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基于智能手机的便携式毛细管电泳装置检测消毒剂中2种季铵盐

发布时间:2021-05-30 16:22所属平台:学报论文发表咨询网浏览:

摘要:现有的小型毛细管电泳(CE)装置仍采用平板或计算机进行数据处理和分析,其便携性仍存在明显不足。针对这一问题,发展了一种基于智能手机的CE装置,实现了真正的便携式定量分析。该装置集成了电容耦合式非接触式电导检测(C4D)和蓝牙通信功能,并提供了手

  摘要:现有的小型毛细管电泳(CE)装置仍采用平板或计算机进行数据处理和分析,其便携性仍存在明显不足。针对这一问题,发展了一种基于智能手机的CE装置,实现了真正的便携式定量分析。该装置集成了电容耦合式非接触式电导检测(C4D)和蓝牙通信功能,并提供了手机界面软件。通过手机界面软件,不仅可以控制CE装置的电泳运行,还可以实时接收C4D检测器发出的数据信息,显示电泳图谱和进行数据处理。该装置尺寸为20cm×20cm×15cm,重量为2kg。为了验证所设计装置的性能,采用季铵盐(QAs)消毒剂(十二烷基二甲基苄基溴化铵(DDBAB)和十二烷基三甲基溴化铵(DTAB))作为分析对象。实验数据表明,DDBAB和DTAB线性范围分别为20~1000和30~1000μmol/L,线性回归方程的相关系数(R2)分别为0

  关键词:毛细管电泳;电容耦合式非接触电导检测;基于智能手机的便携式装置;消毒剂;季铵盐

智能技术

  季铵盐(QAs)作为一种阳离子表面活性剂[1],是洗涤剂[2]、化妆品[3]和建筑材料防腐剂[4]中的重要化工原料,同时作为常见消毒剂的主要成分被广泛应用[5-7]。这类QAs消毒剂的效能主要受浓度、接触时间和pH值等环境因素的影响。若QAs消毒剂浓度无法达到要求,则会大大降低消毒效果;同时,QAs消毒剂具有较强的毒性,对其过量使用又会威胁到人体健康。因此,现场检测QAs消毒剂具有重要意义。

  常见的实验室检测QAs含量的方法有紫外分光光度法[8]、高效液相色谱法[9]、月桂基硫酸钠滴定法[10]和毛细管电泳法(CE)[11]。这几种方法具有精密度高、检出限(LOD)低、检测速度快等优点,然而都需要在特定的实验室环境中进行,不易做到便携式和现场检测。CE与电容耦合非接触式电导检测(CE⁃C4D)样品消耗少,LOD低,灵敏度高,检测速度快,为CE的便携式设计带来了新的思路[12-14]。

  为了实现CE⁃C4D便携化,众多研究者做了相关研究[15]。2001年,Kappes等[16]首次提出了一款便携式CE⁃C4D装置,其尺寸为34cm×17

  2014年,Nguyen等[18]研制了一款便携式CE⁃C4D装置,其尺寸为40cm×28cm×21cm,重6kg。次年,Gregus等[19]设计了一种基于C4D的CE装置,其尺寸为20cm×33cm×17cm,重量不足5kg。2021年,Graf等[20]提出了一种基于电容数字转换技术的CE⁃C4D原理样机,但没有报道装置的尺寸和重量。虽然近年来报道的便携式CE⁃C4D装置无论是在体积还是重量上,其便携性都有很大改善,但它们都采用计算机或平板电脑进行数据处理和分析,因此在便携化上仍然存在明显不足。

  针对上述问题,本文发展了一种基于智能手机的CE⁃C4D装置,实现了真正的便携式现场分析。该装置集成了C4D和蓝牙通信功能,并提供了手机界面软件。通过手机界面软件,不仅可以控制CE装置的电泳运行,还可以实时接收C4D检测器发出的数据信息,显示电泳图谱和进行数据处理。为了验证装置的性能,对QAs消毒剂中的十二烷基二甲基苄基溴化铵(DDBAB)和十二烷基三甲基溴化铵(DTAB)进行了定量检测,并针对现场使用的新洁尔灭消毒液进行了加标回收试验。研究结果表明,所开发的装置具有线性好、LOD低、重复好、准确性高,尤其便携好等优点,可用于消毒液中QAs现场定量检测。

  1 实验部分

  1.1 仪器

  ET120C4D传感器检测头(澳大利亚eDAQ公司);聚酰亚胺涂层熔融石英毛细管(总长50cm,有效长度35cm,内径75μm,外径365μm,中国河北永年光纤厂);高压电源(-15kV,中国天津恒博高压电源厂);超纯水系统(德国SGWater公司)用来生产电导率低至0

  1.2 试剂

  氢氧化钠(NaOH,纯度98%)、盐酸(HCl,质量分数36

  1.3 背景液与样品液的制备

  分别取Lac2

  分别称取DDBAB3

  取购买的新洁尔灭消毒液2

  1.4 毛细管的预处理及实验条件

  在使用前先将毛细管依次用1

  1.5 基于智能手机的CE⁃C4D装置

  基于智能手机的便携式CE⁃C4D装置高压电源与检测模块,手机控制器。其中,检测模块包括C4D传感器和C4D检测电路,而C4D检测电路由信号处理模块、微控制单元(MCU)和蓝牙模块组成。CE信号经C4D传感器采集,之后由信号处理模块对检测信号进行基线调节、放大和模数转换并送入MCU,MCU处理后将数据信息输出给蓝牙模块并由其传递给手机控制器。

  手机控制器接收到数据信息后,在屏幕上实时绘制出电泳图谱。另外,用户还可通过手机界面软件发送控制信息,经信号检测模块中的蓝牙模块接收后由集成在MCU内的数模转换器(DAC)转换为模拟电压信号以控制-15kV高压电源的输出,从而控制电泳运行。

  手机界面软件是基于Kotlin语言开发的一款Android应用程序,其主要包括蓝牙连接模块、数据展示模块以及结果分析模块。蓝牙连接模块负责蓝牙的连接管理,使用过程中,手机应用程序端与检测电路端通过各自的蓝牙模块建立连接进行通信,相应的通信函数会收发信息并根据信息种类进行处理。信息分为控制信息与数据信息,这两种信息在软件编码中采用不同的编码字段来进行识别。

  2 结果与讨论

  2.1 装置性能验证

  取1

  分别对25mmol/LLac⁃β⁃Ala背景液 、1mmol/LDDBAB单离子液 、1mmol/LDTAB单离子液以及1mmol/LDDBAB和DTAB混合离子液进行测试。DDBAB和DTAB在8min内完全基线分离,保留时间分别为450s和390s,而且峰形良好,这也验证了装置对于QAs消毒剂具有良好的选择性。

  2.2 实际样品分析

  利用开发的装置对1

  新洁尔灭消毒液实际样品的主要有效成分为DDBAB,在现场回收的新洁尔灭消毒液中分别加入0

  2.3 与其他方法比较

  将本文开发的CE⁃C4D装置与现有便携式CE⁃C4D装置进行比较,本文介绍的装置由于采用了手机替代电脑进行数据处理和分析,减小了装置体积,在现场检测以及便携性上有独特优势。然而,装置在LOD上还有进一步的提升空间。

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  3 结论

  本文发展了一种基于智能手机的便携式CE⁃C4D装置,开发了手机界面软件,通过手机界面软件,不仅可以控制CE装置的电泳运行,还可以实时接收C4D检测器发出的数据信息,显示电泳图谱和进行数据处理和分析,进一步提高了检测装置的便携性。为验证该装置的性能,选择两种QAs作为分析物进行了测试。实验结果表明,该装置具有线性好、LOD低、重复好、准确性高,尤其便携好等优点,实现了对QAs消毒剂的定量检测。表明开发的装置可在QAs消毒剂的现场定量检测中发挥重要作用。

  参考文献:

  [1] Kwas'niewskaD,ChenYL,WieczorekD.Pathogens,2020,9(6):459

  [2] GaoW,DangZC,LiuFS,etal.RSCAdv,2020,10(71):43523

  [3] CummingJ,HawkerD,ChapmanH,etal.WaterAirSoilPoll,2011,216(1):441

  [4] EtimIIN,DongJH,WeiJ,etal.JMaterSciTechnol,2021,64(5):126

  [5] DongFY,JiaTS,WangQ,etal.MaterTodayCommun,2021,26:101695

  作者:王源豫1,张瑞华1,张强1,曹成喜1,樊柳荫2∗,刘伟文1∗

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