类 Table1The separation modes of capillary electrophoresisand their classification 一广应用范围广，几乎可以分离除挥发性和难溶物之外的各种物质。 CE 之所以有上述优点，是因为它采用了细内径毛细管；同样，正因为它使用毛细管，也给 CE 带 来问题，比如： ·制备能力差，根本无法与HPLC 相比； ·光路太短，非高灵敏度的检测器难以测出样品峰； ·大的侧面/截面积比能“放大”吸附的作用，导致蛋白质等的分离效率下降或无峰；·吸附引起电渗变化，进而影响分离重现性等，目前尚难以定量控制电渗。 ·凝胶、色谱填充管需要专门的灌制技术； 表2毛细管电泳与高效液相色谱比较 Table 2Comparison between capillary electrophoresis and high performance liquid chromatography 项目 item CE HPLC 分离原理 基于组分在载体电解质中的迁移速度的不同 基于组分在流动相和固定相的分配系数不同 自由溶液毛细管电泳，胶束电动毛细管色谱，毛细管 正相色谱，反相色谱，亲和色谱，离子色谱，凝 分离模式 凝胶电泳，毛细管等电聚焦电泳，毛细管等速电泳 胶色谱 不 同 分离柱 细内径毛细管，内装不同载体电解质 色谱柱，内装不同固定相 进样方式进样体积 静压力差或电迁移进样一般为x~xx nL 微量注射器或六通阀进样一般为 xx ~ xxx u.L 溶质驱动系统 直流高电压 泵驱动流动相 a)有效地散热 a)消除涡流扩散 采用毛细管的目的 b)使径向温度梯度更小 b)缩短在流动相中的传质过程 柱效 72万理论板/m，大分子则更大，尤其生物大分子可达 3000万理论板/m，能检测到单个分子和单细胞水平 一般为25万理论板/m，对大分子则更小 柱子价格 一支 100 cm 长毛细管最多100元人民币 几百美元到一千美元，且易沾污，易失效 分离液 在水溶液介质中进行，不污染环境 常在含有机溶剂(如甲醇等)的介质中进行，易 造成环境污染 检测器 两者均可采用紫外、荧光、电化学等检测器，但由于 CE 采用在柱检测，光径长度短，灵敏度和线性范围不 相 如HPLC 同 点 定性定量方法 CE 的定性定量方法与 HPLC 相同，采用出峰时间定性，峰面积或峰高定量 4毛细管电泳在环境分析中的应用 CE 具有多种分离模式(多种分离介质和原理)，故具有多种功能，因此其应用十分广泛，通常能配成溶液或悬浮溶液的样品(除挥发性和不溶物外)均能用 CE 进行分离和分析，小到无机离子，大到生物大分子和超分子，甚至整个细胞都可进行分离检测。它广泛应用于生命科学、医药科学、临床医学、分子生物学、法庭与侦破鉴定、化学、环境、海关、农学、生产过程监控、产品质检以及单细胞和单分子分析等领域。本文主要报告在环境分析中的应用情况。 由于大多数环境样品中的待测组分含量极低，且基体十分复杂，干扰物质多、同种元素以多种形式存在、易受环境影响而变化等特点，所以在分离测定前一般都需要对样品进行预富集处理。目前 比较成熟的新技术有：固相萃取法(SPE)、超临界流体萃取法(SFE)、微波消解法(MWD)、液膜分离法(SLM)、固相微萃取法(SPME)和加速溶剂萃取法(ASE)等[4]方法。此外，在 CE 的实际应用中常需采用区带浓缩技术，因为初始区带越窄，浓度越高，越有利于检测和分离，但单纯的进样技术不能达到这种要求，必须结合浓缩(聚焦)技术。其主要方法如下： ①柱头吸附浓缩在毛细管进样端填充一小段吸附(色谱)填料或涂布一层色谱固定液，使样品吸着浓集，一定时间后再进行电泳分离。此法可提高检测灵敏度近百倍，但需要长时间的进样。 ②pH聚焦利用淌度与 pH有关的现象，可以把区带聚焦在某一 pH 突变界面上。 ③电场聚焦根据离子迁移速度与电场强度 成正比的特点，在电泳初期，使样品离子从高电场突然转入低电场时，会因减速而堆积在电场交界处，导致区带缩短和浓度提高，可以达到聚焦的目的。电聚焦又分为简单电聚焦、场放大(增强)电聚焦和整管进样三类方法。 4. 水样中阳离子和阴离子的分析 任一平等在Waters 电泳仪上采用间接紫外方法8 min内测定了自来水和矿泉水中的S，03-、Br等8种阴离子。刘嘉松等16测定了饮用水中的K*、Ca²+、Na*、Mg+等阳离子，并与离子色谱进行了比较。万涛等在 Applied Biosystems 270A高效毛细管电泳仪上用2 mmol/L EDTA 和15mmol/L 硼砂载体测定了天然水中的 Ca+、Mg+，为分析水质硬度提供了简便快速的方法。刘梅克斯公司的资料报道了天然水、饮用水及污水中的9种阳离子和6种阴离子的测定。在10 mmol/L 苯并咪唑，2.5 mmol/L 酒石酸和2 mmol/L 18-冠醚-6体系中，15 min 内分离出 Cs*(0.5~5.0 mg/L)、NH(0.5~25 mg/L)、K*(0.5~100 mg/L)、Na*(0.05~10 mg/L)、Mg*(0.5~50 mg/L)、Li*(0.01~10 mg/L)、Sr+ (0. 5~20 mg/L)、Ba+(0.05~10 mg/L)、Ca²+(1.0~500 mg/L)，误差均<10%。在50 mL 5 mmol/L Cr(Ⅵ)， 20 mmol/L二乙醇胺和1.65 mmol/L 溴化十六烷基三甲胺(CTMAB)溶液中，分离出 Cl-、SO2-、NO，、F-、PO2、NO，。邱瑾8在 Waters 电泳仪上，5 mmol/LNa，CrO和0.5 mmol/L十四烷基三甲基溴化铵(TTAB)中分离出雨水中 Cl、SO2、NO，、F-、HCO，，最低检测限可达 0.04 mg/L。 4.2 农药残留量的分析 对农药残留物的测定国外研究的较多。 Lazer等9将飞行时间质谱和毛细管电泳仪联用，采用样品堆积技术进样对 Paraquat 和 Diquat 两种除草剂进行了分离，检测限低至10- mol/L。 Farran等1101采用p(乙腈)=50%的磷酸-硼砂缓冲液分离出两种苯氧羧酸类除草剂。 Hinsmann 等1通过自动在线浓缩样品，采用固相微柱以十二烷基硫酸钠(SDS)作胶束，添加少量乙腈，在13 min 内分离测定了水中的7种不同种类的农药。磺酰脲类化合物是一类相对较新的除草剂，因此这一类化合物在水和食品中的残留量的测定十分重要。 Lipez-Avila 等121采用3 u.m ODS 硅胶填充柱来分离这一 类化合物，线性范围为1~100 mg/L。 Mayer 等13报道了农药 Cinosulfuron 及其副产物的毛细管电色谱的分离分析。游静等14对毛细管电泳在农药手性拆分的进展做了综述。 4.3 多环芳烃的分析 多环芳烃(PAHs)在环境中广泛存在。天然的PAHs主要由植物合成或森林草原火灾形成。PAHs 是指两个以上苯环以稠环形式相连的化合物，是一类致癌性有机污染物，对环境和人体健康危害很大。Xue 等151采用毛细管区带电泳和胶束电泳，在激光秀导荧光检测下分离测定了6种PAHs，偏差在0.8%左右。Koch 等16用非水毛细管电分离分析了13种水中的2~7环的 PAHs，进样前，采用固相微萃取技术把 PAHs 从水中预富集到甲醇中。Yan 等17采用填充柱毛细管电色谱，在45 min 内分离了 16种PAHs。 Kuijt 等181采用环糊精修饰的胶束电动色谱(CD-MEKC)方法，激光诱导荧光检测分离出5种酚羟基PAHs。 4.4 多氯联苯的分析 多氯联苯(PCBs)是一组由一个或多个氯原子取代联苯分子中的氢原子而形成的具有广泛应用价值的氯代芳烃类化合物，是目前国际上关注的12种持久性有机污染物之一，也被称为二二英191类似化合物。持久性污染物除了其直接急性毒性外，其高残性、高富集性以及对生态群落乃至人类健康的影响也日益引起人们的忧虑。Selvin 等20]采用聚合表面活性剂(poly-SUS)，在7.5 mmol/L硼砂和p=40%乙腈的缓冲溶液中分离出9个PCBs，同系物的流出顺序和氯化程度以及烃基性质有关。He等211采用顶空固相微萃取的方法结合毛细管电泳分离出水样中的10个氯苯化合物。Garcia 等1221采用 CD-MEKC 方法，在50 mmol/L 2-morpholinoethanesulfonic acid (MES)缓冲液中，用两种环糊精混合物为假固定相12 min 内分离出13组对映体中的19个PCBs，考察了缓冲液浓度、pH、CD 衍生物浓度对分离的影响。 4.5 金属离子和无机阴离子的分析 无机离子的测定是环境分析中的重要方面，碱金属、碱土金属以及无机阴离子大多采用间接紫外检测。杨永坛等23]研究了在以含有紫外吸收的咪唑为背景电解质和α-羟基异丁酸为络合剂的缓冲液体系中，用毛细管电泳间接紫外法在10 min内检测了14种稀土离子，最低检测量可达7.8× 10-14 mol，并讨论了各操作条件对稀土离子分离的影响。分离分析无机离子，通过在流动相中加入一定浓度缓冲溶液来减小溶质与固定相之间的作用。丁永生24]所在的研究室曾对金属阳离子做过系统研究，有效地分离出11种金属阳离子，该系统已成功地用于新加坡水样的分析。Wen 等25]在毛细管末端金盘电极上利用循环伏安检测了 TI*、Pb2+、Zn²+、Cd²+等金属离子。Kappes 等I26]采用简便的电极阵列提高了碱金属和碱土金属阳离子的检测灵敏度。杨捷等271对2000年以前关于金属阳离子的测定做了较详尽的综述。邱瑾等[28]对不同价态的S-、S，0，-、S02-、SO，，采用铬酸钠和十四烷基三甲基溴化铵为背景溶液间接紫外检测法进行了分离测定，分离图如图2所示。，Valenzuela 等1291采用毛细管区带电泳利用中性的和带电的环糊精衍生物对S进行了手性分离。Zhong 等[301采用两个电极电化学方法检测了巯基化合物和硫化物，并从检测灵敏度和分离效率对检测系统的组成，包括电极的大小和位置进行了优化。Inoue 等1311用修饰电极安培检测法测定了巯基化合物。 t/min 图2 一组阴离子的 CE分离图 Fig.2 The capillary electrophoretogram of several anions 1-S，0-：5 mg/L；2-S02=：5 mg/L；3-S0，：8 mg/L；4-S²-：6 mg/L；分离条件：5 mmol/L NaCr04 +0.5 mmol/L TTAB；毛细管：75um i. d. ×61 cm；分离长度53 cm；电压-20kV；虹吸进样20 s；UV -254 nm 间接检测；温度30±0.2℃。 4.6 DNA 加合物的测定 环境毒物与DNA 形成加合物是环境与毒物破坏正常 DNA 结构以及致畸变、致突变和致癌变过程中的中间产物，因此 DNA 加合物的测定是环境毒理和环境分析的重要方向。DNA加合物的分析最常用的方法是P后标记法。 Ding 等1321人将毛细管电色谱和质谱联用技术应用于 DNA 加合物的分析。他们以反二羟基环氧烯苯并[g]与 DNA或核苷酸在体外进行反应，生成多种内消旋和 DNA加合物，进行分离分析，如图3所示。 t/min 图3 毛细管电电谱紫外分析 DNA 加合物 Fig.3 Analysis of DNA complex by capillaryelectrochromatography with UV detector A8 标样分离图；B一反二羟基环氧烯苯并[g]与牛胸腺 DNA 体外反应生成加合物分析 4.7 其它 酚类化合物是环境科学、水工业、食品工业等必需检测的一类有机污染物，对它们测定方法的研究成为环境分析方法研究的主要课题之一。传统测定方法有光度法及电化学方法等。毛细管电泳应用于酚类测定已有报道，但多是采用光学检测器。李珺等[33]采用区带电泳分离测定了化工厂废水中的邻、对、间氯苯酚。Masselter 等134]采用毛细管区带电泳模式在24 min 内分离了酚及其10种衍生物，改变分析条件可在5 min 内实现对12种酚类化合物的快速分离。袁倬斌等135~37]采用自行研制的毛细管电泳安培检测分析测定了酚类化合物。杨晓云等[38]采用自行组装的毛细管电泳柱端安培检测系统对4个酚类化合物进行了检测，并对废水样品进行了测定。苗军等[39]把小波滤噪技术引入到毛细管电泳中，采用安培检测法测定了6种酚类。此外，硝基氯苯40]和苯胺化合物[41]等也有报道。 ( 5 .参考文献 ) ( [1] ] 陈义.毛细管电泳理论探索[M].北京：华文出版社， 2001.3. ) ( [2] 邓延倬，何金兰.高效毛细管电泳[M]，北京：科学 出版社，1996.33 ) ( [3] 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Key words： capillary electrophoresis； environmental analysis； application progress (英文上接第143页) Application of Microwave-assisted Extraction Technique in SpeciationAnalysis of Organotin， Organoarsenic and Organomercury Compounds LIANG Li-na， HU Jing-tian ，JIANG Gui-bin * (1. Research Center for Eco - Environmental Sciences， Chinese Academy of Sciences，Beijing， 100085， China； 2. Shandong University， Jinan， 250100， China) Abstract： The application of various extraction methods for the speciation analysis of organotin， organoarsenicand organomercury compounds during the past ten years has been reviewed. Among the methods， MAE has theadvantages of rapidity， high efficiency， low depletion of reagents and low interference from matrices. Key words： microwave-assisted extraction(MAE)； organotin； organoarsenic； organomercury； speciation — —