一种快速检测无机爆炸物的毛细管电泳系统和使用方法

1.本发明涉及毛细管电泳技术领域，具体是一种快速检测无机爆炸物的毛细管电泳系统和使用方法。


背景技术：

2.毛细管电泳(capillary electrophoresis,简称 ce)是一种通用的分离分析技术，可处理从高分子量到低分子量物质的分离分析；具有高效、快速、进样体积小、溶剂消耗少和样品预处理简单等优点，通常，ce中采用柱长30~60 cm、内径50~100 μm的毛细管，分离高压一般小于500 v/cm。分析时间一般在5~30 min，许多场合这个时间仍不能满足分析要求，如爆炸物的快速检测，寿命短暂物质的分析、生化反应过程监测等。高速毛细管电泳采用细内径和较短的毛细管来实现高速分离，可以实现真正的高效、高速，除了保持ce原有优点外，其分析时间缩短到几分钟甚至几秒，因此是一种能满足现代分析要求，具有发展潜力的分析技术。高速毛细管电泳采用较短的毛细管来实现高速分离时，毛细管上的分离场强可达几千伏每厘米，会产生较大的热量。因此，如何实现快速进样、如何有效的对毛细管进行冷却以减少焦耳热的影响是快速电泳进一步发展的关键问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的是针对现有技术中进样速度慢，焦耳热影响严重的问题，而提供一种快速检测无机爆炸物的毛细管电泳系统和使用方法。这种系统结构简单，操作简便，实用性强，能自动进样，减少了毛细管电泳中的焦耳热的影响，分离时间短，分离效果显著。
4.实现本发明目的的技术方案是：一种快速检测无机爆炸物的毛细管电泳系统，包括连接的自动进样单元和检测池，所述自动进样单元包括带控制线且转动轴朝上的电机，转动轴的上端设有可水平转动的齿轮，电机一侧设有带齿条槽的支架，支架上设有活动的带齿条呈7字形的支撑块，支撑块的齿条与齿轮啮合，支撑块的伸出端设有并排的顶部带高压端导线和高压端电极的第一缓冲溶液储液瓶和样品储液瓶，所述检测池中设有轴向穿过检测池的毛细管，毛细管的左端靠近第一缓冲溶液储液瓶，右端靠接顶部带地端电极和地端导线的第二缓冲溶液储液瓶，检测池靠近毛细管左端的底面设有冷却油出口，靠近毛细管右端的底面由毛细管右端往毛细管左端的方向依次设有第一检测信号线、第二检测信号线和冷却油入口，所述冷却油入口和冷却油出口外接控温单元，第一检测信号线和第二检测信号线外接检测器，高压端导线、地端导线和电机控制线外接控制单元。
5.所述检测池由立体光固化成型技术一体化打印形成，检测池包括两个电极空腔、屏蔽层空腔以及冷却液通道，将毛细管插入检测池中后，从检测池中注低熔点金属的孔灌入低熔点金属，形成两个电极和屏蔽层，两个电极为接收电极和激励电极，其中接收电极与
第一检测信号线连接，激励电极与第二检测信号线连接，冷却液通道两端分别与冷却油入口和冷却油出口连通，毛细管置于冷却液通道中，冷却液通道靠近毛细管左端的检测池内设有油封腔，防止冷却油泄漏。
6.所述控温单元包括半导体制冷片，导冷块，散热风扇，蠕动泵，蠕动泵通过硅胶管接导热铜管将冷却油经冷却油入口泵入检测池，导热铜管紧密缠绕在导冷块上，绝缘冷却油装在小容量的离心管中，通过蠕动泵使绝缘冷却油循环经过导冷块，流入检测池。
7.所述控制单元包括arduino uno微控制器、串口屏和控制电路，串口屏作为上位机给arduino uno微控制器发送指令，arduino uno微控制器作为下位机发送信号控制电机和控制电路，arduino uno微控制器发送开启和关闭高压电以及调节高压电压值大小的信号，控制电路包括用于开启和关闭高压电的高压电源和继电器。
8.所述第一缓冲溶液储液瓶、样品储液瓶和第二缓冲溶液储液瓶均设有槽口，毛细管通过槽口伸入第一缓冲溶液储液瓶、样品储液瓶和第二缓冲溶液储液瓶内。
9.所述检测器为非接触电导检测器。
10.一种快速检测无机爆炸物的毛细管电泳系统使用方法，包括上述快速检测无机爆炸物的毛细管电泳系统，所述使用方法包括如下步骤：1）首先依次用naoh、hcl和超纯水对毛细管进行冲洗，然后在第一缓冲溶液储液瓶和第二缓冲溶液储液瓶装入bis-tris/mops缓冲溶液，在样品储液瓶装入样品溶液，将毛细管插入检测池中，毛细管右端通过槽口始终插入第二缓冲溶液储液瓶中，毛细管的左端置于第一缓冲溶液储液瓶的槽口中央；2）调整样品储液瓶，使样品储液瓶的槽口与第一缓冲溶液储液瓶的槽口在同一水平面上，使用手动进样的方式试运行一次系统，确定各部件正常，转为自动模式，手动进样的方式为：点击串口屏上的正向运行按钮，电机带动齿轮逆时针旋转，支撑块的齿条跟随齿轮移动，使毛细管左端侵入样品储液瓶，在输入高压s处输入10，即进样高压为10 kv，点击高压s按钮，启动进样高压，停留3 s，再点击高压s按钮，关闭进样高压；点击反向运行，齿轮顺时针旋转，支撑块的齿条反向移动，在输入高压b处输入10，即分离高压为10 kv，点击高压b按钮，启动分离高压，停留90 s，再点击高压b按钮，关闭分离高压，即完成一次手动方式的分离；自动模式下，设置进样时间、加压时间、输入电压b和输入电压s后，点击运行即可等待分离完成后进行数据处理。
11.所述电机为步进电机。
12.所述毛细管为石英毛细管。
13.工作时，高压端电极和地端电极之间形成一个完整的电泳回路。
14.本技术方案与现有技术相比，由自制电导检测池的非接触电导检测法检测；由温控单元实现温度控制；通过控制电机实现自动进样；能够实时快速的完成数据采集、分析和处理。电泳分离通道为熔融石英毛细管（内径25-50 μm），典型的分离电压为10 kv。使用蠕动泵驱动绝缘冷却液实现毛细管周围的温度控制。
15.根据毛细管中溶液电导率的变化，电导检测器检测到电导率变化后，得到不同离子的信号峰，由信号峰的迁移时间确定是何种待测物质、由信号峰高度或者面积确定待测物质含量。
16.这种系统结构简单，操作简便，实用性强，能自动进样，减少了毛细管电泳中焦耳热的影响，分离时间短，分离效果显著。
附图说明
17.图1为实施例的结构示意图；图2为实施例中自动进样单元结构示意图；图3为实施例中检测池的剖视图；图4为实施例中串口屏的控制界面示意图；图5为实施例中不同温度下的伏安曲线示意图；图6为实施例中不同温度下的阳离子样品分离电泳比较图；图7为实施例中阴离子分离电泳图。
18.图中，1.齿轮 2.支架 3.支撑块 4.高压端导线 5.高压端电极 6.第一缓冲溶液储液瓶 7.毛细管 8.检测池 9.地端电极 10.地端导线 11.第二缓冲溶液储液瓶 12.第一检测信号线 13.第二检测信号线 14.冷却油入口 15.冷却油出口 16.样品储液瓶 17.电机 19.注低熔点金属的孔 20.屏蔽层 21.封油腔 22.电极 23.冷却油通道。
具体实施方式
19.下面结合附图及具体实施例对发明作进一步的详细描述，但不是对本发明的限定。
20.实施例：本例实验所用试剂均为分析纯或以上纯度，使用超纯水配制所有溶液。背景电解质包括二(2-羟乙基)亚氨基三(羟甲基)甲烷/3-吗啉丙磺酸(bis-tris/mops)，分别将氯化物的金属盐类溶解于超纯水中，配制成浓度为2 mmol/l的储备溶液。用时逐级稀释为所需浓度。
21.参照图1，一种快速检测无机爆炸物的毛细管电泳系统，包括连接的自动进样单元和检测池，如图2所示，所述自动进样单元包括带控制线且转动轴朝上的电机17，转动轴的上端设有可水平转动的齿轮1，电机17一侧设有带齿条槽的支架2，支架上设有在支架齿条槽活动的带齿条呈7字形的支撑块3，支撑块3的齿条与齿轮1啮合，支撑块3的伸出端设有并排的顶部带高压端导线4和高压端电极5的第一缓冲溶液储液瓶6和样品储液瓶16，如图3所示，所述检测池8中设有轴向穿过检测池8的毛细管7，毛细管7的左端靠近第一缓冲溶液储液瓶6，右端靠接顶部带地端电极9和地端导线10的第二缓冲溶液储液瓶11，检测池8靠近毛细管7左端的底面设有冷却油出口15，靠近毛细管7右端的底面由毛细管右端往毛细管左端的方向依次设有第一检测信号线12、第二检测信号线13和冷却油入口14，所述冷却油入口14和冷却油出口15外接控温单元，第一检测信号线12和第二检测信号线13外接检测器，高压端导线4、地端导线10和电机控制线外接控制单元。
22.所述检测池8由立体光固化成型技术一体化打印形成，检测池8包括两个电极空腔、屏蔽层空腔以及冷却液通道23，将毛细管7插入检测池8中后，从检测池中注低熔点金属
的孔19灌入低熔点金属，形成两个电极22和屏蔽层20，两个电极22为接收电极和激励电极，其中接收电极与第一检测信号线12连接，激励电极与第二检测信号线13连接，冷却液通道23两端分别与冷却油入口14和冷却油出口15连通，毛细管7置于冷却液通道23中，冷却液通道23靠近毛细管左端的检测池内设有油封腔21，防止冷却油泄漏。
23.所述控温单元包括半导体制冷片，导冷块，散热风扇，蠕动泵，蠕动泵通过硅胶管接导热铜管将绝缘冷却油经冷却油入口14泵入检测池8，导热铜管紧密缠绕在导冷块上，绝缘冷却油装在小容量的离心管中，通过蠕动泵使绝缘冷却油循环经过导冷块，流入检测池8。
24.所述控制单元包括arduino uno微控制器、串口屏和控制电路，如图4所示，串口屏作为上位机给arduino uno微控制器发送指令，arduino uno微控制器作为下位机发送信号控制电机和控制电路，arduino uno微控制器发送开启和关闭高压电以及调节高压电压值大小的信号，控制电路包括用于开启和关闭高压电的高压电源和继电器。
25.所述第一缓冲溶液储液瓶6、样品储液瓶16和第二缓冲溶液储液瓶11均设有槽口，毛细管7通过槽口伸入第一缓冲溶液储液瓶6、样品储液瓶16和第二缓冲溶液储液瓶11内，本例第一缓冲溶液储液瓶6、样品储液瓶16和第二缓冲溶液储液瓶11的槽口尺寸均为5mm长、2mm宽。
26.所述检测器为非接触电导检测器，本例检测器为tracedec电导检测器。
27.所述电机17为步进电机。
28.所述毛细管7为石英毛细管。
29.工作时，高压端电极5和地端电极9之间形成一个完整的电泳回路。
30.一种快速检测无机爆炸物的毛细管电泳系统使用方法，包括上述快速检测无机爆炸物的毛细管电泳系统，所述使用方法包括如下步骤：1）首先依次用1 mol/l naoh、1 mol/l hcl和超纯水各对毛细管7进行冲洗10 min，然后在第一缓冲溶液储液瓶6和第二缓冲溶液储液瓶11装入bis-tris/mops缓冲溶液，其中第一缓冲溶液储液瓶6的bis-tris/mops缓冲溶液为1ml，第二缓冲溶液储液瓶11装入bis-tris/mops缓冲溶液为1.5 ml，在样品储液瓶16装入样品溶液，将毛细管7插入检测池8中，毛细管右端通过槽口始终插入第二缓冲溶液储液瓶11中，毛细管的左端置于第一缓冲溶液储液瓶6的槽口中央；2）调整样品储液瓶16，使样品储液瓶的槽口与第一缓冲溶液储液瓶的槽口在同一水平面上，使用手动进样的方式试运行一次系统，确定各部件正常，转为自动模式，手动进样的方式为：点击串口屏上的正向运行按钮，电机17带动齿轮1逆时针旋转，支撑块的齿条跟随齿轮1移动，使毛细管左端浸入样品储液瓶16，在输入高压s处输入10，即进样高压为10 kv，点击高压s按钮，启动进样高压，停留3 s，再点击高压s按钮，关闭进样高压；点击反向运行，齿轮1顺时针旋转，支撑块的齿条反向移动，在输入高压b处输入10，即分离高压为10 kv，点击高压b按钮，启动分离高压，停留90 s，再点击高压b按钮，关闭分离高压，即完成一次手动方式的分离；自动模式下，设置进样时间、加压时间、输入电压b和输入电压s后，点击运行即可等待分离完成后进行数据处理。
31.伏安曲线的测定：
本例使用的毛细管7内径为50 μm，外径为360 μm，长度为8.7 cm。电泳过程中，在毛细管外有、无循环的冷却油的情况下，测得电泳回路中的电流。测量电流时，使用的缓冲溶液是300 mm双(2-羟基乙胺基)三(羟甲基)甲烷/3-(n-吗啉基)丙磺酸(bis-tris/mops)及2 mm18-冠醚-6；高浓度bge会产生较多的焦耳热，因此需要对毛细管进行有效散热或温度控制。在控制温度的情况下，根据测得的电流、毛细管7上的场强，绘制了伏安曲线如图5所示，从图5中可以判断，在场强一定、毛细管外有循环冷却油的情况下，电泳回路中的电流比无冷却油的情况下要小得多，证明了循环流动的冷却油能够有效带走电泳过程中产生的焦耳热。(heating power)热值p=gv2，电流i=gv，其中g为电解质的电导率，v为电压；因此p=iv，在电压相同时，热值p与i成正比；控制冷却油温度为2 ℃时，电流最多能降低52%；温度为-6 ℃时，电流最多能降低53%。为降低能耗，之后的实验中，绝缘冷却油的温度控制为2 ℃。
32.不同温度下的样品分离：本例使用的毛细管7内径为25 μm，外径为360 μm，长度为8.5 cm；毛细管7在使用前依次用1 mol/l naoh，1 mol/l hcl和超纯水对石英毛细管各冲洗10 min，进样电压为2 kv，分离电压为10 kv，进样时间设置为0 s，分离时间设置为1 min。背景缓冲液使用300 mm双(2-羟基乙胺基)三(羟甲基)甲烷/3-(n-吗啉基)丙磺酸(bis-tris/mops)及2 mm18-冠醚-6，样品溶液使用200 μm的nh
4+
、k
+
、na
+
、li
+
、ca
2+
、mg
2+
混合溶液。图6中的虚线表示：在室温下进行的样品分离；nh
4+
和k
+
明显未完全分离开。图6中的实线表示：毛细管在2 ℃的冷却油中进行的样品分离，nh
4+
和k
+
完全分开的同时，基线更加平稳了，证明了循环流动的冷却油能使分离效果更好。
33.无机爆炸物的分离分析：本例使用的毛细管7内径为10 μm，外径为360 μm，长度为15.5 cm；毛细管在使用前依次用1 mol/l naoh，1 mol/l hcl和超纯水对石英毛细管各冲洗10 min，然后用5%(w/v)的hdmb溶液冲5 min，使毛细管内壁带正电，获得电渗流，最后用背景缓冲溶液冲洗60 min，来稳定电渗流；进样电压为-1 kv，分离电压为-10 kv，进样时间设置为0 s，分离时间设置为3 min。背景缓冲液使用40 mm三羟甲基氨基甲烷/2-环己胺基乙磺酸(tris/ches)及0.8%(w/v)聚乙烯亚胺(pei，mw600)，样品溶液使用200 μm的clo
4-、no
3-、so
42-、scn-、clo
3-、n
3-以及400 μm的msa-、po
43-混合溶液。图7为阴离子混合样品电泳图。其中co
32-可能是来自空气中的co2在样品溶液和缓冲溶液中快速溶解；clo
3-、n
3-、clo
4-、no
3-是四种常见的爆炸物示踪离子，so
42-、scn-、po
43-是常见的背景离子；由图7可知，该系统能准确的检测出爆炸物。