武汉大学分析化学课件 第25章 流动注射分析及微流控技术

第25章流动注射分析及微流控技术25.1.概论溶液化学分析（或称湿法分析）大约已有200多年的历史，是分析化学中最基本和最为经典的分析方法。这些分析方法多采用手工操作完成。它费时、费力、分析速度慢，而且分析结果常常受到操作者主观因素的影响。另一方面，在实验室完成一次分离、分析所需要的分析设备种类多、体积大、试样和试剂消耗量很大、难于操作，且不便于进行现场分析。为此，人们尝试研究并发展了一系列自动分析方法及装置。25.2.流动注射分析22.2.1.超临界流体和超临界流体色谱流动注射分析（FlowInjectionAnalysis,FIA）是在间歇式分析（Discreteanalysis，也称自动分析）和连续流动分析（Continuousflowanalysis，CFA）的基础上，吸收了高效液相色谱的某些特点发展而来的。间歇式分析，是通过机械式自动分析装置模拟手工分析步骤的技术。连续流动分析是将化学分析所使用的试剂和试样按一定顺序和比例用泵和管道输送到一定的区域进行混合，待反应完成之后再经由检测器检测反应产物并记录和显示分析结果。25.2.流动注射分析25.2.流动注射分析连续流动分析克服了间歇式自动分析的不足，具有通用性强、分析速度快（3050样/h）、易于自动化的优点。然而，连续流动分析技术也因气泡的引入而带来一些缺陷：1.气泡的可压缩性使液流产生脉动并导致液流流动状态不稳定；2.气泡体积不易控制；3.有气泡存在时，压降和流速与管材种类有关；4.塑料管道中的气泡有绝缘作用，易产生静电积累从而干扰一些传感器的正常工作；5.载流运动不易控制，不易瞬间起停。25.2.流动注射分析流动注射分析废弃了用气泡间隔样品的方法，将试样溶液直接以“试样塞”的形式注入到管道的试剂载流中，化学分析可在非平衡的动态条件下进行。大量实验研究及应用成果表明，FIA具有更多优点：1.操作简便。2.重现性好。3.试剂和试样消耗量小，环境友好。4.分析速度快。5.适用于物理和物理化学过程研究。6.仪器简单，易于自动化。7.应用范围广。25.2.流动注射分析一般可将FIA过程概括为：将一定体积的试样液以“塞子”（plug）的形式，间歇地注入到处于密闭的、具有一定组成的流动液体（试剂或水）载流中，试样塞在被载流推入反应管道的过程中，因对流和扩散作用而分散形成具有一定浓度梯度的试样带（samplezone）。该试样带与载流中的某些组分发生化学反应生成可被检测的物质，最后被载流带入检测器进行检测，并由记录仪连续记录响应信号随时间的变化情况。25.2.1.流动注射分析基本原理25.2.1.1.物理混合过程及分散度1.物理混合过程在FIA中，在试样以“试样塞”进入反应管道并随载流向前移动的过程中，试样塞的分子与载流之间将产生分子扩散和对流扩散作用并导致试样“带”变宽，即试样的分散。在混合过程中，轴向对流和径向分子扩散两种作用的竞争决定了输出峰的形状。25.2.1.1.物理混合过程及分散度2.分散度所谓分散度，是指产生分析读数的液流组分在扩散过程发生前后的浓度比值，即：3.影响分散度的因素p0p0/hh/ccD25.2.1.2.化学动力学过程假设在简单FIA系统中，试剂（R）与试样中待测物（A）在管道中经混合分散并发生如下化学反应：由于试剂（R）与试样中待测物（A）在管道中的分散混合和化学反应不完全，因此在物理和化学方面均存在动力学过程。在任一时刻t，试样在管道中的化学反应、反应速率、产物形成速率与分散度之间的关系可用下式描述：)dttD(Dc)dtccD1D)(cDck(dtdctttRttttAt)dTtD(Dc)dTccD1D)(cDck(dcttRtAt25.2.1.3.能量转换过程FIA分析中的能量转换过程是通过FIA仪器中的检测系统完成的。检测系统能将反应产物的特性或试样本身的性质转换为可测的电信号，并通过仪器仪表显示或记录。检测器输出信号或记录仪的记录曲线，实质上是对试剂和试样间的物理混合、化学动力学和能量转换三种过程的综合反映。FIA系统可与许多能量转换检测器联用达到多种分析目的。25.2.2.流动注射分析仪器的组成25.2.2.1.蠕动泵25.2.2.2.进样系统25.2.2.3.反应器反应器是被注入的“试样塞”在载流中分散，并与其中的待测组分发生化学反应生成可被检测的物质的场所。1.开管式反应器包括直管（straight）和盘管（coiled）反应器。前者实际上是一段具有一定长度的细管。2.填充式反应器包括填充层（packedbed）和单珠串（singlebeadstring）反应器等。前者是按需要截取的一段填充惰性球状微粒（玻璃珠）的管子。25.2.2.4.检测系统及响应曲线FIA检测系统是将经过流通池的待测物的某种理化特性转换为可以识别并记录的信号，其组成与HPLC分析所使用的检测器类似，主要由流通池（flow-cell）、某些信号转换元件（传感器）和记录仪等组成。原子吸收和发射光谱仪、荧光光度计、电化学检测器、折射仪以及分光光度计等均用于FIA过程的检测，其中以分光光度计的应用最为广泛。典型的FIA输出信号是一个尖形峰。FIA分析中，待测物随着试样带的移动，可形成中间浓度高、两端浓度低的梯度曲线，此曲线实质上是试样浓度的分布图。双峰、负峰和不规则峰的出现可以通过改变实验条件得以避免。25.2.3.流动注射分析的应用25.2.3.1.低分散度流动注射分析体系当需要迅速测量试样本身性质时采用低分散度。由于不涉及化学反应，因此要求试样尽可能集中，不经稀释地流过检测器，即试样与载流的混合程度应尽可能地小。实际工作中，通过增加进样体积、减小注入点与检测器响应点之间的距离、降低泵速等措施降低试样的分散度，可获得较高的分析灵敏度。蠕动泵P样品SAAS反应盘管RC废液W试剂R载流载流图25-8.合并带注样-FIA-FAAS方法测定Mg2+示意图25.2.3.2.中分散度流动注射分析体系当试样必须与一种或几种试剂进行化学反应转化为另一种可被检测的化合物时，需采用中度分散的方法（如各种光度法与FIA系统的联用）。该FIA分析系统中，试样带在管道内运行时须与试剂适当混合，并有足够的时间进行反应、产生一定量的可以被检测的化合物。1.试剂预混合25.2.3.2.中分散度流动注射分析体系2.FIA分离分析技术25.2.3.2.中分散度流动注射分析体系3.停流技术（Stopped-flow）事实上，当流动完全停止时，浓度的分散过程也几乎完全停止。FIA停流法就是在试样带进入检测器的某一时刻停泵，通过观测静态条件下反应混合物进一步反应的参数（如吸光度）随时间的变化来完成某些分析的技术。停流法可用于研究反应机理、测定反应速率以及各种慢反应体系的流动注射分析。25.2.3.2.中分散度流动注射分析体系4.流动注射催化分析在许多化学反应中，反应速率随催化剂浓度的改变而发生相应的、显著的变化，通过测定反应物的减少速率或产物的生成速率可间接获得催化剂的浓度。基于此原理而建立的测定催化剂含量的高灵敏方法称之为催化分析法。例如水中微量I-的分析可基于I-对以下反应的催化作用：As(V)2Ce(III)As(III)2Ce(IV)I25.2.3.3.高分散流动注射分析体系高分散流动注射分析常用于滴定分析。25.3.微流控分析人们沿用微电子工业中加工集成电路的思路，通过微机电加工技术（Microelectro-mechanicalsystems,MEMS），在方寸大小的玻璃、硅、石英和高聚物等材料薄片上，加工出具有一定结构的微细通道网络及其他相关分析器件，形成集成化的微流控芯片（microfluidicchip），通过控制试样溶液和试剂溶液在芯片通道网络中的有序流动，完成取样、稀释（浓缩）、反应、分离、检测等化学分析的基本操作。25.3.微流控分析一般来说，微流控分析系统具有以下分析特点：1.分析速度极快。2.试样与试剂消耗在nLL水平。3.通过MEMS技术，不仅可以在芯片上制作微细通道网络，而且还可以在芯片上加工制作诸如微阀、微泵、微电极和微透镜等微分析器件，形成高度集成化的微流控芯片。4.微流控芯片的微小尺寸使材料消耗甚微。微流控分析系统的最终目标是通过化学分析设备的微型化与集成化，最大限度地把分析实验室的功能（如取样、试样预处理、反应、分离、检测、数据处理等）转移到以微流控分析芯片为核心的便携式分析仪器中。25.3.2.微流控分析系统的液流驱动和控制25.3.2.微流控分析系统的液流驱动和控制25.3.3.微混合、反应和分离系统微流控分析系统中，待测物质（或其衍生物）进入检测器前所需的混合、反应、分离等过程是在芯片的通道网络中完成的。25.3.4.微流控分析系统的检测器虽然常规流动分析中所用到检测器原则上都可以用于微流控分析，但微流控分析本身的特殊性对检测器提出了一些特殊的要求，例如，(1).高的灵敏度和信噪比。(2).响应速度快。(3).体积小，易集成化。完全满足以上要求的检测器并不多。目前在微流控分析中应用得最多的是激光诱导荧光检测器，其次是电化学检测器。25.3.4.微流控分析系统的检测器1.激光诱导荧光检测由于激光可发出高强度的相干光，能聚焦成很小的光斑，因此，在微流控分析中，大多采用激光做光源的激光诱导荧光（Laserinducedfluorescence,LIF）检测，其检测下限一般可达到10-9~10-12mol.L-1。25.3.4.微流控分析系统的检测器2.电化学检测器电化学检测是一类常用的分析测试方法。不论何种电化学检测法都采用电极作为传感器，直接将溶液中待测组分的化学信号转变为电信号。这一传感方式十分符合微流控分析系统微型化、集成化的要求。25.3.4.微流控分析系统的检测器3.其他类型的检测器电导检测器紫外-可见光检测器质谱检测器化学发光检测器等25.3.5.微流控分析系统的应用选例1.荧光激发细胞分选25.3.5.微流控分析系统的应用选例2.芯片阵列毛细管电泳分离DNA片段25.3.5.微流控分析系统的应用选例3.微型DNA全分析系统