流动注射分析

流动注射分析流动注射分析(FlowInjectionAnalysis，简写为FIA)是1974年丹麦化学家鲁齐卡(RuzickaJ)和汉森(HansenEH)提出的一种新型的连续流动分析技术。这种技术是把一定体积的试样溶液注入到一个流动着的，非空气间隔的试剂溶液(或水)载流中，被注入的试样溶液流入反应盘管，形成一个区域，并与载流中的试剂混合、反应，再进入到流通检测器进行测定分析及记录。由于试样溶液在严格控制的条件下在试剂载流中分散，因而，只要试样溶液注射方法，在管道中存留时间、温度和分散过程等条件相同，不要求反应达到平衡状态就可以按照比较法，由标准溶液所绘制的工作曲线测定试样溶液中被测物质的浓度。FIA具有如下的特点：★所需仪器设备结构较简单、紧凑。特别是集成或微管道系统的出现，致使流动注射技术朝微型跨进一大步。采用的管道多数是由聚乙烯、聚四氟乙烯等材料制成的，具有良好的耐腐蚀性能。★操作简便、易于自动连续分析。流动注射技术把吸光分析法、荧光分析法、原子吸收分光光度法、比浊法和离子选择电极分析法等分析流程管道化，除去了原来分析中大量而繁琐的手工操作，并由间歇式流程过渡到连续自动分析，避免了在操作中人为的差错。★分析速度快、分析精密度高。由于反应不需要达到平衡后才测定，因而，分析频率很高，一般为60～120个样品/小时。测定废水中S2－时，分析频率高达720样品/小时。注射分析过程的各种条件可以得到较严格的控制，因此提高了分析的精密度，相对标准偏差一般可达1％以内。★试剂、试样用量少，适用性较广。流动注射分析试样、试剂的用量，每次仅需数十微升至数百微升，不但节省了试剂，降低了费用，对诸如血液、体液等稀少试样的分析显示出独特的优点。FIA既可用于多种分析化学反应，又可以采用多种检测手段，还可以完成复杂的萃取分离、富集过程，因此扩大了其应用范围，可广泛地应用于临床化学、药物化学、农业化学、食品分析、冶金分析和环境分析等领域中。分析过程流动注射分析实际上是一种管道化的连续流动分析法。它主要包括试样溶液注入载流、试样溶液与载流的混合和反应(试样的分散和反应)、试样溶液随载流恒速地流进检测器被检测三个过程。图17.32a最简单的流动注射吸光光度法测定氯离子的流程图及光度扫描曲线。将一定体积的试样溶液(含Cl－的试液)通过进样系统间歇地注入一个由泵推动的密闭的连续流动的载流中，载流由水及反应试剂(此例中为Hg(SCN)2、Fe3+)组成。刚注入的呈“塞”状(如图17.33所示)分布的试样溶液被载流带入反应器并与试剂分散混合，发生化学反应生成可被检测的物质。在本例中，由于Cl－地存在，它从Hg(SCN)2夺出Hg2+而释放出SCN－，SCN－与Fe3+反应形成红色配合物，然后进入流通检测器，在480nm波长处测定配合物的吸光度。为考察方法的重现性，取Cl－浓度为5～75ug/ml的七种试样溶液，每种试样溶液重复测定四次，28次测定共耗时23min，如图17.32b。而图17.29c中R30和R75分别为30和75ug/ml浓度的试样溶液的快速扫描曲线。虽然两次注样时间只相隔30s(即S1和S2之间的时间差)，但前一试样溶液在检测器的流通池中残留量小于1％。表明即使在120个试样/小时的进样频率下，也无携出(Carry－over)现象。FIA试样与载流的分散混合以及试样与试剂的化学反应均没有达到平衡状态，之所以能在非平衡状态进行定量分析，是由于将试样注入流路管道后所有各次试样一完全相同的方式相断通过各连接的分析管路，不仅每一试剂在管路中的经历时间一致，而且被分散的程度也一样(即分散达到严格的控制)。所以流动注射分析的基础是试样注入、受控分散核准确流动经历时间这三者的有机结合。试样带的分散和分散系数在FIA中，试样溶液通过注入系统进到恒速流动的载流中，形成了一个个试样带，并随着载流向前流动保持其完整性。但是，试样溶液在与载流接触及流动过程中，有分子的扩散及对流等物理作用，试样带发生分散，亦即试样带不断被载流稀释并沿着轴向变长，形成一个分散的试样带，如图17.34所示。试样带中心的浓度最大(Cmax)，由中心向两侧的浓度逐渐降低，形成一个任一流体微元与相邻微元有着不同的浓度，每个微元都可以用来检测读出信号。设计流动注射分析体系时，了解以下两点是十分重要的：试样从注入到测定经历多长时间。一般的分析是以测量峰高来测定的，从注样到出现峰的最高点所经历的时间称为留存时间(ResidenceTime)；原试样溶液在流向检测器的过程中被载流稀释的程度。为此，引入了分散系数D(DispersionCoefficient)的概念，D定义为：在流动注射分析中，流体微元中组分在分散发生前与发生后的浓度比值，即式中C0为分散前(即原始试样溶液)的浓度，C为分散后某流体微元的浓度。在记录曲线的峰值时，对应的是分散试样带中心微元的浓度Cmax，这时，D值最小，即Dmin分散系数不仅描述了原试样溶液被稀释的程度，而且表明了试样同载流中试剂混合的比例关系。D越大，说明试样被载流稀释越严重。当D＝2时，试样被载流以1：1比例稀释。分散系数与存留时间结合起来，可以充分地描述流动注射体系的状态。分散系数分为高(D10)、中(D为3～10)、低(D为1～3)三个等级，不同的分析目的和检测手段需要采用不同分散系数的流动注射分析体系的状态。如:采用离子选择电极作为检测手段时，要求试样应尽可能集中，故设计用D低的体系；若要求扩展的PH梯度以区分试样中的多组分时，或需要稀释高浓度或进行流动注射滴定时，要用D高的体系；一般的吸光光度法检测时，通常采用中等地分散系数体系；根据不同需要设计出具有特定分散系数的体系是流动注射分析中的关键问题。分散系数取决于注入试样溶液的体积、载流的流速和管道的长短、半径及构型等实验号数。1.改变注入试样溶液的体积是改变D的有效方法。增大试样的注入体积可以增加峰高，提高测定的灵敏度；稀释高浓度试样的最好方法是减少试样的注入体积；2.D随试样带流经的管道长度的增大而增大，随流速减小而减小。因此，要获得低分散系数而又要得保持较长的留存时间，就需要采用短的管道并降低泵速。增加留存时间并避免进一步分散的最有效办法是采用停流技术，即将试样注入到反应管路中后，听泵液流停止前进，待有足够的反应时间之后，重新启动泵把液流推入检测器。3.任何带有混合室的体系都会产生分散系数，会导致测定灵敏度及进样频率的降低，同时增加试样和试剂的消耗；反应管道的不均匀性，及较粗的管道也会提高分散系数。所以，在设计FIA体系时，管道应粗细合适，均匀且经常采用盘绕、迂回弯曲、填充或三维错乱的构型。化学反应动力学过程在FIA中，由于试剂与试样在管道中的混合分散及化学反应尚未达到平衡状态，故在物理和化学方面均存在着动力学过程的问题。这两个同时发生的过程，其综合的状态如图17.35所示。曲线A描述了试样带的分散及其与试剂(R)发生化学反应时消耗物质(A)的情况，曲线R反映出试样带中心区域试剂浓度的增加；曲线P是试样带通过单管路FIA系统时反应产物(P)与反应时间的关系。P曲线上有最高点(Pmax)，在这点上，产物的生成速率等于分散的速率，其位置取决于反应速率。最大值处的留存时间是进行FIA时所需要确定的一个重要参数。因为它能使测定达到最高的灵敏度。通常可以用改变反应管的长度、调节载流流量(流速)或采用停留结束达到这一最佳留存时间。流动注射分析仪器FIA仪器由流体驱动单元、进样阀、反应器、检测器及记录仪(或微机处理系统)五个主要部分组成。1．流体驱动单元最常用的流体驱动单元是蠕动泵，它依靠转动的滚轮带动滚柱挤压富有弹性的改性硅橡胶管来驱动液体流动。图17.36为蠕动泵工作示意图。当泵管夹于压盖与滚柱之间，滚轮转动使泵管两个挤压点之间形成负压，将载流抽吸至管道内连续流动。滚柱滚动的线速度和泵管内径大小决定了载液的流量。这种泵结构简单、方便，且不与化学试剂直接接触，避免了化学腐蚀的问题。通过调节泵速和泵管内径可获得所需载液速度，但载液的脉动不能完全避免，因此也易使输出信号发生一定程度的波动。泵头能安排的泵管数称为“道数”，蠕动泵一般为六道和八道。泵管壁厚的均匀性影响载液流速的均匀性。泵管的用途是输送载流和试剂，因此应具有一定弹性、耐磨性，且壁厚均匀。常用的泵管材料有“Tygon”，这是加有适量添加剂的聚乙烯或聚氯乙稀管，它适用于水溶液、稀酸和稀碱溶液。2．进样阀进样方式有注射注入和阀切换。后者常用，它类似于高效液相色谱的阀进样。当阀的转子转至“采样”位置时，样品被泵吸入至定量取样孔内；当转子转至“注入”位置时，因定量取样孔直径大，对载流阻力小，因此载流自然进入取样孔，将“样品塞”带至反应器中。由于阀的旁路管内径小，管道长，阻力大，因此在“注入”位置时，旁路管中基本无载流通过。FIA仪器由流体驱动单元、进样阀、反应器、检测器及记录仪(或微机处理系统)五个主要部分组成。3．反应器流动注射分析使用的反应器有一下三种：(1)空管式反应器这种反应器又可分为直管和盘管两种。直管式的内径为0.3～0.5mm，常以聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙稀等制成。载流在管内的流动属层流，“样品塞”在迁移过程中的展宽是纵向扩散和径向扩散的综合结果。盘管式又称螺旋式。当载流在螺旋形管道内以较高速度流动时，由于离心力的作用，使“试样塞”的纵向扩散减小，展宽程度下降，因而提高了进样频率。展宽程度下降，检测灵敏度自然提高。当盘管圈直径与盘管内径之比为10时，“样品塞”的展宽程度比直管小三倍。盘管材料可用聚四氟乙烯、聚乙烯或聚丙烯等，内径在0.5mm左右。内径过大，展宽加剧；内径过小，易堵塞。(2)填充床反应器这种反应器类似于色谱分析中的填充柱。管中填充惰性颗粒填料，如玻璃珠，一般说，填料直径越小，“试样塞”展宽程度越小。采用填充床反应器的优点是，在反应器内接触充分，反应时间延长，易获得较高灵敏度，但是载流通过的阻力大，需采用高压泵。(3)单珠串反应器在管内，填充颗粒直径约为管子直径60～80％的大粒填料，因此极易得到规则的填充结构。这种反应器的展宽程度比空管式小10倍，进样频率高。反应器内径约0.5mm左右。单珠串反应器中的载流流动阻力大，仍可采用普通蠕动泵作载流动力。4．检测器流动注射分析中常用的检测手段有吸光光度法、浊度法、化学发光法、荧光法、原子吸收光谱法、火焰光度法、离子选择电极电位法和伏安法等。检测方法所用的检测器基本上分为光学检测器和电化学检测器两大类。在光学检测器中，应用最多的是带有流通池的分光光度法计。常见的流通池如图17.37所示，在保证一定光路长度(一般为10～20min)的透光面积的前提下，它的容积应尽可能小，以减小载流量和试样量，并维持试剂－试样界面的原有扩散模式，以提高分析精度。这就要求光电检测系统灵敏、稳定。此外，流通池的设计应没有死角和稍有倾斜，以利于偶然带入的气泡排出。在电化学检测器中，应用较多的是流通式离子选择电极检测器(见图17.38)离子选择性电极检测器采用“梯流”式电势流通池。这种流通池有一定角度的倾斜，使载流流向相对于敏感膜表面的方向处于最佳位置。注入的试样带首先与离子选择性电极接触，然后再与参比电极接触，在它们之间产生一个电动势。流出液的液面通过排液管保持恒定。这种检测法与普通电极法不同之处在于：流动注射分析法并不需要电极电位达到稳定数值后才测定。由于流过电极表面的试液与流过的时间可以准确地控制，因此仍然可以得到与静态测定时完全一致的结果，并能大大地提高分析速度。在试剂应用中，流动注射分析仪可以自行组装，也可以选择各厂家制造的流动注射分析仪。流动注射技术简介1．单道流动注射分析法这种方法是最简单，也是较常用的FIA方法，如前面所述的Cl－的测定，见图17.32a所示。2．多道流动注射分析法当两种以上的试剂混合后会发生化学变化时，可采用这种方法。其流程如图17.39所示。各种试剂可以在不同时间，不同合并点加入到管路中，最后进入流通流进行检测。3．合并带法合并带法是采用多道注射阀同时分别注入试剂和试样，使