第七章流動(dòng)注射分析[共37頁]

1、1,第七章 流動(dòng)注射分析,Chapter Seven,Flow Injection Analysis (FIA,2,流動(dòng)注射分析（FIA） Flow Injection Analysis,7.1 流動(dòng)注射分析的基本原理 7.2 流動(dòng)注射分析儀的基本組成 7.3 流動(dòng)注射技術(shù)及應(yīng)用,3,1974年，Ruzicka J (丹麥分析化學(xué)家) Hansen E H 提出流動(dòng)注射分析新概念 化學(xué)分析可在非平衡的動(dòng)態(tài)條件下進(jìn)行 提高了分析速度 把試樣溶液直接以“試樣塞”的形式注入到微管道的試劑載流中，不需反應(yīng)完全可進(jìn)行在線混合、反應(yīng)、稀釋或濃縮、檢測(cè)，擺脫了傳統(tǒng)方法必須在穩(wěn)態(tài)條件下操作的觀念 綠色分析化學(xué)

2、 封閉系統(tǒng)中完成測(cè)定，降低環(huán)境污染、減輕對(duì)實(shí)驗(yàn)操作人員的毒性,流動(dòng)注射分析 (FIA) Flow Injection Analysis,7.1 流動(dòng)注射分析的基本原理 General Principles of FIA,4,Features of automation Advantages of Automation: (1) Economic operator costs reduced waste human errors (2) Speed (3) Precision Disadvantages of Automation: (1) Cost Initial purchase Setup

3、 cost (2) Inflexible,5,流動(dòng)注射分析的基本過程 試劑及載流,流動(dòng)注射分析的基本原理 General Principles of FIA,7.2 流動(dòng)注射分析儀的基本組成 Instrumentation of FIA,1.流體驅(qū)動(dòng)單元（蠕動(dòng)泵） 2.進(jìn)樣閥 3.反應(yīng)管道 4.檢測(cè)器,6,傳統(tǒng)溶液化學(xué)分析方法的特點(diǎn) 手工分析： 將被測(cè)物與試劑均勻混合，使反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài) 依據(jù)化學(xué)計(jì)量關(guān)系及試劑（滴定劑標(biāo)準(zhǔn)溶液）的用量或生成物的量（沉淀的質(zhì)量、有色物質(zhì)的濃度等），確定試樣中被測(cè)組分的含量。 廣泛應(yīng)用 缺點(diǎn)： 速度慢、手續(xù)繁雜 分析結(jié)果與分析人員的技術(shù)水平和熟練程度有關(guān) 不可

4、避免使分析人員長時(shí)間接觸化學(xué)藥品，健康受到影響,流動(dòng)注射分析 (FIA) Flow Injection Analysis,7,流動(dòng)注射分析的特點(diǎn) FIA： 高度重現(xiàn)和靈活多變的微量溶液化學(xué)處理和各種檢測(cè)手段相結(jié)合的半自動(dòng)微量分析技術(shù) 測(cè)定速度快、溶液用量少、精密度和準(zhǔn)確度高、方法靈活多變、應(yīng)用領(lǐng)域廣闊(環(huán)境分析、地質(zhì)樣品、農(nóng)產(chǎn)品、藥物、食品分析)、實(shí)用性強(qiáng) 已在吸光光度法、熒光光度法、化學(xué)發(fā)光分析法、電位分析法、伏安分析法、原子吸收分析法和等離子體原子發(fā)射分析等方法中得到充分體現(xiàn)和普遍應(yīng)用,流動(dòng)注射分析 (FIA) Flow Injection Analysis,8,1. 流動(dòng)注射分析的基本過

5、程 General process of FIA,樣品 試劑及載流 進(jìn)樣閥 反應(yīng)盤管 檢測(cè)器 例：流動(dòng)注射分光光度法測(cè)Cl- Hg(SCN)2 + 2Cl- HgCl2 + 2SCN- Fe3+ + SCN- Fe(SCN)2+ （深紅色,蠕動(dòng)泵,廢液,流動(dòng)注射分析的基本原理 General Principles of FIA,9,2. 試樣帶的分散 Dispersion of sample zone,流動(dòng)注射分析的基本原理 General Principles of FIA,樣品被注入到試劑載流后，在載流攜帶下通過管道移動(dòng)時(shí)，發(fā)生展寬或擴(kuò)散。 展寬區(qū)帶的形狀由兩種作用決定： （1）對(duì)流作用：

6、由層流產(chǎn)生，使液流中心部分比靠近管壁部分移動(dòng)得快，形成拋物線形的前沿。 （2）擴(kuò)散作用：徑向擴(kuò)散+ 軸向擴(kuò)散 徑向擴(kuò)散，從管壁朝向中心與流動(dòng)方向垂直，流速慢時(shí)是樣品帶分散的主要原因，可形成對(duì)稱的分析狀態(tài)。使分析物基本脫離管壁，可消除樣品之間的交叉污染。 軸向擴(kuò)散，與流動(dòng)方向平行，在細(xì)管道中一般不重要,10,Dispersion of sample zone At injection, sample zone (plug) concentration profile is rectangular Profile changes downstream (i) Laminar flow profil

7、e develops due to friction with walls (ii) Radial diffusion from walls to center of tube (iii) Longitudinal diffusion in forward and backward flow,11,When flow rate/tube id is small， (d) is approached . Radial diffusion from walls to center helps minimize cross-contamination between sample plugs,12,

8、定時(shí)重現(xiàn),濃度單位 mg/mL 進(jìn)樣間隔30s 樣品無交叉污染,13,流動(dòng)注射分析基本特點(diǎn)-定時(shí)重現(xiàn) 定時(shí)重現(xiàn) 在樣品通過分析流路時(shí)，以完全相同的方法順序處理所有樣品 準(zhǔn)確樣品體積的注入、重現(xiàn)和精確的定時(shí)進(jìn)樣以及從注射點(diǎn)到檢測(cè)點(diǎn)的完全相同的操作（控制或可控分散），形成注入樣品的濃度梯度，產(chǎn)生瞬間但可精確重現(xiàn)的紀(jì)錄信號(hào)，使流路中任何一點(diǎn)都能像靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)一樣準(zhǔn)確測(cè)定。 一般用峰值作為分析信號(hào)，可獲得較高靈敏度,流動(dòng)注射分析 (FIA) Flow Injection Analysis,14,分散系數(shù) Dispersion coefficient 反映原始樣品在流到檢測(cè)器的途中被稀釋的程度 D = C

9、0/C C0 concentration in injection volume C peak concentration at detector Calibration needed to find D 影響因素 Affecting factors (1) 進(jìn)樣體積 Sample injection volume （50-200 mL） (2) 反應(yīng)管道的長度 Tube length D = 1 + KL (3) 反應(yīng)管道的內(nèi)徑 Tube id (inner diameter) (4) 流動(dòng)速率 Flow rate,流動(dòng)注射分析的基本原理 General Principles of FIA,

10、2. 分散系數(shù) Dispersion coefficient,15,分散系數(shù)D： 低度（D = 1-3） 中度（3-10） 高度（大于10）減少（小于1） 流動(dòng)速率的影響 載流流速增加會(huì)引起對(duì)流擴(kuò)散的增強(qiáng)和留存時(shí)間的減少 這兩種因素對(duì)分散度的作用效果相反。 因載流流速增加引起的分散度增加值遠(yuǎn)小于因留存時(shí)間縮短引起的分散度減小值，所以載流速度增加時(shí)，分散系數(shù)D減小,分散系數(shù) Dispersion coefficient,16,進(jìn)樣體積的影響,Large injection volume: D = 1.0 (no analyte dilution by carrier) Low volume: D

11、 1.0 (analyte dilution,Short tubes: less time for diffusion = low dispersion Long tubes: long time for diffusion = high dispersion,管長的影響,17,綜合考慮各因素綜合影響，確定最佳流路。 大批量分析，著眼于提高分析速度、增加進(jìn)樣頻率，因此應(yīng)減少進(jìn)樣體積、縮短管長、提高流速,分散系數(shù) Dispersion coefficient,18,分散系數(shù)D的測(cè)定 注入已知體積的染料溶液到無色的載液中，并用分光光度計(jì)連續(xù)檢測(cè)分散的染料區(qū)帶的吸光度，測(cè)量記錄的峰高（即吸光度），再

12、用未稀釋的染料充滿吸收池時(shí)獲得的信號(hào)進(jìn)行比較。若服從Lamber-Beer定律，兩個(gè)吸光度的比值即為分散系數(shù)。 D=2，表示染料用載液1：1稀釋。 任何FIA峰都是兩種動(dòng)力學(xué)過程同時(shí)發(fā)生的結(jié)果：區(qū)帶分散的物理過程和樣品與試劑間發(fā)生的化學(xué)過程。 分散系數(shù)僅考慮了分散的物理過程，未考慮化學(xué)反應(yīng),分散系數(shù) Dispersion coefficient,19,流動(dòng)注射分析的基本過程 試劑及載流,流動(dòng)注射分析的基本原理 General Principles of FIA,7.2 流動(dòng)注射分析儀的基本組成 Instrumentation of FIA,1.流體驅(qū)動(dòng)單元（蠕動(dòng)泵） 2.進(jìn)樣閥 3.反應(yīng)管道

13、4.檢測(cè)器,20,1. 流體驅(qū)動(dòng)單元（蠕動(dòng)泵） Peristaltic pumps (a) Variable speed peristaltic pump (b) Flow rate (0.0005 to 40 mL/min) controlled by pump speed and tube id (0.25-4 mm,流動(dòng)注射分析儀的基本組成 Instrumentation of FIA,21,2. 進(jìn)樣閥 Injection valve Sample Introduction 進(jìn)樣閥 又稱采樣閥、注入閥或注射閥 用得最多效果最令人滿意的是旋轉(zhuǎn)式六通閥，取樣和注入過程可精確重復(fù),流動(dòng)注射分

14、析儀的基本組成 Instrumentation of FIA,22,流動(dòng)注射分析儀的基本組成 Instrumentation of FIA,進(jìn)樣閥 (a) allows loading of specified volume of analyte 5-200 L 典型10-30 L 用具有適當(dāng)長度、內(nèi)徑的外部環(huán)管計(jì)量 (b) rapid injection of sample plug into flow without disturbing tube flow “塞式”注入進(jìn)樣對(duì)載流流動(dòng)干擾小,23,4. 檢測(cè)器 Detector (a) UV-vis spectrophotometer (

15、b) Luminescence analysis (c) Electrochemical (d) Atomic spectroscopy (AES or AAS,3. 反應(yīng)管道 Reaction pipeline (a) 細(xì)空徑聚乙烯或聚四氟乙烯管(0.1-1 mm id 0.5-0.8 mm) (b) 反應(yīng)盤管 Reactor coil (50 cm long) 增強(qiáng)徑向效應(yīng)減小軸向擴(kuò)散，減弱試樣帶變寬，靈敏度、進(jìn)樣頻率、對(duì)稱峰,流動(dòng)注射分析儀的基本組成 Instrumentation of FIA,特點(diǎn)：小體積流通池，以減少載流量、試劑量、試樣量，提高分析速度。避免死角，減小因殘留液、氣泡

16、滯留影響重現(xiàn)性,24,1. 用于重復(fù)精確的樣品傳送 2. 流動(dòng)注射轉(zhuǎn)換技術(shù) 3. 多相轉(zhuǎn)換技術(shù) 4. 流動(dòng)注射滴定 5. 在線預(yù)富集 6. 停留技術(shù),流動(dòng)注射分析 (FIA) Flow Injection Analysis,7.3 流動(dòng)注射技術(shù)及應(yīng)用 FIA techniques and application,25,1. 用于重復(fù)精確的樣品傳送 嚴(yán)格定時(shí)性，將給定樣品精確準(zhǔn)確傳遞到檢測(cè)器，保證每一測(cè)量循環(huán)過程中條件嚴(yán)格一致 FIA與火焰AAS、AES結(jié)合，樣品的等分試樣被直接吸入火焰或等離子體，改善分離性能，進(jìn)樣速率300/h 在吸入一個(gè)樣品的時(shí)間內(nèi)可分別注入兩份樣品，精度提高且準(zhǔn)確度改善

17、樣品與檢測(cè)器接觸時(shí)間短，檢測(cè)器長時(shí)間用載液清洗，減小或消除由高鹽濃度造成燃燒器堵塞的機(jī)會(huì) 以動(dòng)態(tài)方式操作的很多離子選擇性電極容易獲得快速、重現(xiàn)的讀數(shù),流動(dòng)注射技術(shù)及應(yīng)用FIA techniques and application,26,2. 流動(dòng)注射轉(zhuǎn)換技術(shù) 借助適當(dāng)?shù)臉悠奉A(yù)處理、試劑生成或基體改性，通過動(dòng)力學(xué)控制的化學(xué)反應(yīng)使不能被檢測(cè)的物質(zhì)轉(zhuǎn)化成可被檢測(cè)的成分 對(duì)于氧化還原過程中產(chǎn)生的不穩(wěn)定“瞬態(tài)”試劑，入Ag(II)、Cr(II)、V(II)，在通常分析條件下不能檢測(cè)，但在FIA體系中可提供保護(hù)性環(huán)境，形成并應(yīng)用這些試劑,流動(dòng)注射技術(shù)及應(yīng)用FIA techniques and applic

18、ation,例：流動(dòng)注射分光光度法測(cè)Cl- Hg(SCN)2 + 2Cl- HgCl2 + 2SCN- Fe3+ + SCN- Fe(SCN)2+ （深紅色,27,硫氰酸鹽在人體中半衰期約14d，通過體液（唾液、血液、尿液）分析很容易區(qū)分吸煙者與非吸煙者 反應(yīng)產(chǎn)物生成迅速、摩爾吸光系數(shù)很高，但隨后就褪色，壽命僅10s。在生色最大的那一刻讀數(shù)很重要。570nm 由于5-Br-PADAD與重鉻酸鹽會(huì)逐漸反應(yīng)，背景信號(hào)高。 設(shè)計(jì)分析體系，調(diào)節(jié)樣品停留時(shí)間，精確地在紅色產(chǎn)物與背景信號(hào)差最大時(shí)進(jìn)行有效檢測(cè),流動(dòng)注射轉(zhuǎn)換技術(shù) FIA conversion techniques,28,3. 多相轉(zhuǎn)換技術(shù) 把

19、氣體擴(kuò)散、滲透、溶劑萃取、離子交換、固定化酶等操作與管線步驟結(jié)合，使樣品成分轉(zhuǎn)換成可檢測(cè)的物質(zhì)，提高分析測(cè)定的選擇性。 a. 固定化酶反應(yīng)器 小體積高濃度固定化酶，使底物在樣品稀釋度最小時(shí)充分快速轉(zhuǎn)化、分散系數(shù)小、降低檢測(cè)限 提供選擇性、經(jīng)濟(jì)性、由于固定化而獲得的穩(wěn)定性，保證嚴(yán)格重現(xiàn)性，保持分析周期間固定的轉(zhuǎn)化程度,流動(dòng)注射技術(shù)及應(yīng)用FIA techniques and application,29,b. 滲析和氣體擴(kuò)散 滲析 從相對(duì)分子量高的物質(zhì)（如蛋白質(zhì)）中分離無機(jī)離子如Na+ 、Cl- 或小的有機(jī)分子（如葡萄糖）。小分子、離子較快透過的醋酸纖維素或硝酸纖維素親水膜，大分子不能。在血液或血

20、清中離子、小分子測(cè)定前常需滲透。 氣體擴(kuò)散 氣體通過疏水性微孔膜從給體液流擴(kuò)散到受體液流。如測(cè)水溶液中總碳酸鹽，樣品注入稀硫酸載液，釋放出CO2被導(dǎo)入氣體擴(kuò)散裝置，擴(kuò)散到含酸堿指示劑的受體液流中。用光度法檢測(cè)，信號(hào)與碳酸鹽含量成正比,多相轉(zhuǎn)換技術(shù),30,c. 溶劑萃取 有效的分離富集方法 綠色分析化學(xué)、封閉體系、污染毒害小 d. 離子交換樹脂填充反應(yīng)器 陰離子很少形成有色組分，難于用光度法測(cè)定。在FIA系統(tǒng)中引入OH-型或SCN-型陰離子交換樹脂,多相轉(zhuǎn)換技術(shù),31,Instrumentation can be quite complex. Example: phase mixing,32,4

21、. 流動(dòng)注射滴定 可連續(xù)滴定 將待滴定樣品直接加入含滴定劑的載流中，在混合室混合產(chǎn)生濃度梯度。在分散的試樣帶的頭部和尾部均可存在使待測(cè)物和滴定劑達(dá)到化學(xué)計(jì)量點(diǎn)的流體單元，兩單元分散系數(shù)相同。 兩點(diǎn)間距離隨注入樣品濃度增加而增大，隨載流中滴定劑濃度增大而減小。檢測(cè)信號(hào)半峰寬與被滴定物濃度成正比。 速率60樣/h 所有傳統(tǒng)滴定方法均可在FIA滴定體系中得到體現(xiàn),流動(dòng)注射技術(shù)及應(yīng)用FIA techniques and application,33,5. 在線預(yù)富集 流入檢測(cè)器樣品濃度比注入時(shí)大，分散系數(shù)D1。 大體積試樣注入流路，通過微型填充反應(yīng)器將待測(cè)組分保留在那里，再用少量洗脫劑將反應(yīng)器中的待測(cè)

22、組分洗脫下來并流經(jīng)檢測(cè)器。 優(yōu)點(diǎn)：樣品與標(biāo)準(zhǔn)得到相同處理、用同一離子交換柱，流路的幾何構(gòu)型和化學(xué)反應(yīng)受到嚴(yán)格控制而保持重現(xiàn)，待測(cè)組分被吸附程度不重要，但洗脫必須定量，否則會(huì)發(fā)生樣品交叉污染,流動(dòng)注射技術(shù)及應(yīng)用FIA techniques and application,如：飲用水中痕量Se(IV)或As(III)的測(cè)定 流動(dòng)注射后在線共沉淀預(yù)濃縮，濃縮同時(shí)與基體分離,34,6. 停流技術(shù) 反應(yīng)速度慢，檢測(cè)靈敏度低時(shí)采用的一種梯度技術(shù)。 在試樣帶進(jìn)入流通池的某一時(shí)刻停泵，記錄反應(yīng)混合物在靜態(tài)條件下進(jìn)一步反應(yīng)的參數(shù)（如A），當(dāng)記錄曲線上升到所需高度時(shí)啟動(dòng)蠕動(dòng)泵繼續(xù)測(cè)定。 停泵時(shí)間內(nèi)分散基本不變而反

23、應(yīng)趨于完全。 每次保證泵停止和啟動(dòng)時(shí)間不變，獲得良好再現(xiàn)性。 改變停泵時(shí)間獲得不同F(xiàn)IA停流曲線、不同靈敏度。若停在峰位上，可獲得最高靈敏度,流動(dòng)注射技術(shù)及應(yīng)用FIA techniques and application,35,思考題 1流動(dòng)注射分析與傳統(tǒng)的批量分析方法之間的特征是什么？ 2. 什么是分散系數(shù)D，討論分散系數(shù)的影響因素，對(duì)于給定的FIA體系如何測(cè)定D？ 3. 影響分散系數(shù)的實(shí)驗(yàn)因素有哪些？各是如何影響的？ 4. FIA與AAS結(jié)合會(huì)提供哪些特殊的優(yōu)點(diǎn)？ 5一般的流動(dòng)注射系統(tǒng)由哪幾部分組成,一、試從原理和儀器兩方面比較分子熒光、磷光和化學(xué)發(fā)光分析的異同點(diǎn)。(20分) 二、試分析在

24、毛細(xì)管電泳分析中造成峰展寬的主要因素。(20分) 三、在流動(dòng)注射體系中，什么是分散系數(shù)，討論分散系數(shù)的影響因素，以及對(duì)于給定的流動(dòng)注射體系如何測(cè)定分散系數(shù)。(20分) 四、試述氣液色譜中范第姆特速率方程式中A、B、C三項(xiàng)的物理意義。(20分) 五、根據(jù)英文閱讀材料，舉例說明在液相色譜分析中，正相色譜、反相色譜的兩相組成、出峰順序及應(yīng)用特點(diǎn)。(20分,Two types of partition chromatography are distinguishable based on the relative polarities of the mobile and stationary phas

25、es. Normal-phase chromatography is based on highly polar stationary phases such as triethylene glycol(三乙二醇) or water; a relatively nonpolar solvent such as hexane (正己烷) then served as the mobile phase. In reversed-phase chromatography, the stationary phase is nonpolar, often a hydrocarbon, and the m

26、obile phase is a relatively polar solvent (such as water, methanol 甲醇, acetonitrile 乙腈, or tetrahydrofuran 四氫呋喃). In normal-phase chromatography, the least polar component is eluted first; increasing the polarity of the mobile phase then decrease the elution time. With reversed-phase chromatography,

27、 however, the most polar component elutes first, and increasing the mobile-phase polarity increases the elution time. Bonded-phase packings are classified as reversed phase when the bonded coating is nonpolar in character and as normal phase when the coating contains polar functional groups. It has been estimated that more than three quarters of al