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第十二章其它分析方法和分析技术 第一节电感耦合等离子体原子发射光谱

一、概述 原子发射光谱（atomic emission spectroscopy，AES）是将试样放在电极内，用光源，如电弧或火花激发发光，然后经分光使谱线为线光谱，最后用照相，或光电方法记录下来。

由于各个元素都有其特征的线光谱，因此可根据这些发射谱线进行定性分析，测量其特征谱线的强度，即可进行定量分析。由于各个元素都有其特征的线光谱，因此可根据这些发射谱线进行定性分析，测量其特征谱线的强度，即可进行定量分析。

光源有直流电弧、交流电弧、电火花和等离子体光源。光源有直流电弧、交流电弧、电火花和等离子体光源。 20世纪50年代曾是测定微量元素的主要手段，后来被原子吸收所取代。

电感偶合等离子体原子发射光谱法（Inductively Coupled Plasmas Atomic Emission Spectroscopy，ICP-AES）是以高频电感耦合等离子炬为激发光源的原子发射光谱法，是原子发射光谱法的一种。

ICP-AES法的主要特点是：① 应用范围广，可对约70多种元素进行分析，并且可进行多元素的同时分析；② 检出限低，水溶液检出限可达0.1～1.0 ng/ml；③ 分析速度快，可在一分钟内完成70个元素的定量测定或对未知样品中多达70种元素的定性、半定量测定。④ 准确度高，被分析元素浓度为其检出限的100倍时，相对误差仅为1%；⑤ 选择性好，没有元素间的干扰效应。⑥ 线性范围宽，达几个数量级。

ICP-AES在环境、食品、医药卫生、冶金、地质、生物、农业和石油等领域被广泛应用，在卫生检验中常用于水质、食品、生物材料等样品中的微量元素分析，已成为国际上公认的标准分析方法。ICP-AES在环境、食品、医药卫生、冶金、地质、生物、农业和石油等领域被广泛应用，在卫生检验中常用于水质、食品、生物材料等样品中的微量元素分析，已成为国际上公认的标准分析方法。 ICP-AES法对非金属测定的灵敏度较低，仪器价格昂贵和使用费用较高、操作复杂是它的主要缺点。

二、电感耦合等离子炬光源的基本原理 激发光源是原子发射光谱的重要部分，它的性能直接影响光谱分析的准确度、精密度和灵敏度。理想的激发光源应具备原子化效率高，激发能力强，光谱背景信号低等特点。等离子体光源是目前较理想的光源。

等离子体是指由电子、离子、原子和分子组成、电离度大于0.1%的处于电离平衡状态下的电离气体。由等离子体形成的火炬称为等离子炬。根据产生的方式不同，等离子炬可分为：直流等离子体燃炬、微波等离子炬和电感耦合高频等离子炬（Inductively Coupled Plasma torch，ICP）。ICP是由高频感应电流产生的类似火焰的激发光源，结构如图。

炬焰感应线圈电流 H H 磁场石英管 i 冷却气（氩气） i 载气（氩气）样品气溶胶辅助气（氩气）图10－1 ICP光源示意图

ICP的装置，由高频发生器、进样系统（包括供气系统）和等离子炬管三部分组成。在有气体的石英管外套装一个高频感应线圈，感应线圈与高频发生器连接。当高频电流通过线圈时，在管的内外形成强烈的振荡磁场。管内磁力线沿轴线

方向，管外磁力线成椭圆闭合回路。一旦管内气体开始电离（如用点火器），电子和离子则受到高频磁场所加速，产生碰撞电离，电子和离子急剧增加，此时在气体中感应产生涡流。这个高频感应电流，产生大量的热能，又促进气体电离，维持气体的高温，从而形成等离方向，管外磁力线成椭圆闭合回路。一旦管内气体开始电离（如用点火器），电子和离子则受到高频磁场所加速，产生碰撞电离，电子和离子急剧增加，此时在气体中感应产生涡流。这个高频感应电流，产生大量的热能，又促进气体电离，维持气体的高温，从而形成等离

子炬。为了使所形成的等离子炬稳定，通常采用三层同轴炬管，等离子气沿着外管内壁的切线方向引入，迫使等离子体收缩，并在其中心形成低气压区。这样一来，不仅能提高等离子体的温度（电流密度增大），而且能冷却炬管内壁，从而保证等离子炬具有良好的稳定性。子炬。为了使所形成的等离子炬稳定，通常采用三层同轴炬管，等离子气沿着外管内壁的切线方向引入，迫使等离子体收缩，并在其中心形成低气压区。这样一来，不仅能提高等离子体的温度（电流密度增大），而且能冷却炬管内壁，从而保证等离子炬具有良好的稳定性。

等离子炬管分为三层。最外层通Ar气作为冷却气，沿切线方向引入，并螺旋上升，其作用：第一，将等离子体吹离外层石英管的内壁，可保护石英管不被烧毁；第二，是利用离心作用，在炬管中心产生低气压通道，以利于进样；第三，这部分Ar气流同时也参与放电过程。中层管通人辅助气体Ar气，用于点燃等离子体。内层石英管内径为1 ~2mm左右，以Ar为载气，把经过雾化器的试样溶液以气溶胶形式引入等离子体中。

四、ICP-AES应用及发展 ICP-AES法应用于环境和水质分析方面，可方便快速地测定水中及各种粉尘、煤飞灰、尘埃、飞尘中的金属污染元素。一般而言，水样在加入无机酸作为稳定剂后，即可直接进行测定。

ICP-AES应用于食品和农业分析时，样品包括各类食品、植物样品、动物组织、肥料、土壤等。这些样品在分析前必须首先进行样品的制备和预处理。ICP-AES应用于食品和农业分析时，样品包括各类食品、植物样品、动物组织、肥料、土壤等。这些样品在分析前必须首先进行样品的制备和预处理。

ICP-AES应用于生物材料分析方面的实例较多，如尿样中铬、镍、铜的测定，血液中铝的测定，肝脏中硒的测定及骨质中硼、磷、硫的测定等。生物材料分析时应避免样品在采集和制备过程中受到污染。ICP-AES应用于生物材料分析方面的实例较多，如尿样中铬、镍、铜的测定，血液中铝的测定，肝脏中硒的测定及骨质中硼、磷、硫的测定等。生物材料分析时应避免样品在采集和制备过程中受到污染。

例如采样用的手术刀、剪子等金属器具常造成样品微量元素的污染，所以选用适当的器具采集、保存和处理生物材料样品使其免受污染是非常重要的。例如采样用的手术刀、剪子等金属器具常造成样品微量元素的污染，所以选用适当的器具采集、保存和处理生物材料样品使其免受污染是非常重要的。

另一方面，样品量太少或待测元素含量太低时，采用一般的样品导入技术不能满足分析的需要。在这种情况下，往往采用超声雾化、电热蒸发、离子交换、溶剂萃取等方法。

第二节高效毛细管电泳分析法

高效毛细管电泳（high performance capillary electrophoresis，HPCE）是近年来发展起来的一种高效、快速的分离分析技术，是经典电泳技术和现代微柱分离相结合的产物。HPCE已成为一种重要的分离分析方法，在生物、医药、化工、环保、食品等领域具有广阔的应用前景。

总的说来，HPCE具有如下优点： 1. 高灵敏度采用电化学检测器，最低检测限可达10-19 mol； 2. 高效 HPCE每米理论塔板数为几十万，高者可达几百万甚至几千万； 3. 高速通常的分析时间不超过30 min。有1.7 min内分离19种阳离子及3 min内分离30种阴离子的报道；

4. 样品用量少只需nL（109 L）级； 5. 低消耗每次分析只需少量（几毫升）流动相，分析过程是在价格低廉的毛细管柱中进行； 6. 应用范围广从简单的无机离子、有机离子到整个细胞，都可进行分离分析。具有“万能”分析功能或潜力；

一、基本装置与原理 • HPCE是以高压电场为驱动力，以毛细管为分离通道，依据样品中各组分之间淌度和（或）分配系数的不同而进行分离的一类新型液相分离技术。

1.基本装置 3 4 2 6 1 5 5 图10－8 毛细管电泳装置示意图 1．高压电源 2．检测器 3．液冷温控毛细管 4．数据记录系统 5．缓冲液槽 6．缓冲液

2．基本原理 在电解质溶液中，带电粒子在电场作用下，以不同速度向其所带电荷相反方向迁移的现象称为电泳。电渗流（electroosmoticflow，EOF）是指管内溶液在外力电场作用下整体向一个方向运动的现象。

HPCE通常采用的是石英毛细管柱，一般情况下（pH＞3），硅醇基（—SiOH）电离为硅氧基负离子（—SiO），使管壁表面带负电，为了保持电荷平衡，溶液中水合离子（一般为阳离子）被吸附到表面附近，形成双电层。

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当在毛细管两端加高电压时，双电层中的阳离子向阴极移动，由于离子是溶剂化的，所以带动了毛细管中溶液整体向阴极移动，产生电渗流。在不少情况下，电渗流的速度是电泳流速度的5～7倍。当在毛细管两端加高电压时，双电层中的阳离子向阴极移动，由于离子是溶剂化的，所以带动了毛细管中溶液整体向阴极移动，产生电渗流。在不少情况下，电渗流的速度是电泳流速度的5～7倍。

溶液中同时存在泳流和渗流，在不考虑相互作用的前提下，粒子在毛细管内电解质中的运动速度应当是电泳流速度和电渗流速度的矢量和，即溶液中同时存在泳流和渗流，在不考虑相互作用的前提下，粒子在毛细管内电解质中的运动速度应当是电泳流速度和电渗流速度的矢量和，即

正离子的运动方向和电渗流一致，因此最先流出；中性粒子的电泳流速度为“零”，其移动速度相当于电渗流速度；而负离子的运动方向和电渗流方向相反，但因电渗流速度一般都大于电泳流速度，故它将在中性粒子之后流出。正离子的运动方向和电渗流一致，因此最先流出；中性粒子的电泳流速度为“零”，其移动速度相当于电渗流速度；而负离子的运动方向和电渗流方向相反，但因电渗流速度一般都大于电泳流速度，故它将在中性粒子之后流出。

二、常用分离模式 HPCE是指所有在极细毛细管内进行的电泳新技术，它根据分离机理不同，具有多种分离模式，能够提供多方面的信息。HPCE常用的分离模式包括：

1．毛细管区带电泳（capillary zone electrophoresis；CZE）又称自由溶液毛细管电泳，是毛细管电泳中最基本、应用最广泛的一种分离模式。在毛细管中仅填充缓冲溶液，基于溶质组分的迁移时间或淌度的不同而分离。前述基本原理即为CZE的基本原理。

CZE的特点是操作简便、快速、分离效率高、应用范围广，从理论上讲适用于分离所有具有不同淌度的荷电粒子，分子量范围从十几的小分子离子到几十万的生物大分子。CZE的特点是操作简便、快速、分离效率高、应用范围广，从理论上讲适用于分离所有具有不同淌度的荷电粒子，分子量范围从十几的小分子离子到几十万的生物大分子。

2．胶束电动毛细管色谱（micellar electrokinetic capillary chromatography；MECC）胶束电动毛细管色谱又称电动色谱（EKC），是电泳技术和色谱技术巧妙结合的分离新技术，既能分离离子型物质，又可分离中性物质。

MECC是在电泳分离缓冲溶液中加入离子型表面活性剂并形成胶束，使电中性物质能根据其在胶束相和缓冲溶液相中的分配系数不同而进行分离。MECC的分离原理包括胶束增溶和电迁移两个过程。MECC是在电泳分离缓冲溶液中加入离子型表面活性剂并形成胶束，使电中性物质能根据其在胶束相和缓冲溶液相中的分配系数不同而进行分离。MECC的分离原理包括胶束增溶和电迁移两个过程。

其分离介质包括两相，一相是带电的胶束（不固定于柱的准固定相），它具有与周围缓冲溶液（流动相）不同的电泳速度，并且与被分离溶质相互作用（胶束增溶过程）；另一相是缓冲溶液相，在电场作用下，以电渗流的方式整体向阴极流动（电迁移过程）。其分离介质包括两相，一相是带电的胶束（不固定于柱的准固定相），它具有与周围缓冲溶液（流动相）不同的电泳速度，并且与被分离溶质相互作用（胶束增溶过程）；另一相是缓冲溶液相，在电场作用下，以电渗流的方式整体向阴极流动（电迁移过程）。

例如，在缓冲溶液中加入十二烷基硫酸钠形成胶束，因其表面带负电，电泳方向与电渗相反，向阳极泳动。在缓冲溶液pH＞5时，电渗流速度大于胶束电泳速度，所以胶束的实际移动方向和电渗流方向相同，都向阴极移动。例如，在缓冲溶液中加入十二烷基硫酸钠形成胶束，因其表面带负电，电泳方向与电渗相反，向阳极泳动。在缓冲溶液pH＞5时，电渗流速度大于胶束电泳速度，所以胶束的实际移动方向和电渗流方向相同，都向阴极移动。

电中性溶质基于色谱分配原理，在高压电场作用下移动的缓冲溶液相和胶束相之间进行分配，疏水性较强的溶质在胶束中的分配系数大，进入胶束中的溶质较多且较稳定，相对于疏水性较弱的溶质迁移慢。中性溶质按其疏水性不同，在两相间的分配系数不同而得到分离。电中性溶质基于色谱分配原理，在高压电场作用下移动的缓冲溶液相和胶束相之间进行分配，疏水性较强的溶质在胶束中的分配系数大，进入胶束中的溶质较多且较稳定，相对于疏水性较弱的溶质迁移慢。中性溶质按其疏水性不同，在两相间的分配系数不同而得到分离。

电中性溶质基于色谱分配原理，在图为MECC的分离原理示意图。 +）（ 图电动色谱原理图 ○表示载体，表示溶质，→表示载体的电泳迁移，大空心箭头表示电渗流

MECC的分配原理与常规色谱相同，但必须注意的是所述的载体与常规色谱的固定相不同，并不固定于柱，也不形成与流动相性质截然不同的一相，而是在缓冲液中均匀分布；重要的区别在于MECC的载体同周围介质的迁移速度不同。

MECC实际上仍然是一种区带电泳技术，只是用带电胶束溶液代替了CZE中的简单缓冲溶液，从而引起电泳行为和分离机理上的差别。目前，MECC已成功地应用于生物医药分析、环境监测、化工生产及食品检验领域。特别是MECC采用手性分配相，可用于手性化合物的分离，比HPLC采用手性固定相更为方便、实用，具有很好的应用前景。MECC实际上仍然是一种区带电泳技术，只是用带电胶束溶液代替了CZE中的简单缓冲溶液，从而引起电泳行为和分离机理上的差别。目前，MECC已成功地应用于生物医药分析、环境监测、化工生产及食品检验领域。特别是MECC采用手性分配相，可用于手性化合物的分离，比HPLC采用手性固定相更为方便、实用，具有很好的应用前景。

3．毛细管凝胶电泳（capillary gel electrophoresis，CGE）CGE是80年代后期发展起来的毛细管电泳的主要分离模式之一，它将凝胶电泳对生物大分子的高效分离能力和毛细管电泳的快速、微量和定量分析相结合，成为当今分离度极高的一种电泳分离技术。

在CGE中，溶质的分离依赖于溶质的净电荷性质和分子大小两个因素。在毛细管中装入凝胶作支持物进行的电泳。凝胶具有多孔性的网络结构，对溶质具有分子筛的作用。当带电溶质在电场作用下通过凝胶的网络结构时，将会对不同大小的溶质分子产生不同的阻力，使溶质按分子大小逐一分离。在CGE中，溶质的分离依赖于溶质的净电荷性质和分子大小两个因素。在毛细管中装入凝胶作支持物进行的电泳。凝胶具有多孔性的网络结构，对溶质具有分子筛的作用。当带电溶质在电场作用下通过凝胶的网络结构时，将会对不同大小的溶质分子产生不同的阻力，使溶质按分子大小逐一分离。

尤其对那些荷质比不随分子大小而变的大分子如DNA等，没有凝胶的筛分作用就不能分离。而且凝胶的粘度大，可减少溶质的扩散，使被分离组分峰形尖锐，能达到CE中最高的柱效。。尤其对那些荷质比不随分子大小而变的大分子如DNA等，没有凝胶的筛分作用就不能分离。而且凝胶的粘度大，可减少溶质的扩散，使被分离组分峰形尖锐，能达到CE中最高的柱效。。

CGE在分子生物学和蛋白质化学上有着十分广阔的应用。在分子生物学上实现了包括寡聚核苷酸纯化、DNA测序和PCR产物的分析，在蛋白质化学方面用于多肽和蛋白质分子的分子量测定，原蛋白和结合蛋白的分离等。此外，CGE还可用于其它带电物质的分离，并可通过加入手性试剂、离子对试剂、络合试剂等添加剂改变分离的选择性。CGE在分子生物学和蛋白质化学上有着十分广阔的应用。在分子生物学上实现了包括寡聚核苷酸纯化、DNA测序和PCR产物的分析，在蛋白质化学方面用于多肽和蛋白质分子的分子量测定，原蛋白和结合蛋白的分离等。此外，CGE还可用于其它带电物质的分离，并可通过加入手性试剂、离子对试剂、络合试剂等添加剂改变分离的选择性。

4．毛细管等电聚焦（capillary isoelectric focusing；CIEF）CIEF即是在毛细管里进行的等电聚焦过程。由于毛细管本身的抗对流性质，CIEF可在自由溶液中进行，也可在凝胶中进行。CIEF集传统等电聚焦和毛细管电泳高效、快速、微量及柱上检测等的优点，在蛋白质、多肽的分离分析上有很好的应用前景。

CIEF是根据蛋白质的等电点（pI）不同而进行分离的。基本原理是基于两性电介质在分离介质中的迁移造成的pH梯度，由此可以使蛋白质根据它们不同的等电点达到分离。采用两性电解质混合物作为载体电解质，当在毛细管两端加电压时，pI大于两性CIEF是根据蛋白质的等电点（pI）不同而进行分离的。基本原理是基于两性电介质在分离介质中的迁移造成的pH梯度，由此可以使蛋白质根据它们不同的等电点达到分离。采用两性电解质混合物作为载体电解质，当在毛细管两端加电压时，pI大于两性

电解质混合物pH值的两性电解质带正电，向负极移动；pI小于两性电解质混合物pH值的两性电解质带负电，向正极移动；当它们移至pH=pI值区带时，净电荷为零，不再移动。因此不同等电点的两性电解质在电场中从阳极到阴极按pI值逐渐增加排序，形成稳定的pH梯度，梯度中每一处的pH，取决于该处两性电解质的pI值。电解质混合物pH值的两性电解质带正电，向负极移动；pI小于两性电解质混合物pH值的两性电解质带负电，向正极移动；当它们移至pH=pI值区带时，净电荷为零，不再移动。因此不同等电点的两性电解质在电场中从阳极到阴极按pI值逐渐增加排序，形成稳定的pH梯度，梯度中每一处的pH，取决于该处两性电解质的pI值。

同理，具有一定等电点的蛋白质顺着这一梯度迁移到相当于其等电点的那个位置，并在此停下，产生非常窄的聚焦带，并使不同等电点的蛋白聚焦在不同位置上。CIEF有极高的分辨率，通常可以分离等电点差异小于0.01pH单位的两种蛋白质。同理，具有一定等电点的蛋白质顺着这一梯度迁移到相当于其等电点的那个位置，并在此停下，产生非常窄的聚焦带，并使不同等电点的蛋白聚焦在不同位置上。CIEF有极高的分辨率，通常可以分离等电点差异小于0.01pH单位的两种蛋白质。

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