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编号:10794840
微流动注射芯片化学发光法测定雨水中过氧化氢
http://www.100md.com 《分析化学》 2005年第7期
     微流动注射芯片化学发光法测定雨水中过氧化氢

    黄 英 章竹君

    3

    何德勇 胡玉斐

    (西南师范大学分析科学研究所,重庆400715)

    摘 要 基于luminol2H2O2

    2Co2 +化学发光体系, 设计了一种新的微流动注射芯片, 准确测定了雨水中的

    H2O2 含量。芯片由两块50 mm ×40 mm ×5 mm的透明有机玻璃( PMMA)在实验室加工而成。由CO2 激光雕

    刻机刻蚀出的微通道宽200 μm,深150 μm。方法的线性范围为0. 05~2 μmol/L;检出限为0. 02 μmol/L

    (S /N = 3) 。对0. 6μmol/L的H2O2 溶液平行测定9次,得方法的相对标准偏差(RSD)为4. 6%。该方法已成

    功用于雨水中微量H2O2 的测定。

    关键词 H2O2 ,微流动注射芯片,化学发光

    2004205217收稿; 2004209215接受

    本文系中国科学技术部基金资助项目(No. 2003BA310A05)

    1 引 言

    自20世纪90年代初,Manz等[ 1 ]首次提出微全分析系统(μTAS)的设计理念以来,基于硅片或玻璃

    片上的微加工芯片以其便携、试剂消耗少、分析时间短等优良的分析特性受到了极大的关注[ 2, 3 ] 。化学

    发光法具有灵敏度高、仪器设备简单、无需光源等优点,近年来在微流动注射中被广泛应用[ 4, 5 ] 。电渗

    进样是微流动注射系统中常用的进样方式,具有不需要泵、没有负压问题的优点,但电渗进样需控制pH

    在4~10之间且由于电极在储液槽中的位置难于固定而使其重现性差[ 6 ] 。负压进样具有设备简单的优

    点[ 7 ] 。文献曾用负压进样化学发光法测定了葡萄糖[ 4 ]和尿酸[ 8 ] ,但负压进样只限于简单的流路系统。

    本实验采用精度为±0. 01 s的时间计电器控制的注射泵注射进样,所有的试剂均用注射泵注入系统。

    该定量注射进样方法具有进样精度高、进样量可任意调节且不受电场干扰、操作简单等特点。

    大气及雨水中的H2O2 可将四价的硫转化为六价的硫,是酸雨产生的原因之一。目前测定雨水中

    的H2O2 的方法主要有分光光度法[ 9 ] 、原子吸收法[ 10 ]和化学发光法[ 11 ]等。本实验设计了一种微流动注

    射芯片,并采用灵敏度高且稳定的luminol2H2O2

    2Co2 +体系,用精确、自动定量注射进样技术测定H2O2

    并用于雨水中H2O2 的检测,检出限为0. 02μmol/L;线性范围为0105~2μmol/L。每次检测时间只需

    2 min。芯片可重复使用100次。

    2 实验部分

    2. 1 试剂

    鲁米诺( luminol) (陕西师范大学化学系合成,纯度95%以上)储备液( 0. 01 mol/L) :称取1. 772 g

    luminol,用0. 10 mol/L NaOH溶液溶解,定容至1 L,用时用NaHCO3

    2Na2 CO3 缓冲溶液稀释; CoCl2 (成都

    化学试剂厂,分析纯)贮备液(0. 01 mol/L ) :称取0. 2379 g CoCl2 ·6H2O, 用二次水溶解,定容至100

    mL; 30%的H2O2 溶液(重庆东试化工有限公司,分析纯) ; 732阳离子交换树脂(上海慧运实业有限公

    司) 。水为二次蒸馏水。其它试剂均为分析纯。

    2. 2 仪器和设备

    BPCL超微弱发光仪(中国科学院生物物理研究所) ;MCDR2J型数控微量进样器(瑞迈电子科技有

    限公司) ;DHC6A高可靠多制式时间继电器(大华仪器仪表有限公司) ; LTFJ22000A型二氧化碳激光雕

    刻机(天方设备有限公司) ; 5 mL注射器(西南师范大学校医院提供) 。

    2. 3 微流动注射芯片系统的加工

    实验所用芯片由本实验室自制。芯片上的微流动注射系统由两块透明的有机玻璃片( PMMA)加工

    第33卷

    2005年7月

    分析化学( FENXIHUAXUE) 研究简报

    Chinese Journal ofAnalytical Chemistry

    第7期

    958~960

    而成(图1a) ,首先基片由CO2 激光雕刻机刻蚀成图1b所示的微通道,然后在压力为1. 0~1. 5 MPa,温

    度80℃条件下,与盖片键合20 min,再维持压力1. 0~1. 5MPa冷却至室温。基片上除了反应区均用黑

    胶布封住,使得这样光电倍增管检测到的光信号仅来自于反应区。

    2. 4 实验方法

    按图2所示流路,分别用3个5 mL注射器吸取约5 mL试剂和样品后,安装好各路管道。开启恒流

    注射泵A、B,以60μL /min的速度分别注入鲁米诺和钴离子,待化学发光背景信号稳定后,泵C以100

    μL /min的速度用时间计电器控制进样2 S, 注入3. 3μL样品,通过光电倍增管记录化学发光信号,以

    峰高计数定量。测定完样品后,取下注射器,用二次水反复清洗3~4次,以备下一次测定样品时使用。

    图1 微流动注射芯片( a)和微反应通道示意图( b)

    Fig. 1 Schematic diagram of chemiluminescence ( CL )

    microflow injection analysis (μF IA) system on chip ( a) for

    determination of the micro2channel and dimension of the

    micro2channel ( b)

    图2 测定H2O2 的微流动注射芯片流路图

    Fig. 2 Schematic diagram of μF IA system on chip for

    determination of hydrogen peroxide

    P1 , P2 , P3. 注射泵( injection pump) ; A. 鲁米诺( luminol) ; B.

    Co2 + ; C. 样品( samp le) ; PMT. 光电倍增管( photomultip lier

    tube) 。

    3 结果与讨论

    3. 1 芯片上微反应通道尺寸的影响

    实验考察了微通道尺寸在100~800μm 的范围内不同尺寸的微通道对相对化学发光强度的影响,发现微反应通道尺寸越大,化学发光信号越强。但尺寸增大后,试剂的消耗也随之增加。因此,选择微

    通道宽为200μm,深为150μm。Kamidate等[ 12 ]研究发现,同样的试剂消耗,长而窄的通道有利于试剂

    的混合,从而获得好的化学发光信号。故芯片上的混合区和反应区都刻成长而窄的通道。

    3. 2 流速的影响

    luminol和Co2 +分别用注射泵P1 和P2 以相同速度注入。当泵P3 的速度大于泵P1、P2 的速度时,能

    获得强的化学发光信号。因此,先固定泵P3 的速度,考察泵P1、P2 的速度在10~100μL /min的范围内

    对发光信号的影响,发现发光信号随流速的增加而增加,但当流速到达60μL /min后增加缓慢,为节约

    试剂选择流速为60μL /min。相应的,泵P3 选择流速为100μL /min,此时化学发光信号达到最佳。

    3. 3 Co2 +浓度和lum inol浓度的影响

    固定其它实验条件,实验了Co2 +浓度在0. 5~5μmol/L范围内对相对化学发光强度的影响。实验

    表明,随着Co2 +浓度的增加,对H2O2 测定的相对化学发光强度也增加。考虑到Co2 +对环境有污染作

    用,在灵敏度许可的条件下,选择最后实验的Co2 +浓度为2μmol/L。

    考察了化学发光试剂luminol 0. 05~0. 5 mmol/L范围内对相对化学发光强度的影响。实验表明,随着luminol浓度的增加,对H2O2 测定的相对化学发光强度也增加。因此,在灵敏度许可的条件下为

    节约试剂,选择luminol最佳浓度为0. 1 mmol/L。

    3. 4 pH值的影响

    luminol与H2O2 的反应需在碱性条件下进行。因此,酸度对化学发光反应影响很大。分别实验了

    NaHCO3

    2Na2 CO3 ,Na2B4O7

    2NaOH, NH3

    2NH4 Cl等缓冲介质对该反应的影响,结果表明,使用NaHCO3

    2

    Na2 CO3 缓冲体系时相对化学发光强度较大。然后仔细研究了不同pH值的NaHCO3

    2Na2 CO3 缓冲溶液

    9 5 9 第7期黄 英等:微流动注射芯片化学发光法测定雨水中过氧化氢

    对化学发光强度的影响,发现当pH值为10. 8的时候,化学发光强度最大。

    3. 5 标准曲线

    在所选择的实验条件下, H2O2 浓度在0. 05~2μmol/L范围内与相对发光强度ΔI呈良好的线性关

    系,其标准曲线为ΔI = 153. 99C (μmol/L) - 4. 2453 ( n = 3, r = 0. 9958) 。对6 ×10- 7 mol/L的H2O2 溶

    液平行测定9次,相对标准偏差(RSD)为4. 6%。方法的检出限为0. 02μmol/L (S /N = 3) 。

    3. 6 干扰实验

    考察了常见离子对分析0. 5μmol/L H2O2 溶液的干扰情况,结果表明: 1000倍的Na+ 、K+ 、Al3 + 、F- 、Cl- 、B r- 、NO-

    3 、SO2 -

    4 、CO2 -

    3 、Ac- , 100倍的Ca2 + 、Zn2 + 、Ba2 + 、HPO2 -

    4 、NH+

    4 , 50倍的I- , 20倍的

    Fe3 + 、Mg2 + 、SO2 -

    3 , 10 倍的Fe2 + 、S2 - 、Pb2 + 、Cd2 + 、Ni2 + 不干扰测定, 10 倍的

    Mn2 + 、Co2 + 、Cu2 + 、Cr3 + 对H2O2 产生正

    干扰。可以用阳离子交换树脂除去这些

    离子的干扰,在实验中采用离线除去阳

    离子的干扰。

    3. 7 样品分析

    表1 雨水样品H2O2 的测定结果( n = 5)

    Table 1 Determination results of hydrogen peroxide in rainwater ( n = 5)

    雨水样品

    Rainwater

    测得量

    Found

    (μmol/L)

    加入量

    Added

    (μmol/L)

    测得总含量

    Total found

    (μmol/L)

    回收率

    Recovery

    (% )

    1 0. 268 ( ±2. 1%) 0. 10 0. 372 104

    2 0. 573 ( ±2. 3%) 0. 50 1. 113 108

    3 0. 462 ( ±3. 2%) 0. 50 0. 934 95

    取5 mL雨水经阳离子交换树脂除去干扰后作为样品测定H2O2 ,并作加标回收率实验,结果见表1。

    References

    1 Manz A, GraberN, Widmer H M. Sensors and Actuators B, 1990, 1: 244~248

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    4 LüY, Zhang Z, Chen F. Talanta, 2003, 59: 571

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    10 WangMingli (汪明礼). J iangsu Environm ental Science and Technology (江苏环境科技) , 2001, 14 (4) : 7

    11 QinW, Zhang Z J, L i B X, L iu S N. Anal. Chim. Acta, 1998, 372: 357~363

    12 Kamidate T, Kaide T, Tani H, Makino E, Shibata T. Lum inescence, 2001, 16: 337~342

    Chem ilum inescenceM icroflow Injection Ana lysis System

    on a Chip for the Determ ina tion of Hydrogen Perox ide in Ra inwa ter

    Huang Ying, Zhang Zhujun

    3

    , He Deyong, Hu Yufei

    ( Institute of Analy tical Science, Southwest N orm al University, Chongqing 400715)

    Abstract Based on luminol2H2O2

    2Co2 + chemiluminescence system, a new microflow injection chip was

    designed for the determination of hydrogen peroxide in rainwater. The chip was p roduced by using two 50 mm

    ×40 mm ×5 mm in dimension transparent poly (methylmethacrylate) ( PMMA) and the channelswere etched

    by CO2 laser in 200μm width and 150μm dep th. The linear range of hydrogen peroxide concentration was

    0105~2μmol/L and the detection limit was 0. 02 μmol/L ( S /N = 3). The relative standard deviation was

    416% for 0. 6μmol/L of hydrogen peroxide ( n = 9). The p roposed method has been successfully app lied to the

    determination of hydrogen peroxide in rainwater.

    Keywords Hydrogen peroxide, microflow injection chip, chemiluminescence

    (Received 17 May 2004; accep ted 15 Sep tember 2004)

    0 6 9 分析化学第33卷, http://www.100md.com(黄 英 章竹君 何德勇 胡玉斐)