第七章-流动注射分析

1第七章流动注射分析ChapterSevenFlowInjectionAnalysis(FIA)2流动注射分析（FIA）FlowInjectionAnalysis7.1流动注射分析的基本原理7.2流动注射分析仪的基本组成7.3流动注射技术及应用31974年，RuzickaJ(丹麦分析化学家)HansenEH提出流动注射分析新概念化学分析可在非平衡的动态条件下进行提高了分析速度把试样溶液直接以“试样塞”的形式注入到微管道的试剂载流中，不需反应完全可进行在线混合、反应、稀释或浓缩、检测，摆脱了传统方法必须在稳态条件下操作的观念绿色分析化学封闭系统中完成测定，降低环境污染、减轻对实验操作人员的毒性流动注射分析(FIA)FlowInjectionAnalysis7.1流动注射分析的基本原理GeneralPrinciplesofFIA5流动注射分析的基本过程试剂及载流流动注射分析的基本原理GeneralPrinciplesofFIA蠕动泵废液进样阀反应管道检测器样品7.2流动注射分析仪的基本组成InstrumentationofFIA1.流体驱动单元（蠕动泵）2.进样阀3.反应管道4.检测器6传统溶液化学分析方法的特点手工分析：将被测物与试剂均匀混合，使反应达到化学平衡状态依据化学计量关系及试剂（滴定剂标准溶液）的用量或生成物的量（沉淀的质量、有色物质的浓度等），确定试样中被测组分的含量。广泛应用缺点：速度慢、手续繁杂分析结果与分析人员的技术水平和熟练程度有关不可避免使分析人员长时间接触化学药品，健康受到影响流动注射分析(FIA)FlowInjectionAnalysis7流动注射分析的特点FIA：高度重现和灵活多变的微量溶液化学处理和各种检测手段相结合的半自动微量分析技术测定速度快、溶液用量少、精密度和准确度高、方法灵活多变、应用领域广阔(环境分析、地质样品、农产品、药物、食品分析)、实用性强已在吸光光度法、荧光光度法、化学发光分析法、电位分析法、伏安分析法、原子吸收分析法和等离子体原子发射分析等方法中得到充分体现和普遍应用流动注射分析(FIA)FlowInjectionAnalysis81.流动注射分析的基本过程GeneralprocessofFIA样品试剂及载流进样阀反应盘管检测器例：流动注射分光光度法测Cl-Hg(SCN)2+2Cl-HgCl2+2SCN-Fe3++SCN-Fe(SCN)2+（深红色）蠕动泵废液流动注射分析的基本原理GeneralPrinciplesofFIA92.试样带的分散Dispersionofsamplezone流动注射分析的基本原理GeneralPrinciplesofFIA样品被注入到试剂载流后，在载流携带下通过管道移动时，发生展宽或扩散。展宽区带的形状由两种作用决定：（1）对流作用：由层流产生，使液流中心部分比靠近管壁部分移动得快，形成抛物线形的前沿。（2）扩散作用：径向扩散+轴向扩散径向扩散，从管壁朝向中心与流动方向垂直，流速慢时是样品带分散的主要原因，可形成对称的分析状态。使分析物基本脱离管壁，可消除样品之间的交叉污染。轴向扩散，与流动方向平行，在细管道中一般不重要。10DispersionofsamplezoneAtinjection,samplezone(plug)concentrationprofileisrectangularProfilechangesdownstream(i)Laminarflowprofiledevelopsduetofrictionwithwalls(ii)Radialdiffusionfromwallstocenteroftube(iii)Longitudinaldiffusioninforwardandbackwardflow11Whenflowrate/tubeidissmall，(d)isapproached.Radialdiffusionfromwallstocenterhelpsminimizecross-contaminationbetweensampleplugs.12定时重现浓度单位mg/mL进样间隔30s样品无交叉污染13流动注射分析基本特点-定时重现定时重现在样品通过分析流路时，以完全相同的方法顺序处理所有样品准确样品体积的注入、重现和精确的定时进样以及从注射点到检测点的完全相同的操作（控制或可控分散），形成注入样品的浓度梯度，产生瞬间但可精确重现的纪录信号，使流路中任何一点都能像静态、稳态一样准确测定。一般用峰值作为分析信号，可获得较高灵敏度。流动注射分析(FIA)FlowInjectionAnalysis14分散系数Dispersioncoefficient反映原始样品在流到检测器的途中被稀释的程度D=C0/CC0concentrationininjectionvolumeCpeakconcentrationatdetectorCalibrationneededtofindD影响因素Affectingfactors(1)进样体积Sampleinjectionvolume（50-200mL）(2)反应管道的长度TubelengthD=1+KL(3)反应管道的内径Tubeid(innerdiameter)(4)流动速率Flowrate流动注射分析的基本原理GeneralPrinciplesofFIA2.分散系数Dispersioncoefficient15分散系数D：低度（D=1-3）中度（3-10）高度（大于10）减少（小于1）流动速率的影响载流流速增加会引起对流扩散的增强和留存时间的减少这两种因素对分散度的作用效果相反。因载流流速增加引起的分散度增加值远小于因留存时间缩短引起的分散度减小值，所以载流速度增加时，分散系数D减小。分散系数Dispersioncoefficient16进样体积的影响Largeinjectionvolume:D=1.0(noanalytedilutionbycarrier)Lowvolume:D1.0(analytedilution)Shorttubes:lesstimefordiffusion=lowdispersionLongtubes:longtimefordiffusion=highdispersion管长的影响17综合考虑各因素综合影响，确定最佳流路。大批量分析，着眼于提高分析速度、增加进样频率，因此应减少进样体积、缩短管长、提高流速。分散系数Dispersioncoefficient18分散系数D的测定注入已知体积的染料溶液到无色的载液中，并用分光光度计连续检测分散的染料区带的吸光度，测量记录的峰高（即吸光度），再用未稀释的染料充满吸收池时获得的信号进行比较。若服从Lamber-Beer定律，两个吸光度的比值即为分散系数。D=2，表示染料用载液1：1稀释。任何FIA峰都是两种动力学过程同时发生的结果：区带分散的物理过程和样品与试剂间发生的化学过程。分散系数仅考虑了分散的物理过程，未考虑化学反应。分散系数Dispersioncoefficient19流动注射分析的基本过程试剂及载流流动注射分析的基本原理GeneralPrinciplesofFIA蠕动泵废液进样阀反应管道检测器样品7.2流动注射分析仪的基本组成InstrumentationofFIA1.流体驱动单元（蠕动泵）2.进样阀3.反应管道4.检测器201.流体驱动单元（蠕动泵）Peristalticpumps(a)Variablespeedperistalticpump(b)Flowrate(0.0005to40mL/min)controlledbypumpspeedandtubeid(0.25-4mm)流动注射分析仪的基本组成InstrumentationofFIA滚轴8-10单管路蠕动泵示意图塑料管或橡胶管载液流向212.进样阀InjectionvalveSampleIntroduction进样阀又称采样阀、注入阀或注射阀用得最多效果最令人满意的是旋转式六通阀，取样和注入过程可精确重复流动注射分析仪的基本组成InstrumentationofFIA22流动注射分析仪的基本组成InstrumentationofFIA进样阀(a)allowsloadingofspecifiedvolumeofanalyte5-200µL典型10-30µL用具有适当长度、内径的外部环管计量(b)rapidinjectionofsampleplugintoflowwithoutdisturbingtubeflow“塞式”注入进样对载流流动干扰小234.检测器Detector(a)UV-visspectrophotometer(b)Luminescenceanalysis(c)Electrochemical(d)Atomicspectroscopy(AESorAAS)3.反应管道Reactionpipeline(a)细空径聚乙烯或聚四氟乙烯管(0.1-1mmid0.5-0.8mm)(b)反应盘管Reactorcoil(50cmlong)增强径向效应减小轴向扩散，减弱试样带变宽，灵敏度、进样频率、对称峰流动注射分析仪的基本组成InstrumentationofFIA特点：小体积流通池，以减少载流量、试剂量、试样量，提高分析速度。避免死角，减小因残留液、气泡滞留影响重现性。241.用于重复精确的样品传送2.流动注射转换技术3.多相转换技术4.流动注射滴定5.在线预富集6.停留技术流动注射分析(FIA)FlowInjectionAnalysis7.3流动注射技术及应用FIAtechniquesandapplication251.用于重复精确的样品传送严格定时性，将给定样品精确准确传递到检测器，保证每一测量循环过程中条件严格一致FIA与火焰AAS、AES结合，样品的等分试样被直接吸入火焰或等离子体，改善分离性能，进样速率300/h在吸入一个样品的时间内可分别注入两份样品，精度提高且准确度改善样品与检测器接触时间短，检测器长时间用载液清洗，减小或消除由高盐浓度造成燃烧器堵塞的机会以动态方式操作的很多离子选择性电极容易获得快速、重现的读数流动注射技术及应用FIAtechniquesandapplication262.流动注射转换技术借助适当的样品预处理、试剂生成或基体改性，通过动力学控制的化学反应使不能被检测的物质转化成可被检测的成分对于氧化还原过程中产生的不稳定“瞬态”试剂，入Ag(II)、Cr(II)、V(II)，在通常分析条件下不能检测，但在FIA体系中可提供保护性环境，形成并应用这些试剂。流动注射技术及应用FIAtechniquesandapplication例：流动注射分光光度法测Cl-Hg(SCN)2+2Cl-HgCl2+2SCN-Fe3++SCN-Fe(SCN)2+（深红色）27硫氰酸盐在人体中半衰期约14d，通过体液（唾液、血液、尿液）分析很容易区分吸烟者与非吸烟者反应产物生成迅速、摩尔吸光系数很高，但随后就褪色，寿命仅10s。在生色最大的那一刻读数很重要。570nm由于5-Br-PADAD与重铬酸盐会逐渐反应，背景信号高。设计分析体系，调节样品停留时间，精确地在红色产物与背景信号差最大时进行有效检测。流动注射转换技术FIAconversiontechniques例：临床化学流动注射分光光度法测硫氰酸盐SCN-SCN-+5-Br-PADAP+K2Cr2O7红色产物（亚稳态）2molL-1H+283.多相转换技术把气体扩散、渗透、溶剂萃取、离子交换、固定化酶等操作与管线步骤结合，使样品成分转换成可检测的物质，提高分析测定的选择性。a.固定化酶反应器小体积高浓度固定化酶，使底物在样品稀释度最小时充分快速转化、分散系数小、降低检测限提供选择性、经济性、由于固定化而获得的稳定性，保证严格重现性，保持分析周期间固定的转化程度流动注射技术及应用FIAtechniquesandapplication29b.渗析和气体扩散渗析从相对分子量高的物质（如蛋白质）