專利名稱：一種非接觸電導檢測器及檢測方法
技術領域：
本發明涉及電導檢測技術，特別是一種用于毛細管電泳、電色譜和微柱液相色譜的分離檢測的檢測器及檢測方法。
背景技術：
電導檢測器已經廣泛用于毛細管電泳的分離檢測，其結構簡單，對離子化合物的檢測具有優勢，特別是對安培檢測電活性不高和光學吸收比較弱的一些小無機陽離子和陰離子的檢測非常有效。用于毛細管電泳檢測的電導檢測器一般使用一對鉑(Pt)微電極直接插入到激光打孔的毛細管內或置于分離毛細管末端，或在毛細管末端沉積一層金屬薄膜作為檢測電極。在電極上施加一定頻率交流信號，當分離的樣品經過檢測電極時，由于樣品和緩沖溶液間電導的差別，產生響應信號。由于檢測電極同溶液直接接觸，在所加電壓的作用下，可能發生電極反應、及一些物質在電極上物理或化學的吸附作用，使得電極表面狀態發生變化，影響電極的響應性能。因此，檢測電極必須經常性的活化處理，必要時還必須將電極拆下來清洗，由于使用的是微電極，操作困難，使檢測器實際使用很不方便，這也是這種傳統電導檢測器很難商品化的主要原因。
1998年，Zeman等人首次提出了電容耦合非接觸電導檢測(C4D)的方法，用在毛細管電泳上成功的實現了對一些無機離子的檢測。這種電導檢測器的電極同溶液不直接接觸，完全避免了傳統電導檢測器中電極易于污染的缺點，加之這種電導檢測器使用的電極非常簡單，分離毛細管只需簡單的穿過檢測電極即可，使用起來非常方便，易于商品化。所以，非接觸電導檢測器一經出現便在國際上引起重視，相關文獻日漸增多。但目前國內對電容耦合非接觸電導檢測(C4D)的研究才剛起步，還未見有任何相關的文獻報道。

發明內容
本發明的目的是提供一種基于電容耦合非接觸電導檢測(C4D)原理的非接觸電導檢測器，其包括函數信號發生器，檢測電極，電極固定裝置以及相關的信號處理電路，并且檢測器結構非常簡單，靈敏度高，檢測準確，使用非常方便。
本發明的另一目的是提供一種與非接觸電導檢測器相應的檢測方法，主要用于毛細管電泳、電色譜和微柱液相色譜的分離檢測。
為達到上述目的，本發明的技術解決方案是提供一種非接觸電導檢測器，用于毛細管電泳、電色譜和微柱液相色譜分離檢測，包括函數信號發生器，檢測電極，電極固定裝置，信號處理電路，其兩個檢測電極為套筒式管狀電極，其內徑比分離毛細管的外徑稍大，直接套在毛細管兩端；檢測電極內壁與毛細管外周面之間有微小縫隙；電極固定裝置主體為兩塊刻有凹槽的板，其中之一板上的凹槽內有兩個小電極引線孔；檢測電極置于凹槽內；兩檢測電極分別與信號處理電路連接；上述部件置于一金屬屏蔽盒內，電極固定裝置由固定機構固接在金屬屏蔽盒底面；凹槽的軸心延線兩端有毛細管導引裝置，毛細管導引裝置固接于金屬屏蔽盒的側壁上；檢測電極引線從板上的引線孔引出與函數發生器的輸出端直接連接。
所述的非接觸電導檢測器，其所述檢測電極，壁厚≤300μm，電極的長度在0.5～10mm；兩個檢測電極軸向相隔在2～5mm之間。
所述的非接觸電導檢測器，其所述檢測電極，是由金屬或其它導電材料制作的。
所述的非接觸電導檢測器，其所述檢測電極，是由不銹鋼材料制作的。
所述的非接觸電導檢測器，其所述檢測電極，還可以使用金屬絲繞成管狀電極或使用金屬薄片卷在分離毛細管外面作為檢測電極。
所述的非接觸電導檢測器，其所述函數發生器，使用高頻交流電作為信號激勵源，直接作用在檢測電極上；交流電的頻率在10～1000KHz之間，交流電源的峰-峰電壓Vp-p在10～50V之間。
所述的非接觸電導檢測器，其所述信號激勵源，為多種波形的交流源。
所述的非接觸電導檢測器，其所述多種波形的交流源，為正弦，方波，三角波。
所述的非接觸電導檢測器，其所述電極固定裝置主體為兩塊高分子絕緣板，檢測電極軸向之間的距離通過電極引線孔之間的距離調節。
所述的非接觸電導檢測器，其所述高分子絕緣板為透明板，可直觀觀察毛細管在穿過檢測電極時的情形。
所述的非接觸電導檢測器，其所述固定電極固定裝置的固定機構為螺栓。
所述的非接觸電導檢測器，其所述信號處理電路的取樣電阻在10～50kΩ之間；采用單級差動放大模式，交流放大的倍數在20～200倍之間；放大的交流信號經單向導通的二極管檢波變為直流信號直接讀出。
所述的非接觸電導檢測器，其所述毛細管導引裝置，至少有兩個，其二通的一端置于金屬屏蔽盒兩側的孔中，由螺帽固接于金屬屏蔽盒的側壁；另一螺帽將二通的中心導管和硅膠墊固緊。
所述的非接觸電導檢測器，其所述毛細管導引裝置的二通與電極固定裝置上的V形槽處于同一條軸線上，以保證毛細管經二通、檢測電極A、B套筒中順利引出，并于二通兩外端伸出一定的長度。
一種非接觸電導檢測器的檢測方法，其先將兩個檢測電極套在毛細管外周面的兩端，兩個檢測電極軸向相隔一定的距離；讓待檢樣品溶液從毛細管內流過，同時在毛細管的兩端加上分離電壓；再將高頻交流電直接作用在兩個檢測電極上，檢測電極同毛細管內溶液形成電容，兩個檢測電極軸向間距間溶液形成一個電阻R，兩個檢測電極經毛細管內的溶液電耦合形成閉合回路；使取樣電阻同檢測電極成串聯關系，在Vp-p作用下，電路中有電流流過；由于樣品和緩沖溶液電導的差別，待檢樣品在流經檢測區間引起取樣電阻上的電壓的變化，形成信號；最后，產生的交流信號先放大，再進行檢波變成直流信號輸出，顯示為檢測結果。
所述的檢測方法，其在取樣電阻上形成的信號同待檢測物質的濃度有關。
本發明的檢測器具有以下優點該檢測器使用的電極為管狀電極，只需簡單的套在毛細管的一端即可進行檢測，易于制作，檢測效果好；使用的電極固定裝置結構簡單，固定效果好，比直接使用膠粘劑將電極固定在支撐板上顯得靈活，可以方便的拆卸以調節電極的間距和改變電極的長短；檢測器應用時，只需將分離毛細管從毛細管導引二通穿過檢測電極即可，不需要另外打開檢測器的部件，操作容易；使用的信號處理電路采用單級差動放大模式，電路非常簡單，噪音小，易于獲得好的信噪比和低的檢測限；采用的函數信號發生器可以提供很寬頻程的正眩、方波和三角交流信號；檢測器的整體結構非常簡單，使用方便，易于微型化，不用像光學檢測器一樣制作檢測窗口，檢測器測量準確，線性范圍寬、響應值穩定、最小檢測限低，可連續長期使用，易于商品化。
本發明電導檢測器是一種通用性的檢測器，對離子化合物的檢測靈敏度比較高，采用一些特殊的分離方法和技術，可以用于非離子性化合物的檢測，因此，發明的檢測器可以用于無機離子，藥物，氨基酸、蛋白質，肽，核酸，農藥等生化和環境樣品的分離檢測。具體的說可以同毛細管電泳、電色譜和微柱液相色譜等分離手段結合，實現對上述物質的分離檢測。
本發明的檢測器經過適當的結構改造還可以用于芯片的分離檢測。


圖1為本發明非接觸電導檢測器整體示意圖(包括函數信號發生器部分，檢測電極部分，信號處理電路部分)；圖2為檢測電極在高頻交流電作用下同分離毛細管和溶液形成的等效電路圖；圖3為本發明檢測器檢測部分(包括電極和電極固定裝置)的示意圖；圖4為電極固定裝置示意圖；圖5為六種無機陽離子檢測的分離譜圖，其中出峰順序K+，Ba2+，Ca2+，Na+，Mg2+，Li+。
具體實施例方式
下面結合附圖詳細說明檢測器的結構、檢測原理和方法。
圖1為發明的非接觸電導檢測器整體示意圖，本發明檢測器的部件主要有檢測電極A、B，電極固定裝置10，信號處理電路3，函數信號發生器1。
其中，虛框1為函數信號發生器，可以提供不同頻率和振幅的正弦、方波和三角波交流信號源，直接作用在檢測電極A、B上，其峰-峰電壓最大為10伏。
虛框2為檢測電極A、B，電極固定裝置10和分離毛細管4，兩個檢測電極A和B，直接套在毛細管4兩端；檢測電極A、B為管狀電極，內徑比分離毛細管4的外徑稍大，以使電極A、B可以套在分離毛細管4的外面，電極A、B與毛細管4之間的接觸縫隙很小。電極A、B的壁厚要薄，控制在300μm以下，以減小兩個電極A、B在空氣中直接藕合的電容。電極A、B的長度一般在0.5～10mm左右，具體的長度應如實際檢測時對分離效率和檢測靈敏度的要求確定，電極A、B越短，檢測得到的譜峰失真越小，但檢測靈敏度變低；電極A、B越長，檢測靈敏度越高，但降低了分離柱效。兩個電極A、B之間的距離一般在2～5mm，距離短使分離效率高，但距離太短會增加檢測電極A、B在空氣中直接藕合的電容，使信噪比下降，不利于檢測；距離過大使得分離效率下降，同時靈敏度也可能下降，不利于分離和檢測。合適的拉伸不銹鋼管或其它導體管可以用作本發明檢測器的檢測電極A、B。
參見圖3、圖4，電極固定裝置10的主體為兩塊絕緣材料板10a、10b，如有機玻璃板等。兩塊板10a、10b上都有V形凹槽14，用于將電極A、B和毛細管4固定，以減小因外部振動引起的假信號或噪音。電極固定裝置10由螺栓通過夾板固定孔13固定在屏蔽盒12內。在其中一塊板10b上有兩個電極引線孔15，改變這兩個小孔15的距離就能改變檢測電極A、B軸向之間的距離。
虛框3為信號處理電路，采用單級差動放大模式，Rs，Rm，R0，分別是取樣電阻，負反饋電阻和信號輸出電阻，Rs一般在10～50kΩ之間，Rm取1MΩ，R0在2～5kΩ之間，C是濾噪電容，取值在1～10μF之間；信號處理電路3主要由取樣部分，交流信號放大部分，檢波和直流信號采集等構成。取樣電阻Rs與檢測電極A、B是串聯關系，電極A、B同溶液構成的總阻抗大約在幾兆到幾十兆之間，這與使用的緩沖體系、電極A、B長短和間距都有關系。在保證加上取樣電阻Rs不影響總電路的情況下(也就是取樣電阻要小于總阻抗的百分之一)，取樣電阻Rs越大，產生的信號越大。交流放大采用的是單級差動放大模式，放大的倍數一般在幾十倍到二百倍左右，以求有最佳的信噪比和最低的檢測限。檢波的作用是將交流信號變為直流信號，以便數據采集器進行信號讀出。
虛框2和虛框3兩部分放在一個金屬屏蔽盒12內，以消除外部的干擾。
本發明的非接觸電導檢測器的工作原理為高頻交流信號作用在兩個檢測電極A、B上，由于毛細管4內的溶液是導電的，每個電極A、B同內部的溶液就構成一個圓柱狀電容，聚酰亞胺涂層和石英管壁構成此電容的介質，在兩個電極A、B之間的毛細管4內的溶液相當于一個電阻，由此構成的等效電路如圖2，C1，C2分別為兩個電極同溶液構成的電容，R為兩電極間溶液等效的電阻。如圖1所示，取樣電阻Rs同C1，C2，R為串聯關系，在電極上施加一定頻率和振幅的交流電后，在上述回路會有電流，其大小滿足歐姆定律Ip-p＝Vp-p/Ztotal(＝R+Zc))，由于樣品和緩沖溶液的電導不同，當樣品區帶流經檢測電極A、B時，使得回路中阻抗(Ztotal)改變，所以電流也發生變化，ΔIp-p在取樣電阻產生的ΔVp-p就是反映樣品濃度的信息，ΔVp-p經運算放大器(OP)放大，再經檢波成為可以讀出的直流信號。
圖3為檢測部分，包括電極A、B、分離毛細管4、毛細管導引裝置5和電極固定裝置10。電極固定裝置10為通明高分子塑料夾板，11為電極引線，A、B為檢測電極，12為外部金屬屏蔽盒。毛細管導引裝置5，其包括螺帽6、9，硅膠墊7，二通8。毛細管導引裝置5有兩個，其二通8的一端置于金屬屏蔽盒12兩側的孔中，由螺帽9固接于金屬屏蔽盒12的側壁；另一螺帽6將二通8的中心導管和硅膠墊7固緊。
具體操作方法先將兩個電極A、B放在無電極引線小孔15的板10a上的凹槽14內，再將另一塊板10b放在上面，對準兩塊板凹槽14的位置，電極引線11從上面板的引線孔15引出，然后將兩塊板10a、10b固定在金屬屏蔽盒12內，此過程同時也就將電極A、B牢固的固定在兩塊板10a、10b上的凹槽14內。檢測電極A、B和函數信號發生器1及信號處理電路3構成如圖1所示的閉合回路。在電極A、B兩側的毛細管導引裝置5(由螺帽6、9，硅膠墊7，二通8構成)固定在金屬屏蔽盒12的外面兩側，見圖3所示，毛細管導引二通8與電極固定裝置10上的V形槽必須處于同一條軸線上，以保證毛細管4經二通8、檢測電極A、B順利引出。在使用檢測器時，將分離用的毛細管4順序經過毛細管導引二通8(內襯有硅橡膠墊7)，檢測電極A、B，毛細管導引二通8，并伸出一定的長度，在毛細管4的兩端加上分離電壓即可進行分離檢測。
本發明為一種用于毛細管電泳、電色譜和微柱液相色譜分離檢測用的非接觸電導檢測器和相應的檢測方法。
本發明方法為非接觸式電導檢測，檢測電極同溶液不接觸；使用高頻的交流電壓作為檢測電極的激勵信號，直接作用在檢測電極上；響應信號為樣品和緩沖溶液(對電泳來說)間電導的差，信號同樣品濃度成線性關系；產生的交流信號先放大，再進行檢波變成直流信號。
發明的非接觸式電導檢測器使用兩個管狀的檢測電極，套在分離毛細管的外面；兩個檢測電極分別同函數信號發生器的輸出直接電連接；電極固定裝置主體為兩個有凹槽的有機玻璃夾板，電極固定容易，可以靈活的拆卸電極以調節電極的間距和改變電極的長短；檢測器應用時，只需將分離毛細管從毛細管導引二通穿過檢測電極即可，不需要另外打開檢測器的部件，操作容易；信號處理電路采用單級差動放大模式后，交流信號放大后在檢波為直流信號。
實施例用于毛細管電泳分離檢測幾種無機陽離子；電泳條件分離電壓+I0KV，L＝50cm×50μm I.D×375μm O.D，Leffi＝40cm，壓力進樣30s，高度10cm，緩沖液為10mM的MES/HIS(pH＝5.0，用2％乙酸調節)，所用水為高純水，Li+，Na+，K+，Mg2+，Ca2+，Ba2+的濃度均為20μM；檢測條件電極長為5mm，兩電極間距為2mm，正弦交流電的頻率為20KHz，函數發生器輸出峰-峰電壓Vp-p＝50V。分離譜圖見圖5。
權利要求
1.一種非接觸電導檢測器，用于毛細管電泳、電色譜和微柱液相色譜分離檢測，包括函數信號發生器，檢測電極，電極固定裝置，信號處理電路，其特征在于，兩個檢測電極為套筒式管狀電極，其內徑比分離毛細管的外徑稍大，直接套在毛細管兩端；檢測電極內壁與毛細管外周面之間有微小縫隙；電極固定裝置主體為兩塊刻有凹槽的板，其中之一板上的凹槽內有兩個小電極引線孔；檢測電極置于凹槽內；兩檢測電極分別與信號處理電路連接；上述部件置于一金屬屏蔽盒內，電極固定裝置由固定機構固接在金屬屏蔽盒底面；凹槽的軸心延線兩端有毛細管導引裝置，毛細管導引裝置固接于金屬屏蔽盒的側壁上；檢測電極引線從板上的引線孔引出與函數發生器的輸出端直接連接。
2.如權利要求1所述的非接觸電導檢測器，其特征在于，所述檢測電極，壁厚≤300μm，電極的長度在0.5～10mm；兩個檢測電極軸向相隔在2～5mm之間。
3.如權利要求1或2所述的非接觸電導檢測器，其特征在于，所述檢測電極，是由金屬或其它導電材料制作的。
4.如權利要求1或2所述的非接觸電導檢測器，其特征在于，所述檢測電極，是由不銹鋼材料制作的。
5.如權利要求1或2所述的非接觸電導檢測器，其特征在于，所述檢測電極，還可以使用金屬絲繞成管狀電極或使用金屬薄片卷在分離毛細管外面作為檢測電極。
6.如權利要求1所述的非接觸電導檢測器，其特征在于，所述函數發生器，使用高頻交流電作為信號激勵源，直接作用在檢測電極上；交流電的頻率在10～1000KHz之間，交流電源的峰-峰電壓Vp-p在10～50V之間。
7.如權利要求6所述的非接觸電導檢測器，其特征在于，所述信號激勵源，為多種波形的交流源。
8.如權利要求7所述的非接觸電導檢測器，其特征在于，所述多種波形的交流源，為正弦，方波，三角波。
9.如權利要求1所述的非接觸電導檢測器，其特征在于，所述電極固定裝置主體為兩塊高分子絕緣板，檢測電極軸向之間的距離通過電極引線孔之間的距離調節。
10.如權利要求9所述的非接觸電導檢測器，其特征在于，所述高分子絕緣板為透明板，可直觀觀察毛細管在穿過檢測電極時的情形。
11.如權利要求1所述的非接觸電導檢測器，其特征在于，所述固定電極固定裝置的固定機構為螺栓。
12.如權利要求1所述的非接觸電導檢測器，其特征在于，所述信號處理電路的取樣電阻在10～50kΩ之間；采用單級差動放大模式，交流放大的倍數在20～200倍之間；放大的交流信號經單向導通的二極管檢波變為直流信號直接讀出。
13.如權利要求1所述的非接觸電導檢測器，其特征在于，所述毛細管導引裝置，至少有兩個，其二通的一端置于金屬屏蔽盒兩側的孔中，由螺帽固接于金屬屏蔽盒的側壁；另一螺帽將二通的中心導管和硅膠墊固緊。
14.如權利要求1或13所述的非接觸電導檢測器，其特征在于，所述毛細管導引裝置的二通與電極固定裝置上的V形槽處于同一條軸線上，以保證毛細管經二通、檢測電極A、B套筒中順利引出，并于二通兩外端伸出一定的長度。
15.一種非接觸電導檢測器的檢測方法，其特征在于，先將兩個檢測電極套在毛細管外周面的兩端，兩個檢測電極軸向相隔一定的距離；讓待檢樣品溶液從毛細管內流過，同時在毛細管的兩端加上分離電壓；再將高頻交流電直接作用在兩個檢測電極上，檢測電極同毛細管內溶液形成電容，兩個檢測電極軸向間距間溶液形成一個電阻R，兩個檢測電極經毛細管內的溶液電耦合形成閉合回路；使取樣電阻同檢測電極成串聯關系，在Vp-p作用下，電路中有電流流過；由于樣品和緩沖溶液電導的差別，待檢樣品在流經檢測區間引起取樣電阻上的電壓的變化，形成信號；最后，產生的交流信號先放大，再進行檢波變成直流信號輸出，顯示為檢測結果。
16.如權利要求15所述的檢測方法，其特征在于，在取樣電阻上形成的信號同待檢測物質的濃度有關。
全文摘要
本發明涉及電導檢測技術，是一種用于毛細管電泳、電色譜和微柱液相色譜的分離檢測的檢測器及檢測方法。本發明包括函數信號發生器，檢測電極，電極固定裝置，信號處理電路，其兩個檢測電極為套筒式管狀電極，直接套在毛細管兩端；檢測電極內壁與毛細管外周面之間有微小縫隙；電極固定裝置主體為兩塊刻有凹槽的板，其中之一板上的凹槽內有兩個小電極引線孔；檢測電極置于凹槽內；兩檢測電極分別與信號處理電路連接；上述部件置于一金屬屏蔽盒內；凹槽的軸心延線兩端有毛細管導引裝置，毛細管導引裝置固接于金屬屏蔽盒的側壁上；檢測電極引線從板上的引線孔引出與函數發生器的輸出端直接連接。本發明結構簡單，靈敏度高，檢測準確，使用非常方便。
文檔編號G01N30/64GK1570624SQ0315013
公開日2005年1月26日 申請日期2003年7月18日 優先權日2003年7月18日
發明者關亞風, 譚峰, 王海龍 申請人:中國科學院大連化學物理研究所