王源豫, 張瑞華, 張 強(qiáng), 曹成喜, 樊柳蔭, 劉偉文*

(1. 上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院, 上海 200240; 2. 上海交通大學(xué)學(xué)生創(chuàng)新中心, 上海 200240)

季銨鹽(QAs)作為一種陽(yáng)離子表面活性劑[1],是洗滌劑[2]、化妝品[3]和建筑材料防腐劑[4]中的重要化工原料,同時(shí)作為常見消毒劑的主要成分被廣泛應(yīng)用[5-7]。這類QAs消毒劑的效能主要受濃度、接觸時(shí)間和pH值等環(huán)境因素的影響。若QAs消毒劑濃度無法達(dá)到要求,則會(huì)大大降低消毒效果;同時(shí),QAs消毒劑具有較強(qiáng)的毒性,對(duì)其過量使用又會(huì)威脅到人體健康。因此,現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)QAs消毒劑具有重要意義。

常見的實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)QAs含量的方法有紫外分光光度法[8]、高效液相色譜法[9]、月桂基硫酸鈉滴定法[10]和毛細(xì)管電泳法(CE)[11]。這幾種方法具有精密度高、檢出限(LOD)低、檢測(cè)速度快等優(yōu)點(diǎn),然而都需要在特定的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行,不易做到便攜式和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。CE與電容耦合非接觸式電導(dǎo)檢測(cè)(CE-C4D)樣品消耗少,LOD低,靈敏度高,檢測(cè)速度快,為CE的便攜式設(shè)計(jì)帶來了新的思路[12-14]。

為了實(shí)現(xiàn)CE-C4D便攜化,眾多研究者做了相關(guān)研究[15]。2001年,Kappes等[16]首次提出了一款便攜式CE-C4D裝置,其尺寸為34 cm×17.5 cm×17.5 cm,重7.5 kg。Mai等[17]于2013年發(fā)展了一種便攜CE-C4D檢測(cè)裝置,該裝置放置在一個(gè)45 cm×35 cm×15 cm的手提箱中,總重8 kg。2014年,Nguyen等[18]研制了一款便攜式CE-C4D裝置,其尺寸為40 cm×28 cm×21 cm,重6 kg。次年,Gregus等[19]設(shè)計(jì)了一種基于C4D的CE裝置,其尺寸為20 cm×33 cm×17 cm,重量不足5 kg。2021年,Graf等[20]提出了一種基于電容數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)的CE-C4D原理樣機(jī),但沒有報(bào)道裝置的尺寸和重量。雖然近年來報(bào)道的便攜式CE-C4D裝置無論是在體積還是重量上,其便攜性都有很大改善,但它們都采用計(jì)算機(jī)或平板電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析,因此在便攜化上仍然存在明顯不足。

針對(duì)上述問題,本文發(fā)展了一種基于智能手機(jī)的CE-C4D裝置,實(shí)現(xiàn)了真正的便攜式現(xiàn)場(chǎng)分析。該裝置集成了C4D和藍(lán)牙通信功能,并提供了手機(jī)界面軟件。通過手機(jī)界面軟件,不僅可以控制CE裝置的電泳運(yùn)行,還可以實(shí)時(shí)接收C4D檢測(cè)器發(fā)出的數(shù)據(jù)信息,顯示電泳圖譜和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。為了驗(yàn)證裝置的性能,對(duì)QAs消毒劑中的十二烷基二甲基芐基溴化銨(DDBAB)和十二烷基三甲基溴化銨(DTAB)進(jìn)行了定量檢測(cè),并針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用的新潔爾滅消毒液進(jìn)行了加標(biāo)回收試驗(yàn)。研究結(jié)果表明，所開發(fā)的裝置具有線性好、LOD低、重復(fù)好、準(zhǔn)確性高,尤其便攜好等優(yōu)點(diǎn),可用于消毒液中QAs現(xiàn)場(chǎng)定量檢測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器

ET120 C4D傳感器檢測(cè)頭(澳大利亞eDAQ公司);聚酰亞胺涂層熔融石英毛細(xì)管(總長(zhǎng)50 cm,有效長(zhǎng)度35 cm,內(nèi)徑75 μm,外徑365 μm,中國(guó)河北永年光纖廠);高壓電源(-15 kV,中國(guó)天津恒博高壓電源廠);超純水系統(tǒng)(德國(guó)SG Water公司)用來生產(chǎn)電導(dǎo)率低至0.055 μS/cm的去離子水;pH計(jì)(瑞士Mettler Toledo公司)。

1.2 試劑

氫氧化鈉(NaOH,純度98%)、鹽酸(HCl,質(zhì)量分?jǐn)?shù)36.0%～38.0%)等試劑均購(gòu)自上海化學(xué)試劑公司;乳酸(Lac,純度≥80%)、DDBAB(純度98%)購(gòu)自上海泰坦科技股份有限公司;β-丙氨酸(β-Ala,純度98%)購(gòu)自中國(guó)醫(yī)藥集團(tuán)有限公司;DTAB (純度98%)購(gòu)自上海麥瑞爾化學(xué)技術(shù)有限公司;新潔爾滅消毒液購(gòu)自上海培婕醫(yī)療儀器專營(yíng)店。

1.3 背景液與樣品液的制備

分別取Lac 2.815 g、β-Ala 2.227 3 g,置于1 L容量瓶中,用去離子水定容,得到濃度為25 mmol/L的Lac-β-Ala緩沖液[21],用pH計(jì)測(cè)得緩沖液的pH為3.6,放入試劑瓶中備用。

分別稱取DDBAB 3.845 g、DTAB 3.083 g,置于1 L容量瓶中,用去離子水定容,放置在試劑瓶中備用。實(shí)驗(yàn)時(shí),用配制好的Lac-β-Ala背景緩沖液將樣品液分別稀釋至1 000、500、250、125、67.5、33.75、16.875 μmol/L,作為標(biāo)準(zhǔn)樣品液。

取購(gòu)買的新潔爾滅消毒液2.5 mL,現(xiàn)場(chǎng)噴灑到濾紙上并回收,回收的濾紙通過去離子水緩慢沖洗,將沖洗后的溶液用去離子水定容至25 mL,使用時(shí)再用背景緩沖液稀釋10倍作為實(shí)際樣品液。

1.4 毛細(xì)管的預(yù)處理及實(shí)驗(yàn)條件

在使用前先將毛細(xì)管依次用1.0 mol/L NaOH、去離子水和1.0 mol/L HCl分別沖洗20、10和20 min,最后用Lac-β-Ala背景緩沖液沖洗30 min,等待毛細(xì)管內(nèi)部環(huán)境穩(wěn)定后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)控制在25 ℃室溫下進(jìn)行,設(shè)置電泳分離電壓為-15 kV,在毛細(xì)管陽(yáng)極端采用高度差10 cm的靜水壓進(jìn)樣,進(jìn)樣時(shí)間為5 s。

1.5 基于智能手機(jī)的CE-C4D裝置

基于智能手機(jī)的便攜式CE-C4D裝置高壓電源與檢測(cè)模塊見圖1a,手機(jī)控制器見圖1b。其中,檢測(cè)模塊包括C4D傳感器和C4D檢測(cè)電路,而C4D檢測(cè)電路由信號(hào)處理模塊、微控制單元(MCU)和藍(lán)牙模塊組成。在圖1a中,CE信號(hào)經(jīng)C4D傳感器采集,之后由信號(hào)處理模塊對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行基線調(diào)節(jié)、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換并送入MCU, MCU處理后將數(shù)據(jù)信息輸出給藍(lán)牙模塊并由其傳遞給手機(jī)控制器。手機(jī)控制器接收到數(shù)據(jù)信息后,在屏幕上實(shí)時(shí)繪制出電泳圖譜。另外,用戶還可通過手機(jī)界面軟件發(fā)送控制信息,經(jīng)信號(hào)檢測(cè)模塊中的藍(lán)牙模塊接收后由集成在MCU內(nèi)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)以控制-15 kV高壓電源的輸出,從而控制電泳運(yùn)行。

圖 1 基于智能手機(jī)的便攜式CE-C4D裝置(a)高壓電源與檢測(cè)模塊和(b)手機(jī)控制器Fig. 1 Smartphone-based portable capillary electropho-resis with capacitively coupled contactless conductivity detection (CE-C4D) device with (a) high voltage supply and detection module and (b) smartphone controller MCU: microcontroller unit; DAC: digital to analog converter.

手機(jī)界面軟件是基于Kotlin語(yǔ)言開發(fā)的一款A(yù)ndroid應(yīng)用程序,其主要包括藍(lán)牙連接模塊、數(shù)據(jù)展示模塊以及結(jié)果分析模塊。藍(lán)牙連接模塊負(fù)責(zé)藍(lán)牙的連接管理,使用過程中,手機(jī)應(yīng)用程序端與檢測(cè)電路端通過各自的藍(lán)牙模塊建立連接進(jìn)行通信,相應(yīng)的通信函數(shù)會(huì)收發(fā)信息并根據(jù)信息種類進(jìn)行處理。信息分為控制信息與數(shù)據(jù)信息,這兩種信息在軟件編碼中采用不同的編碼字段來進(jìn)行識(shí)別。數(shù)據(jù)展示模塊主要實(shí)現(xiàn)了手機(jī)端的電泳圖譜可視化,利用開源圖表庫(kù)E-Chart在手機(jī)界面中內(nèi)嵌了繪圖控件,手機(jī)端接收到數(shù)據(jù)信息后,在繪圖控件上實(shí)時(shí)繪制出電泳圖譜。檢測(cè)結(jié)束后,采集的數(shù)據(jù)會(huì)保存在應(yīng)用程序緩存中并傳入結(jié)果分析模塊。結(jié)果分析模塊由數(shù)據(jù)優(yōu)化、數(shù)據(jù)計(jì)算以及數(shù)據(jù)保存3部分組成。其中數(shù)據(jù)優(yōu)化部分采用小波變換對(duì)接收到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行基線校準(zhǔn)和去噪。數(shù)據(jù)計(jì)算部分通過尋峰與積分函數(shù)計(jì)算出結(jié)果峰的遷移時(shí)間與面積并進(jìn)行定量分析。數(shù)據(jù)保存部分可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存,方便用戶共享與進(jìn)一步分析。

開發(fā)的便攜式CE-C4D裝置如圖2所示,裝置尺寸為20 cm×20 cm×15 cm,重量為2 kg,主要分為分離和檢測(cè)兩部分。分離部分為標(biāo)準(zhǔn)的CE結(jié)構(gòu),包括毛細(xì)管a、被放置在裝置中間并用金屬屏蔽的高壓電源模塊b、分別設(shè)置在高壓電源兩側(cè)的陽(yáng)極背景液池c與陰極背景液池d和一個(gè)樣品液池e。檢測(cè)部分包括放置在毛細(xì)管a進(jìn)樣端35 cm位置處的C4D傳感器f和自制的C4D檢測(cè)電路。其中C4D檢測(cè)電路內(nèi)置有藍(lán)牙模塊,可與智能手機(jī)進(jìn)行無線通信。

圖 2 便攜式CE-C4D裝置示意圖Fig. 2 Schematic diagram of CE-C4D device a. capillary; b. high voltage supply; c. anode background electrolytes (BGE) vial; d. cathode BGE vial; e. sample vial; f. C4D sensor.

1.6 電泳過程與定量計(jì)算方法

實(shí)驗(yàn)時(shí),將手機(jī)控制器與便攜式CE-C4D裝置通過藍(lán)牙連接。然后在上述實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)預(yù)處理后的毛細(xì)管進(jìn)行進(jìn)樣,待毛細(xì)管放回陽(yáng)極背景液池5 s后在手機(jī)控制器上啟動(dòng)電泳運(yùn)行。手機(jī)控制器隨后接收數(shù)據(jù)信息并在屏幕上實(shí)時(shí)繪制出電泳圖譜,10 min后電泳過程自動(dòng)停止。

定量計(jì)算方法:先使用便攜式CE-C4D裝置對(duì)5種已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行檢測(cè),手機(jī)控制器接收到數(shù)據(jù)信息后通過尋峰與積分函數(shù)計(jì)算出峰面積,利用最小二乘法擬合出峰面積與濃度的標(biāo)準(zhǔn)曲線并將曲線參數(shù)保存在手機(jī)中。在實(shí)際樣品檢測(cè)時(shí),同樣通過尋峰與積分函數(shù)自動(dòng)尋峰并計(jì)算出峰面積,峰面積將自動(dòng)代入建立好的標(biāo)準(zhǔn)曲線中計(jì)算出其對(duì)應(yīng)的濃度,從而實(shí)現(xiàn)定量計(jì)算。

2 結(jié)果與討論

2.1 裝置性能驗(yàn)證

取1.3節(jié)配制的8種標(biāo)準(zhǔn)樣品液,在1 d內(nèi)重復(fù)測(cè)量3次,計(jì)算后得到兩種QAs的線性方程、相關(guān)系數(shù)、線性范圍、檢出限及相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差,如表1所示。從表中可以看出,DDBAB與DTAB的線性范圍分別為20～1 000和30～1 000 μmol/L,相關(guān)系數(shù)(R2)分別為0.999 5和0.998 9,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別≤1.9%和≤2.7%,驗(yàn)證了裝置對(duì)于DDBAB與DTAB的檢測(cè)具有良好的線性和可重復(fù)性。最后逐步稀釋標(biāo)準(zhǔn)樣品液進(jìn)行測(cè)試,觀察電泳圖譜直到圖譜中目標(biāo)峰高與基線噪聲幅度比值為3倍(S/N=3)時(shí),記錄此時(shí)對(duì)應(yīng)的濃度,得到DDBAB與DTAB的LOD分別為10和13 μmol/L(見表1)。

表 1 兩種季銨鹽的線性方程、相關(guān)系數(shù)、線性范圍、檢出限及相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差

分別對(duì)25 mmol/LLac-β-Ala背景液(見圖3a)、1 mmol/LDDBAB單離子液(見圖3b)、1 mmol/LDTAB單離子液(見圖3c)以及1 mmol/LDDBAB和DTAB混合離子液(見圖3d)進(jìn)行測(cè)試。DDBAB和DTAB在8 min內(nèi)完全基線分離,保留時(shí)間分別為450 s和390 s,而且峰形良好,這也驗(yàn)證了裝置對(duì)于QAs消毒劑具有良好的選擇性。

圖 3 (a)背景液、(b)DDBAB、(c)DTAB及其(d)混合離子溶液的電泳圖譜Fig. 3 Electrophoretograms of (a) background electrolytes, (b) DDBAB, (c)DTAB and (d) their mixed ion solution a. 25 mmol/L Lac-β-Ala; b. 25 mmol/L Lac-β-Ala with 1 mmol/L DDBAB; c. Lac-β-Ala with 1 mmol/L DTAB; d. 25 Lac-β-Ala with 1 mmol/L DDBAB and 1 mmol/L DTAB. Peak identifications: * system peaks.

2.2 實(shí)際樣品分析

利用開發(fā)的裝置對(duì)1.3節(jié)制備的實(shí)際樣品液從上午9∶00開始至晚上9∶00結(jié)束，每隔4 h進(jìn)行一次測(cè),結(jié)果如圖4所示。圖中4條曲線基本保持一致,其中系統(tǒng)峰受到人為操作的影響,峰面積差異較大,但其出峰時(shí)間基本相同。此外,450 s時(shí),4個(gè)時(shí)間點(diǎn)DDBAB峰面積的RSD為2.3%,出峰時(shí)間的RSD為1.1%,結(jié)果表明方法有較好的可重復(fù)性。

圖 4 新潔爾滅消毒液中QAs的重復(fù)性測(cè)試Fig. 4 Repeatability test of QAs in bromo geramine disinfector

新潔爾滅消毒液實(shí)際樣品的主要有效成分為DDBAB,在現(xiàn)場(chǎng)回收的新潔爾滅消毒液中分別加入0.8、1.0和1.2 mg的DDBAB。同時(shí)為了考察不同QAs在實(shí)際樣品中的檢測(cè)效果,回收后的樣品液中還分別額外添加了0.8、1.0和1.2 mg的DTAB。隨后,分別取加標(biāo)后的樣品液用去離子水稀釋20倍再用背景液稀釋10倍后進(jìn)行實(shí)驗(yàn),結(jié)果如表2所示。DDBAB和DTAB的回收率分別為100.5%～101.5%和96.2%～99.3%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,樣品液的有效成分為DDBAB,且不同QAs能在樣品中有效基線分離,表明了開發(fā)的裝置能應(yīng)用于不同QAs的分離分析。

表 2 新潔爾滅消毒液中DDBAB與DTAB的加標(biāo)回收率(n=5)

2.3 與其他方法比較

將本文開發(fā)的CE-C4D裝置與現(xiàn)有便攜式CE-C4D裝置進(jìn)行比較,結(jié)果見表3。從表中可知,本文介紹的裝置由于采用了手機(jī)替代電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析,減小了裝置體積,在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)以及便攜性上有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。然而,裝置在LOD上還有進(jìn)一步的提升空間。

表 3 本文開發(fā)的CE-C4D裝置與現(xiàn)有裝置的比較

3 結(jié)論

本文發(fā)展了一種基于智能手機(jī)的便攜式CE-C4D裝置,開發(fā)了手機(jī)界面軟件,通過手機(jī)界面軟件,不僅可以控制CE裝置的電泳運(yùn)行,還可以實(shí)時(shí)接收C4D檢測(cè)器發(fā)出的數(shù)據(jù)信息，顯示電泳圖譜和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析,進(jìn)一步提高了檢測(cè)裝置的便攜性。為驗(yàn)證該裝置的性能,選擇兩種QAs作為分析物進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該裝置具有線性好、LOD低、重復(fù)好、準(zhǔn)確性高,尤其便攜好等優(yōu)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了對(duì)QAs消毒劑的定量檢測(cè)。表明開發(fā)的裝置可在QAs消毒劑的現(xiàn)場(chǎng)定量檢測(cè)中發(fā)揮重要作用。