Патент на изобретение №2300099

(54) СПОСОБ ЭЛЕКТРОФОРЕТИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВА МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ РАСТВОРОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

(57) Реферат:

Группа изобретений относится к аналитической химии, в частности к методу капиллярного электрофореза, и может быть использована при электрофоретическом определении состава многокомпонентных растворов. Способ электрофоретического разделения многокомпонентных растворов включает промывку капилляра раствором электролита, введение пробы в капилляр, электрофоретическое разделение компонентов пробы в капилляре под воздействием напряжения, приложенного между концами капилляра, детектирование и измерение времен выхода разделенных компонентов пробы, причем в процессе промывки капилляра раствором электролита определяют величину потенциала течения путем измерения разности потенциалов между концами капилляра при определенной разности давлений между указанными концами капилляра, а идентификацию компонентов пробы производят в соответствии с измеренной величиной потенциала течения и величинами измеренных времен выхода компонентов пробы. Устройство включает емкости для электролита и проб, капилляр, средства установки капилляра, выполненные с возможностью помещения концов капилляра в указанные емкости для электролита и пробы, средства создания потока электролита через капилляр, пневматически связанные со средствами установки капилляра, средства создания напряжения между концами капилляра, детектор, связанный с капилляром, систему управления и обработки сигналов, а также средства измерения потенциала течения, которые выполнены таким образом, что имеют возможность при промывке капилляра электролитом замыкать измерительную электрическую цепь, включающую электролит в емкостях и в капилляре, а также размыкать ее при электрофоретическом разделении. Существенно увеличивается воспроизводимость и повышается производительность при электрофоретическом определении состава многокомпонентных растворов. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к аналитической химии, в частности к методу капиллярного электрофореза, и может быть использовано для выполнения анализов многокомпонентных растворов.

Известны варианты реализации способа электрофоретического определения состава многокомпонентных растворов (1, 2, 3), которые основаны на разделении компонентов сложных смесей в кварцевом капилляре под действием приложенного электрического поля высокого напряжения. В упомянутых вариантах способа пробу анализируемого раствора вводят в капилляр, предварительно промытый и заполненный раствором электролита, называемым также буферным раствором или буфером. После подачи к концам капилляра высокого напряжения компоненты смеси начинают двигаться в капилляре с разной скоростью. При достижении движущимся компонентом пробы зоны детектирования, отстоящей от входного отверстия капилляра на заданное расстояние, производят детектирование этого компонента, то есть измеряют амплитуду сигнала детектора, зависящую от количества компонента в пробе, а также измеряют время выхода этого компонента пробы, равное интервалу времени между началом электрофоретического разделения и моментом детектирования этого компонента. При использовании фотометрического, флуориметрического или иного оптического детектора зона детектирования, как правило, находится в капилляре. При использовании масс-спектрофотометрического детектора зона детектирования находится на выходе из капилляра. Временную развертку сигнала детектора при прохождении одиночного компонента называют электрофоретическим пиком. Зарегистрированная временная развертка сигнала детектора называется электрофореграммой и служит для качественной идентификации пиков и количественного определения веществ, соответствующих разным пикам. Для идентификации разных компонентов пробы используют сопоставление их времен выхода со временем выхода компонентов калибровочного (градуировочного) раствора, а сравнение амплитуд сигналов детектора, полученных при электрофоретических разделениях калибровочных (градуировочных) растворов и проб, используют для определения количества идентифицированных компонентов в пробе.

Известен патент US (5), в котором описаны способ и устройство для измерения и контроля электроосмотического потока в реальном времени.

При электрофоретическом разделении растворов скорость перемещения заряженной частицы в капилляре складывается алгебраически из скорости электромиграции частицы, которая зависит только от свойств самой частицы (ее заряда, массы и конформации), и скорости перемещения электроосмотического потока (ЭОП), которая зависит от свойств капилляра. Скорость ЭОП при заданном составе и концентрации буферного электролита определяется уравнением

где А_eof – скорость ЭОП, – электрокинетический потенциал поверхности, – диэлектрическая постоянная раствора, Е – напряженность электрического поля, – вязкость раствора буферного электролита. Уравнение показывает, что скорость ЭОП, при прочих равных условиях, пропорциональна величине электрокинетического потенциала (-потенциала) поверхности, определяемого составом и структурой двойного электрического слоя, образующегося между внутренней поверхностью капилляра и электролитом. Равновесное значение -потенциала для чистой поверхности капилляра при данных условиях является величиной максимальной, при этом скорость ЭОП наибольшая, а время выхода компонента наименьшее. Если не применять процедуру отмывки капилляра после анализа, то при последовательных вводах пробы время выхода компонента увеличивается. Это свидетельствует об уменьшении величины -потенциала вследствие загрязнения внутренней поверхности капилляра адсорбировавшимися примесями, изменившими состав двойного электрического слоя. При значительном изменении времен выхода компонентов вследствие загрязнения капилляра возникают ошибки идентификации компонентов многокомпонентной смеси.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ (4), который включает в себя выполнение калибровочных и аналитических измерений, состоящих из промывки капилляра раствором электролита, введения в заполненный электролитом капилляр раствора калибровочной смеси при калибровочных измерениях и введения раствора пробы при аналитических измерениях, электрофоретического разделения компонентов введенных растворов в капилляре под воздействием приложенного между концами капилляра напряжения, детектирования и измерения времен выхода компонентов введенных растворов, а также идентификацию компонентов пробы по временам выхода.

Промывка капилляра после выполнения анализа обеспечивает удаление из капилляра компонентов пробы, которые мигрировали навстречу электроосмотическому потоку, а также обеспечивает очистку стенки капилляра от адсорбировавшихся примесей. Для наиболее эффективной очистки капилляра, в зависимости от особенностей его эксплуатации, подбирают различные промывные составы. В частности, новый или длительное время неиспользуемый капилляр промывают последовательно раствором кислоты, водой, раствором щелочи, снова водой и кондиционируют промыванием раствором электролита. Необходимая степень очистки стенки капилляра от адсорбировавшихся примесей достигается эмпирическим подбором состава промывных растворов и времени промывки каждым из них. Эффективность промывки выясняется после проведения очередного анализа по воспроизводимости времен выхода определяемых компонентов.

Для реализации вышеуказанного способа описано устройство (4), включающее капилляр, емкости для электролита и проб, средства установки капилляра и емкостей, выполненные с возможностью помещения концов капилляра в указанные емкости, средства создания потока электролита через капилляр, средства создания напряжения между концами капилляра, связанный с капилляром детектор, а также систему управления и обработки сигналов.

Существенными недостатками упомянутого способа и устройств на его основе является то, что эффективность промывки выясняется только после проведения очередного анализа, а также тот факт, что правильность эмпирического подбора условий промывки капилляра зависит от квалификации оператора, то есть не объективизирована. Результатом при недостаточной или неопределенной степени очистки стенок капилляра является недостаточная воспроизводимость времен выхода определяемых компонентов, которая выясняется лишь после выполнения анализа. Причиной невоспроизводимости является неконтролируемый разброс от одного анализа к другому скорости электроосмотического потока (ЭОП) А_eof, которая может изменяться вследствие сорбции из раствора пробы на поверхность капилляра примесей, нарушающих строение двойного электрического слоя. Это затрудняет идентификацию компонентов пробы и увеличивает ошибку при количественной оценке концентраций компонентов, а в некоторых случаях требует повторного анализа пробы.

Для компенсации неконтролируемых изменений скорости электроосмотического потока в прототипе (4) используют метки электроосмотического потока (далее – метки ЭОП), т.е. специально вводимые в пробу компоненты с нулевой или низкой электроподвижностью (скоростью электромиграции) в данном буфере, по времени выхода которых можно оценить скорость электроосмотического потока и скорректировать времена выхода анализируемых компонентов, то есть ввести расчетные поправки. Применение указанных меток ЭОП значительно увеличивает затраты на проведение анализов. Кроме того, такой метод не универсален, т.к. для разных типов буферного раствора требуется выбирать разные метки ЭОП. Недостатком способа с использованием меток ЭОП является также то, что он не применим при отрицательных скоростях электроосмотического потока, т.к. метки ЭОП в этом случае вообще не достигают зоны детектирования.

Задачей данного изобретения является повышение воспроизводимости электрофоретического определения состава многокомпонентных растворов, а также повышение производительности анализов при электрофоретическом разделении большого количества проб.

Для решения поставленной задачи предлагается способ электрофоретического определения состава многокомпонентных растворов, включающий выполнение калибровочных и аналитических измерений, состоящих из промывки капилляра раствором электролита, введения в заполненный электролитом капилляр раствора калибровочной смеси при калибровочных измерениях и введения раствора пробы при аналитических измерениях, электрофоретического разделения компонентов введенных растворов в капилляре под воздействием приложенного между концами капилляра напряжения детектирования и измерения времен выхода компонентов введенных растворов, идентификацию компонентов пробы по временам выхода, причем при промывке капилляра раствором электролита определяют величину потенциала течения путем измерения разности потенциалов между концами капилляра при определенной разности давлений между указанными концами капилляра.

Для реализации указанного способа электрофоретического определения состава многокомпонентных растворов предлагается устройство, включающее капилляр, емкости для электролита и проб, средства установки капилляра и емкостей выполненные с возможностью помещения концов капилляра в указанные емкости, средства создания потока электролита через капилляр, средства создания напряжения между концами капилляра, связанный с капилляром детектор, а также систему управления и обработки сигналов, причем в устройство введены средства измерения потенциала течения, выполненные с возможностью измерения разности потенциалов между концами капилляра при определенной разности давлений между указанными концами капилляра, и с возможностью обеспечения электрической связи с концами капилляра при промывке таким образом, что указанные средства измерения потенциала течения и электролит, находящийся в емкостях и в капилляре, образуют замкнутую измерительную электрическую цепь.

Сущность заявленного изобретения заключается в измерении потенциала течения при промывке капилляра раствором электролита во время подготовки капилляра к анализу.

Предлагаемое решение базируется на существовании однозначного соответствия между величиной потенциала течения и величиной скорости электроосмотического потока А_eof.

Действительно, потенциал течения U_s, измеряемый при промывке капилляра раствором электролита путем измерения разности потенциалов между концами капилляра при определенной разности давлений Р между указанными концами капилляра, так же, как и скорость электроосмотического потока А_eof, пропорционален электрокинетическому потенциалу (-потенциалу) поверхности

Сущность заявленного изобретения поясняется чертежами, где

на фиг.1 приведен график изменения во времени разности потенциалов между концами капилляра при серии последовательных промывок сильно загрязненного капилляра;

на фиг.2 приведен график зависимости времени выхода метки ЭОП от величины потенциала течения U_s;

на фиг.3 приведена блок-схема заявляемого устройства с использованием высоковольтного реле для размыкания измерительной цепи;

на фиг.4 приведена блок-схема устройства с использованием измерительных электродов и средства перемещения емкостей для размыкания измерительной цепи;

на фиг.5 приведен график изменения во времени разности потенциалов между концами капилляра в начальный период режима промывки при отсутствующем, нарастающем и стабилизированном давлении между концами капилляра;

на фиг.6 приведен график изменения во времени разности потенциалов между концами капилляра при серии последовательных промывок чистого капилляра.

Для подготовки к электрофоретическому разделению капилляр промывают промывочными растворами, выбранными в соответствии с типом адсорбировавшихся ранее веществ, а также с типом использовавшегося при предшествующих анализах буферного электролита. Последней обязательной стадией промывки является кондиционирование капилляра, то есть промывание его раствором того же буферного электролита, который будет использован при последующем анализе. На завершающей стадии промывки при кондиционировании капилляра производят определение величины потенциала течения U_s.

Для чистого капилляра значение U_s, полученного перед проведением измерения калибровочного раствора обозначим U_eq.

Промывку капилляра перед аналитическими измерениями производят до тех пор, пока U_s не достигнет заданного порогового значения U_s0.

В процессе промывки величина потенциала течения стремится к предельному значению, отвечающему равновесному значению -потенциала. На фиг.1 изображено типичное изменение потенциала течения при последовательных промывках сильно загрязненного капилляра. Видно, что при последовательных промывках потенциал течения последовательно нарастает, стремясь к равновесному значению.

Изобретение предусматривает, по меньшей мере, две возможности реализации задачи повышения воспроизводимости электрофоретического определения состава многокомпонентных растворов путем определения потенциала течения.

В первом случае за счет выполнения промывки капилляра раствором электролита до достижения предельного значения потенциала течения, равного величине, полученной перед выполнением электрофоретического разделения калибровочного (градуировочного) раствора, снижают разброс скоростей электроосмотического потока и, следовательно, времен выхода компонентов пробы до пренебрежимо малого уровня.

Во втором случае промывку проводят до достижения значения потенциала течения несколько меньшего предельного, а для идентификации компонентов используют поправки, определяемые из соотношения предельной величины потенциала течения и реально достигнутой при промывке.

В обоих случаях используют вышеописанную однозначную связь между скоростью электроосмотического потока и величиной потенциала течения. На фиг.2 показано изменение скорости электроосмотического потока, характеризуемой временем выхода метки ЭОП при различных значениях потенциала течения U_s. Данные получены в эксперименте, в котором загрязнение капилляра моделировали путем введения в капилляр небольших количеств катионов цетилтриметиламмония, которые, сорбируясь на поверхности капилляра, частично нарушали строение двойного электрического слоя, и уменьшали величину потенциала течения. Видно, что эксперимент подтверждает наличие однозначного соответствия между величиной потенциала течения и величиной скорости электроосмотического потока. Таким образом, предлагаемое в настоящем изобретении определение величины потенциала течения при промывке капилляра позволяет определить, какова будет скорость электроосмотического потока при последующем электрофоретическом разделении компонентов пробы, и повысить тем самым воспроизводимость электрофоретического определения состава многокомпонентных растворов.

Предложенный способ в обоих случаях применим для любого типа буферного электролита. Ниже оба варианта рассмотрены подробнее.

В первом случае, предпочтительном для обеспечения максимальной воспроизводимости определения состава многокомпонентных растворов, для идентификации компонентов пробы используют заданные значения времен выхода известных компонентов, а при промывках добиваются одинаковой чистоты капилляра как перед разделением растворов калибровочных смесей, так и перед разделением проб, компоненты которых подлежат идентификации и количественному определению. В качестве критерия достижения одинаковой чистоты капилляра используют величину допустимого отклонения потенциала течения dU_s от равновесного значения U_eq, характеризующего чистый капилляр. В этом случае выбирают такое пороговое значение U_s0, которое меньше равновесного значения потенциала течения U_eq на указанную величину допустимого отклонения dU_s, т.е. U_s0=U_eq-dU_s.

В качестве заданных времен выхода известных компонентов могут использоваться литературные или иные априорные данные. В предпочтительном варианте изобретения указанные заданные значения времен выхода известных компонентов определяют экспериментально при электрофоретическом разделении калибровочной смеси этих известных компонентов, причем перед указанным разделением калибровочной смеси проводят промывку с измерением потенциала течения до достижения пороговой величины потенциала течения U_s0.

В первом случае реализации изобретения для обеспечения высокой чистоты капилляра и повышения воспроизводимости в качестве допустимого отклонения потенциала течения dU_s от равновесного значения U_eq выбирают величину порядка величины погрешности измерения потенциала течения.

Однако при выполнении электрофоретического разделения растворов с небольшим количеством компонентов, времена выхода которых значительно различаются, в первом случае реализации изобретения, как правило, увеличивают величину допустимого отклонения dU_s с целью сокращения затрат времени на промывку. Для этого определяют допустимый разброс времен выхода компонентов пробы, в пределах которого не возникает ошибок идентификации компонентов при использовании заданных значений времен выхода известных компонентов, например, измеренных при разделении раствора калибровочной смеси известных компонентов. Исходя из допустимого разброса времен выхода определяют допустимый разброс скоростей электроосмотического потока. Используя зависимость времени выхода метки электроосмотического потока от потенциала течения (фиг.2), определяют допустимое отклонение потенциала течения dU_s от равновесного значения, характеризующего чистый капилляр.

На фиг.1 пороговая величина потенциала течения, выбранная в соответствии с первым случаем, соответствует первой пороговой величине U_s0-1, которая достигается только при пятой промывке. При последующих промывках изменение потенциала течения несущественно, поэтому последующие промывки исключают. Таким образом, первый случай реализации изобретения обеспечивает существенное повышение воспроизводимости электрофоретического разделения за счет того, что разброс скоростей электроосмотического потока не превышает допустимой величины.

Во втором случае реализации изобретения, предпочтительном по производительности при выполнении большого числа анализов однотипных проб, при идентификации компонентов пробы производят сопоставление измеренных времен выхода компонентов и заданных времен выхода известных компонентов с использованием поправок, определяемых из соотношения измеренной предельной величины потенциала течения U_s с заданной величиной потенциала течения U_s-set.

Указанные поправки определяют, используя зависимость скорости электроосмотического потока от потенциала течения. Указанную зависимость определяют либо расчетным методом, например, с использованием формул (1) и (2), либо определяют экспериментально, например, с использованием меток ЭОП при разных значениях потенциала течения (фиг.2), либо путем разделения контрольных растворов с известными компонентами при разных значениях потенциала течения.

Использование указанных поправок компенсирует влияние разброса скоростей электроосмотического потока на времена выхода компонентов. Поэтому во втором случае при промывках добиваются, чтобы скорость электроосмотического потока достигла или превысила минимально допустимое значение, при котором общее время разделения пробы не превышает заданное.

Используя зависимость времени выхода метки электроосмотического потока от потенциала течения (фиг.2), по минимально допустимой скорости электроосмотического потока определяют пороговое значение U_s0.

Так же, как и в первом случае, предпочтительно определять указанные заданные значения времен выхода известных компонентов экспериментально при электрофоретическом разделении калибровочной смеси этих известных компонентов, причем перед указанным разделением калибровочной смеси производится промывка с измерением потенциала течения до достижения пороговой величины потенциала течения U_s0, a измеренная перед завершением промывки величина потенциала течения U_s-cal фиксируется и используется при идентификации компонентов разделяемой пробы неизвестного состава, причем изобретение предусматривает два способа использования этой величины при калибровке. В первом вышеупомянутую заданную величину потенциала течения U_s-set, используемую для определения поправок при идентификации, принимают равной измеренной перед разделением калибровочной смеси величине U_s-cal, а указанные заданные значения времен выхода выбирают равными значениям времен выхода известных компонентов, измеренным при указанном разделении калибровочной смеси. Во втором в качестве указанных заданных значений времен выхода известных компонентов выбирают значения времен выхода известных компонентов, измеренные при электрофоретическом разделении калибровочной смеси известных компонентов, с поправками, определяемыми из соотношения величины потенциала течения U_s-cal, определенной перед электрофоретическим разделением калибровочной смеси известных компонентов, с заданной величиной потенциала течения U_s-set. Второй способ калибровки предпочтителен в том случае, когда для калибровки требуется произвести разделение нескольких калибровочных растворов известных компонентов, а величины потенциала течения U_s-cal, измеренные перед разделением разных калибровочных смесей, различаются.

Как правило, во втором случае реализации изобретения пороговое значение потенциала течения существенно ниже, чем в первом, и, следовательно, достигается значительно раньше. На фиг.1 пороговая величина потенциала течения, выбранная в соответствии со вторым вариантом, соответствует второй пороговой величине U_s0-2, которая достигается уже при второй промывке. Таким образом, второй случай реализации изобретения позволяет существенно повысить производительность выполнения большого количества анализов однотипных проб и существенно повышает воспроизводимость электрофоретического разделения за счет использования поправок, компенсирующих влияние разброса скоростей электроосмотического потока на времена выхода компонентов.

На фиг.3 показана блок-схема устройства для электрофоретического определения состава многокомпонентных растворов, реализующего заявленный способ.

Устройство содержит капилляр 1, помещенный в средства установки капилляра 2, емкость для электролита 3,3′ и емкость для пробы 4, средства перемещения указанных емкостей 5, выполненные с возможностью помещения концов капилляра в указанные емкости.

Средства создания потока электролита через капилляр 6 связаны с той емкостью, в которую помещен входной конец капилляра 1 (на фиг.3 и 4 левый). С теми емкостями, в которые помещены концы капилляра 1, электрически связаны средства создания напряжения между концами капилляра 7.

Средства измерения потенциала течения 9 выполнены с возможностью электрической связи с концами капилляра 1 при промывке. Устройство содержит детектор 8, выполненный с возможностью связи с капилляром 1. Система управления и обработки сигналов 10 связана с детектором 8, со средствами создания напряжения 7, а также со средствами создания потока электролита через капилляр 6 и со средствами измерения потенциала течения 9.

Средство перемещения емкостей 5 представляет собой устройство для перемещения емкостей с растворами и выполняется известным из уровня техники образом, например, с применением электромеханического привода или пневмопривода. Положение выбранной емкости, при которой она подведена к выбранному концу капилляра, будем далее называть рабочим положением емкости.

Капилляр 1, как правило, выполняется в виде кварцевого капилляра с защитной полимерной оболочкой, удаленной на погружаемых торцах капилляра и на участке капилляра, связанном с детектором 8 при использовании оптического детектора.

Средства установки капилляра 2 выполнены с возможностью погружения концов капилляра 1 в емкости 3 и 3′, находящиеся в рабочем положении, отделения внутренней полости по меньшей мере одной из находящихся в рабочем положении емкостей от окружающей атмосферы и связи указанной внутренней полости со средствами создания потока электролита через капилляр 6. В предпочтительном варианте конструкция средств установки капилляра 2 предусматривает размещение капилляра 1 внутри канала прокачки жидкого теплоносителя с заданной температурой, что обеспечивает лучшую стабилизацию температуры капилляра при электрофоретическом разделении и уменьшение разброса времен выхода компонентов вследствие неконтролируемого изменения температуры.

Средства создания потока электролита через капилляр 6 представляют собой устройство для создания и поддержания заданного перепада давлений между концами капилляра, погруженными в емкости с растворами и выполняются известным из уровня техники образом, например с применением компрессора и датчика перепада давления с возможностью поддержания заданного давления в упомянутой внутренней полости.

Средства создания напряжения 7 представляют собой стабилизированный источник высокого напряжения, выполненный любым известным образом с возможностью установки выбранной амплитуды высокого напряжения в диапазоне от нулевой до максимальной. Как правило, максимальная амплитуда лежит в диапазоне 20-40 киловольт. В предпочтительном варианте средства создания напряжения 7 выполнены с возможностью переключения полярности высокого напряжения, приложенного между концами капилляра 1. Средства создания напряжения 7 снабжены электродами 11, установленными с возможностью погружения их концов в емкости 3 и 3′, находящиеся в рабочем положении. В качестве электродов 11, как правило, используют платиновые электроды.

Средства измерения потенциала течения 9 включают устройство измерения разности потенциалов 12 между концами капилляра, выполняющиеся известным из уровня техники образом, например в виде дифференциального усилителя с большим входным сопротивлением, значительно превосходящим электрическое сопротивление заполненного электролитом капилляра. Поскольку электрическое сопротивление капилляра, заполненного электролитом, может достигать нескольких сотен МОм, в предпочтительном варианте входное сопротивление усилителя выбирают в диапазоне десятков ГОм. Средства измерения потенциала течения 9, электролит в емкостях 3, установленных в рабочее положение, и заполненный электролитом капилляр 1 образуют измерительную электрическую цепь.

Средства измерения потенциала течения 9, включают также средства размыкания измерительной электрической цепи 13, выполненные с возможностью предотвращать воздействие высокого напряжения на указанное устройство измерения разности потенциалов 12.

Средства размыкания измерительной электрической цепи 13 могут выполняться любым известным образом, например, с использованием высоковольтного реле, электрически связанного, по меньшей мере, с одним из электродов 11.

В варианте изобретения, предпочтительном по точности измерения потенциала течения, представлен альтернативный способ коммутации электрических цепей: высоковольтной при электрофоретическом разделении и низковольтной, измерительной при промывке. Средства размыкания измерительной электрической цепи включают измерительные электроды 14 (Фиг.4), электрически связанные с устройством измерения разности потенциалов 12 средств измерения потенциала течения 9 и установленные в заполненных буферным электролитом емкостях 3 и 3′, которые посредством средств перемещения емкостей 5 устанавливаются в рабочее положение при кондиционировании капилляра 1 и измерении в нем потенциала течения. Перед подачей на электроды 11 высокого напряжения в рабочее положение устанавливаются емкости 4 и 4′ с буферным электролитом, а емкости 3 и 3′ с измерительными электродами 14 выводятся из рабочего положения, в результате чего измерительная электрическая цепь оказывается разомкнутой. В качестве измерительных электродов 14 используют электроды с малой остаточной поляризацией, например, хлор-серебряные, что уменьшает погрешность измерения потенциала течения.

В качестве детектора 8 используют любой известный тип детектора для капиллярного электрофореза, например, оптический, электрохимический или масс-спектрометрический. Специалистам понятно, что в случае использования масс-спектрометрического детектора при разделении только входной конец капилляра помещен в емкость с буферным электролитом, а средства измерения потенциала течения выполняются с учетом совместимости с входным интерфейсом масс-спектрометрического детектора.

Система управления и обработки сигналов 10 выполняется известным из уровня техники образом, например, с использованием микропроцессорного контроллера и персонального компьютера.

Рассмотрим подробнее пример реализации заявленного способа с использованием заявленного устройства по фиг.3.

Для подготовки к электрофоретическому разделению капилляр 1 промывают растворами предварительной промывки, выбранными в соответствии с типом адсорбировавшихся ранее веществ, а также с типом использовавшегося при предшествующих анализах буферного электролита. Новый или длительное время не бывший в работе капилляр предварительно промывают раствором кислоты, водой, раствором щелочи, снова водой. Затем производят кондиционирование капилляра, то есть промывку раствором того же буферного электролита, который будет использован при последующем анализе.

Промывки осуществляются следующим образом: выбранную промывочную емкость с раствором очередной предварительной промывки или с буферным электролитом устанавливают в рабочее положение, в котором конец капилляра 1 оказывается погруженным в промывочный раствор выбранной емкости, а внутренняя полость выбранной емкости отделена от окружающей среды и пневматически связана со средствами создания потока электролита через капилляр 6, которые создают избыточное давление, вытесняющее указанный промывочный раствор через капилляр 1 в сливную емкость (не показано).

На завершающей стадии промывки при кондиционировании капилляра производят определение величины потенциала течения. Для этого в рабочее положение напротив входного и выходного концов капилляра 1 устанавливают емкости 3 и 3′ с буферным электролитом, в который погружают концы капилляра. Синхронно с концами капилляра в емкость с раствором буферного электролита попадают и концы электродов 11, Средства создания напряжения 7 отключают от электродов с помощью высоковольтного реле 13, входящего в средства измерения потенциала течения, причем средства измерения потенциала течения 9 замыкают измерительную электрическую цепь, включающую электроды 11 и буферный электролит в обеих указанных емкостях и в капилляре. Средства создания потока 6 посредством создания нулевого перепада давления между концами капилляра обеспечивают нулевой поток через капилляр. При этом средства измерения потенциала течения измеряют величину фоновой разности потенциалов между концами капилляра, соответствующую на фиг.5 участку 0-10 сек. Затем средства создания потока 6 увеличивают разницу давлений между концами капилляра от нулевой до выбранной величины, обеспечивая нарастание скорости потока буферного электролита через капилляр. На фиг.5 видно, что рост разницы давлений между концами капилляра на участке 10-13.5 сек сопровождается пропорциональным приростом разницы потенциалов между концами капилляра. После достижения выбранной величины разницы давлений средства создания потока 6 поддерживают указанную выбранную разницу давлений между концами капилляра и обеспечивают выбранную скорость потока буферного электролита через капилляр. Поддержание постоянной скорости потока на фиг.5 соответствует участку 13.5-30 сек. Видно, что установившейся скорости потока соответствует установившаяся (рабочая) разность потенциалов между концами капилляра. При этом устройство измерения разности потенциалов измеряет величину рабочей разности потенциалов между концами капилляра при поддержании выбранной разности давлений между ними. Система управления и обработки сигналов 10 получает измеренные данные и вычисляет потенциал течения, вычитая из величины рабочей разности потенциалов величину фоновой разности потенциалов.

На фиг.6 показано изменение во времени величин разности потенциалов между концами чистого капилляра при попеременном наличии и отсутствии перепада давления между его концами. Фоновой разности потенциалов соответствуют участки меандров с низкими значениями, а рабочей – с более высокими значениями разности потенциалов. Видно, что как фоновая, так и рабочая разности потенциалов со временем изменяются вследствие дрейфа измерительной системы, при этом значение потенциала течения остается постоянным. Поэтому в предпочтительном варианте для повышения точности измерения потенциала течения производят серию последовательных промывок, причем при очередной промывке через заданный промежуток времени после ее начала разницу давлений между концами капилляра сбрасывают до нуля и снова измеряют фоновую разность потенциалов. Измеренное таким образом изменение фоновой разности потенциалов используется для коррекции вычисляемой величины потенциала течения, что значительно уменьшает ошибки, связанные с упомянутым дрейфом.

Если измеренный и скорректированный таким образом потенциал течения U_s окажется равным или превысит заранее заданное пороговое значение U_s0, процедуру промывки завершают. Если же U_s окажется меньше заданного порогового значения U_s0, начинают новую промывку, в результате которой будут измерены новые значения фоновых и рабочих разностей потенциалов, а также определено новое достигнутое значение U_s. Вся процедура повторяется до тех пор пока U_s не достигнет или не превысит заданного порогового значения U_s0.

После завершения промывки капилляра производят дозированный ввод выбранной пробы в капилляр. Для этого посредством средства перемещения емкостей 5 устанавливают емкость 4 с выбранной пробой в рабочее положение, соответствующее входному концу капилляра 1. В качестве пробы может быть выбран либо раствор калибровочной смеси известных компонентов, либо раствор неизвестного состава, компоненты которого подлежат идентификации и количественному определению. Ввод пробы осуществляют любым известным образом, например электрокинетическим. В предпочтительном варианте изобретения пробу вводят с помощью средств создания потока через капилляр 6, создавая в течение выбранного интервала времени выбранный перепад давления между концами капилляра 1. После ввода пробы в рабочее положение вместо емкости с пробой 4 устанавливают емкость с буферным электролитом 3, размыкают электроды 11 от измерительной цепи и замыкают их на высоковольтную цепь. После чего проводят процедуру электрофоретического разделения, подавая на электроды 11 выбранное высокое напряжение от средств создания напряжения 7 и передавая сигналы с детектора 8 в систему управления и обработки сигналов 10.

Вследствие подачи к концам капилляра высокого напряжения компоненты введенной пробы начинают двигаться в капилляре 1 с разной скоростью. В силу того, что величина сигнала детектора 8 зависит от количества компонента в пробе, при прохождении очередным движущимся компонентом пробы связанной с детектором 8 зоны детектирования капилляра 1, величина сигнала детектора 8 изменяется. Система управления и обработки сигналов 10 регистрирует изменение сигнала детектора 8 во времени и вычисляет время выхода каждого детектируемого компонента пробы, равное интервалу времени между началом электрофоретического разделения и моментом детектирования этого компонента.

Измеренные для разных компонентов пробы времена выхода используют для их идентификации, сопоставляя с заданными временами выхода известных компонентов, а измеренные амплитуды сигналов детектора используют для расчета концентраций идентифицированных компонентов в пробе.

В качестве заданных времен выхода известных компонентов могут использоваться литературные или иные данные, полученные на другом устройстве. В предпочтительном варианте изобретения указанные заданные значения времен выхода известных компонентов определяют при электрофоретическом разделении калибровочной смеси этих известных компонентов, производимом вышеописанным образом с использованием того же устройства, которое используется для электрофоретического разделения проб.

В первом вышеописанном случае реализации изобретения для идентификации компонентов пробы производят сопоставление измеренных времен выхода компонентов и заданных времен выхода известных компонентов. При этом существенное повышение воспроизводимости электрофоретического разделения достигается за счет того, что разброс скоростей электроосмотического потока от одного анализа к другому не превышает допустимой величины.

Во втором вышеописанном случае реализации изобретения для идентификации компонентов пробы производят сопоставление измеренных времен выхода компонентов и заданных времен выхода известных компонентов с использованием поправок, определяемых вышеописанным образом из соотношения измеренной величины потенциала течения с заданной величиной потенциала течения. При этом существенно повышается производительность выполнения большого количества анализов однотипных проб и существенно повышается воспроизводимость электрофоретического определения состава проб за счет использования поправок, компенсирующих влияние разброса скоростей электроосмотического потока на времена выхода компонентов.

В приборах различных систем капиллярного электрофореза, в которых промывку капилляра осуществляют с помощью пневматических устройств, используют давления от неконтролируемо низкого (ориентировочно от 500 мбар при ручном нагнетании воздуха) до 5-10 бар. Чем выше разность давлений между концами капилляра при промывке, тем больше абсолютная величина потенциала течения, и оператор может выбрать такую разность давлений, при которой измеряемые значения потенциала течения будут доступны измерительной аппаратуре, имеющейся в его распоряжении. В модельных экспериментах использовали разность давлений 1000±1 мбар.

Величина высокого напряжения, применяемая при разделении компонентов, не оказывает никакого влияния на величину потенциала течения и условия его измерения. Она выбирается как компромисс между продолжительностью анализа и разрешающей способностью системы записи сигнала детектора. Чем выше напряжение при разделении, тем быстрее мигрируют компоненты в капилляре, короче интервал времен между соседними пиками и, вместе с тем (!), труднее идентификация пиков на электрофореграмме. В общем случае рекомендуемое напряжение определяется методикой выполнения измерений.

В качестве примера разделения и анализа многокомпонентной смеси приводим анализ модельной смеси, состоящей из бензилового спирта, N-фенилантранилата лития и бензоата лития в 0,001 М растворе тетрабората натрия. Приготовленный раствор был использован для градуировки экспериментального макета системы КЭ с блоком измерения потенциала течения. Градуировка была выполнена с помощью программы сбора и обработки данных и записана в метод. Все дальнейшие определения выполняли по этому же методу с использованием записанной градуировки. Времена выхода компонентов, усредненные по трем измерениям, и их концентрации (по процедуре приготовления) приведены в таблице 1.

Измеренная величина потенциала течения перед проведением градуировочных измерений составила в среднем 82,0±0,2 мВ.

Чтобы смоделировать неподконтрольное оператору загрязнение капилляра, аналогичное тому, что бывает после выполнения анализов проб с разным содержанием примесей, перед промывкой капилляра в него вводился бромид цетилтриметиламмония так, чтобы его концентрация составила 0,001 моль/дм³, и после этого капилляр промывался в течение разного времени, заведомо недостаточного для полной отмывки внутренней поверхности капилляра. То есть введенная после промывки проба анализировалась в условиях различной степени очистки капилляра. При этом в нескольких последовательных анализах были найдены следующие времена выхода и концентрации определяемых компонентов:

Типичные значения потенциала течения перед аналитическими измерениями составляли от 63 до 78 мВ.

Последние две строчки таблицы показывают насколько отклонились результаты измерений табл.2 от значений для градуировочных измерений табл.1 (откл. от градуир.), а также каков разброс результатов измерений в этой серии из семи последовательных анализов (Отн. СКО=относительное среднеквадратичное отклонение результатов от среднего).

Видно, что отклонение от градуировочных значений по времени выхода пика для всех трех анализировавшихся веществ отклонение составляет от 10 до 19 процентов, а по вычисленной концентрации от 5,5 до 20 процентов. При этом и воспроизводимость результатов измерения (Отн. СКО) также имеет достаточно плохие показатели: по времени выхода от 5 до 9 процентов, а по вычисленной концентрации от 8 до 24 процентов.

Для демонстрации эффекта увеличения воспроизводимости времен выхода пиков и повышения точности определения концентраций от использования знания величины потенциала течения при промывке был проведен следующий эксперимент. После каждого ввода загрязняющего раствора бромид цетилтриметиламмония капилляр промывали раствором ведущего электролита (0,01 М раствор буры): сначала основная промывка в течение трех минут без измерения потенциала течения, а затем дополнительная промывка, чередующаяся с этапами измерения потенциала течения. Периодичность дополнительной промывки была выбрана равной 1 минуте: 30 секунд промывка и 30 секунд измерение потенциала течения. В качестве предельного значения потенциала течения, при котором капилляр считался подготовленным к дальнейшему вводу пробы, было выбрано значение 81 мВ. Промывка капилляра автоматически заканчивалась при достижении указанного значения (как правило, после 3-ей – 4-ой дополнительной промывки). После этого выполняли анализ модельного раствора. Полученные данные приведены в таблице 3.

На основе последних строк таблиц 2 и 3, относящихся к отклонениям результатов измерений от градуировочных и параметрам воспроизводимости для этих серий измерений, составлена таблица 4, в которой показано во сколько раз улучшились параметры отклонения от градуировочных значений и параметр воспроизводимости результатов (как по временам выхода, так и по вычисляемым значениям концентрации).

Из таблицы 4 видно, что для выполнения электрофоретического определения состава многокомпонентных проб с использованием измерения потенциала течения наблюдается улучшение воспроизводимости как времен выхода, так и определения концентраций. Так уменьшение отклонения времен выхода для трех веществ модельного раствора составило от 4.9 до 5.4 раз, а уменьшение отклонения вычисленной концентрации компонентов составило от 5.5 до 10 раз. А для отклонения средних значений времен выхода от результатов градуировочных измерений улучшение еще более значительное: для времен выхода от 11 до 34 раз, а для концентраций от 2 до 18 раз.

Специалистам понятно, что приведенное выше подробное описание приведено в качестве примера, и может быть предложено множество других вариантов, не выходящих за пределы настоящего изобретения, включающих, например, не описанные здесь подробно: вариант измерения потенциала течения сразу после электрофоретического разделения с определением соответствующих поправок или вариант создания потока электролита через капилляр путем создания отрицательного перепада давления на выходном конце капилляра, а также вариант модификации реализации способа в устройстве при использовании масс-спектрометрического детектора, но не ограничивающихся этими примерами.

Литература

1. R.Weinberger. Practical Capillary Electrophoresis. 2 Edit., Academic Press, 2000.

2. Dale R.Baker. Capillary Electrophoresis. John Wiley & sons, Inc., 1995.

3. Руководство по капиллярному электрофорезу. Под ред. А.М.Волощука, М., 1996 г

4. Система капиллярного электрофореза. Основы метода. Аппаратура. Примеры использования систем капиллярного электрофореза «Капель-103, – 104, – 105». СПб, изд-во «Петрополис» 2001 г.

5. Патент US №05441613 (он же WO-A1 №1996022151).

Формула изобретения

1. Способ электрофоретического определения состава многокомпонентных растворов, включающий выполнение калибровочных и аналитических измерений, состоящих из промывки капилляра раствором электролита, введения в заполненный электролитом капилляр раствора калибровочной смеси при калибровочных измерениях и введения раствора пробы при аналитических измерениях, электрофоретического разделения компонентов введенных растворов в капилляре под воздействием приложенного между концами капилляра напряжения, детектирования и измерения времен выхода компонентов введенных растворов; идентификацию компонентов пробы по временам выхода, отличающийся тем, что при промывке капилляра раствором электролита определяют величину потенциала течения путем измерения разности потенциалов между концами капилляра при определенной разности давлений между указанными концами капилляра, причем полученное значение величины потенциала течения используют для идентификации компонентов пробы путем сравнения величин потенциала течения, измеренных при промывке перед калибровочными и аналитическими измерениями.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что промывку капилляра раствором электролита осуществляют до тех пор, пока значение потенциала течения не достигнет заданной величины.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что указанную заданную величину потенциала течения выбирают равной или меньшей величины потенциала течения, измеренной при промывке капилляра раствором электролита перед электрофоретическим разделением калибровочной смеси.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что для идентификации компонентов пробы используют значения времен выхода известных компонентов, измеренные при электрофоретическом разделении калибровочной смеси, с использованием поправок, определяемых из соотношения величины потенциала течения, измеренной перед электрофоретическим разделением пробы, с величиной потенциала течения, измеренной перед электрофоретическим разделением калибровочной смеси.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что для определения величины потенциала течения концы капилляра помещают в емкости с электролитом и приводят в электрический контакт со средствами измерения потенциала течения таким образом, чтобы средства измерения потенциала течения и электролит, находящийся в емкостях и капилляре, образовывали замкнутую измерительную электрическую цепь, а при электрофоретическом разделении размыкают указанную измерительную электрическую цепь, причем емкости с электролитом, в которые помещают концы капилляра, приводят в электрический контакт с источником высокого напряжения таким образом, чтобы источник высокого напряжения и электролит, находящийся в емкостях и капилляре, образовывали замкнутую высоковольтную электрическую цепь.

6. Устройство для электрофоретического определения состава многокомпонентных растворов, включающее капилляр, емкости для электролита и проб, средства установки капилляра и емкостей, выполненные с возможностью помещения концов капилляра в указанные емкости, средства создания потока электролита через капилляр, средства создания напряжения между концами капилляра, связанный с капилляром детектор и систему управления и обработки сигналов, отличающееся тем, что оно снабжено средствами измерения потенциала течения, выполненными с возможностью измерения разности потенциалов между концами капилляра и с возможностью электрической связи с концами капилляра при промывке таким образом, что указанные средства измерения потенциала течения и электролит, находящийся в емкостях и в капилляре, образуют измерительную электрическую цепь, а средства создания потока электролита через капилляр выполнены с возможностью создания и поддержания определенной разности давлений между концами капилляра.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что средства установки капилляра и емкостей выполнены с возможностью обеспечения пневматической связи внутренней полости емкости с раствором, в которую помещен один из концов капилляра, со средствами создания потока электролита через капилляр, а средства создания потока выполнены с возможностью поддержания заданного давления в этой полости.

8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что средства измерения потенциала течения включают средства размыкания указанной измерительной цепи.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что указанные средства размыкания содержат первую и вторую емкости для электролита, установленные с возможностью помещения конца капилляра в первую емкость при измерении потенциала течения и во вторую емкость при электрофоретическом разделении, а в указанную первую емкость установлен измерительный электрод.

РИСУНКИ