流動(dòng)注射分析及編結(jié)反應(yīng)器的使用

1、流動(dòng)注射分析及編結(jié)反應(yīng)器的使用MG0402038 金焰I. 流動(dòng)注射分析自從丹麥技術(shù)大學(xué)的分析化學(xué)家Ruzicka和Hansen于1975年提出流動(dòng)注射分析(FIA)以來，F(xiàn)IA就迅速發(fā)展起來,這一具有全新理念的自動(dòng)分析技術(shù)的特點(diǎn)1是:適應(yīng)性廣泛，分析效率高，試樣和試劑消耗量少，檢測(cè)精度高，設(shè)備簡(jiǎn)單，F(xiàn)IA產(chǎn)品價(jià)格低廉。因此它已被廣泛應(yīng)用于很多分析領(lǐng)域。目前，應(yīng)用的主要領(lǐng)域4有：水質(zhì)檢測(cè)、土壤樣品分析、農(nóng)業(yè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)、科研與教學(xué)、發(fā)酵過程監(jiān)測(cè)、藥物研究、禁藥檢測(cè)、血液分析、食品和飲料、分光光度分析、火焰光度分析、質(zhì)譜分析、原子光譜分析、熒光分析、生物化學(xué)分析等等。 流動(dòng)注射的基本流路系統(tǒng)一般包

2、括4: 載液驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、注入閥或進(jìn)樣器、微型反應(yīng)器、流通式檢測(cè)器(折光計(jì)、比色計(jì)、紫外/可見分光光度計(jì)、離子選擇電極、原子吸光光度計(jì)、熒光計(jì)等)、信號(hào)記錄裝置。其中蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)載液以恒定流速流過細(xì)微的管路; 注入閥將一定體積的樣品溶液重現(xiàn)地注入載液中; 微型反應(yīng)器則使注入的樣品帶在其中適當(dāng)?shù)胤稚? 并與載液(或試劑)中某些組分進(jìn)行反應(yīng),生成能使檢測(cè)器產(chǎn)生適量響應(yīng)值的產(chǎn)物; 檢測(cè)器和信號(hào)記錄裝置測(cè)量和記錄響應(yīng)值數(shù)據(jù)。圖1-1是FIA的基本流路圖：C載液 R試劑 P蠕動(dòng)泵 S試樣 RC反應(yīng)器 D檢測(cè)器 W廢液圖1-1系統(tǒng)基本流路圖反應(yīng)器中的反應(yīng)可以是不完全反應(yīng),只要其中的分散和反應(yīng)可以高度重現(xiàn)就可以,

3、而流動(dòng)注射體系恰好能滿足重現(xiàn)性良好的要求。并且FIA能控制試樣的分散, 從而能有效控制樣品的稀釋度, 進(jìn)而縮短反應(yīng)時(shí)間, 提高檢測(cè)效率, 所以FIA已成為在線檢測(cè)的理想工具。試樣和試劑的分散是整個(gè)流動(dòng)注射分析體系的關(guān)鍵問題。而因此用分散系數(shù)D來描述，D的定義是：決定分析讀數(shù)的流體微元組分在擴(kuò)散過程發(fā)生前的濃度(C0)與發(fā)生后(C max)的濃度的比值, 即D=C0/C max。流動(dòng)注射體系中的分散過程是許多不同因素(包括流速、管道長(zhǎng)度、管徑、試樣體積與檢測(cè)方式等)的復(fù)雜函數(shù)。主要影響4有：試樣的進(jìn)樣體積越大, D越小。反應(yīng)器管長(zhǎng)度越大,越大。管路集合形狀越復(fù)雜,試樣在其中流動(dòng)方向改變?cè)蕉? D

4、越大。如: 直管反應(yīng)器的最小,盤管與編織管反應(yīng)器的D較大。流速對(duì)D的影響與反應(yīng)器的管徑大小有關(guān),關(guān)系較為復(fù)雜。而隨著科學(xué)的發(fā)展，F(xiàn)IA開始向多組分的同時(shí)測(cè)定方向發(fā)展：并且新技術(shù)不斷被引入，而其儀器則向超小型化方向發(fā)展。目前國(guó)外FIA儀器已有4代，它們分別是：1代 流動(dòng)注射(FI)它由一臺(tái)高性能的多通道蠕動(dòng)泵、一個(gè)注入閥、一個(gè)反應(yīng)管和一臺(tái)檢測(cè)器(如帶流通池的分光光度計(jì))組成,其基本流路與圖1-1所示流路相同。多通道蠕動(dòng)泵以恒定流速驅(qū)動(dòng)載液。帶定量環(huán)的注入閥可每次向流路中入精確體積的試樣。2代 順序注射(SI)順序注射分析系統(tǒng)(圖1-2)包括一臺(tái)單通道高精度的雙向泵(如帶三通閥的注射泵)、一個(gè)儲(chǔ)存

5、管、一個(gè)多通道選擇閥和一臺(tái)檢測(cè)器。系統(tǒng)的核心部件是一個(gè)多通道選擇閥,此閥的各個(gè)通道位置分別與檢測(cè)器、樣品、試劑等通道相連,公共通道與一個(gè)可以抽吸和推動(dòng)液體的注射泵相通,通過泵的作用,順序從不同的通道吸入一定體積的區(qū)帶到泵與閥之間的儲(chǔ)存管中,然后將這些溶液區(qū)帶推至檢測(cè)器,在這一過程中樣品和試劑的區(qū)帶之間在管道中由于徑向和軸向的分散作用而互相滲透引起試劑與樣品帶的重疊和混合,試劑與樣品發(fā)生化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)致反應(yīng)產(chǎn)物的形成。多通道選擇閥內(nèi)部有細(xì)微管道,管道的一端始終與閥中央的公共通道相聯(lián),另一端則可以在人為控制或計(jì)算機(jī)控制下切換到別的通道口,使公共通道與其互通,從而使注射泵能依次完成吸入試樣、試劑及推送

6、液體到檢測(cè)器等動(dòng)作。在檢測(cè)器中可以得到與正常流動(dòng)注射分析中類似的峰型信號(hào)。本次實(shí)驗(yàn)則使用了該系統(tǒng)來進(jìn)行分析。1注射泵 2載液 3儲(chǔ)存管 4試樣 5蠕動(dòng)泵 R1,R2,R3試劑1、2、3 D檢測(cè)器 W廢液圖1-2 3代 微珠注射(BI)微珠注射10通常用于生物化學(xué)研究,與順序注射的操作方式相同,流路組成也基本相同(圖1-3), 同樣有多通道選擇閥,只是用微珠作為試劑的載體,微珠可再生。1注射泵 2載液 3儲(chǔ)存管 4試樣 5蠕動(dòng)泵6懸浮微珠 7JR流通池 D檢測(cè)器 D廢液圖1-34代 閥上實(shí)驗(yàn)室閥上實(shí)驗(yàn)室11系統(tǒng)（如圖1-4）是微型化設(shè)計(jì)的順序注射系統(tǒng)(所有的部件都集成在一個(gè)整體閥上),它是目前集

7、成程度和自動(dòng)化程度最高的流動(dòng)注射分析系統(tǒng)。這種精密制作的儀器將試樣的注入口、反應(yīng)通道及多功能流通池以特別設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)集成在多通道選擇閥上,選擇閥各端口在閥內(nèi)部用微通道互相連接,可以在計(jì)算機(jī)控制下正向流動(dòng)/逆向流動(dòng)/停流,從而進(jìn)行樣品的稀釋、試劑的添加、混和、培養(yǎng)和反應(yīng)速率的測(cè)定。1 注射泵 2載液 3儲(chǔ)存管 4試樣 5蠕動(dòng)泵 6多功能流通池 7、8檢測(cè)器光源通過光纖射入和射出 W廢液圖1-4 II編結(jié)反應(yīng)器(knotted reactor)在流動(dòng)注射中的應(yīng)用 流動(dòng)注射體系的核心組成部分是反應(yīng)器部分。由前文的介紹，我們可以根據(jù)流動(dòng)注射原理選擇反應(yīng)混合器。i KR的特性和優(yōu)點(diǎn) 根據(jù)方肇倫的流動(dòng)注射分

8、析一書 1所指出的：混合反應(yīng)器的主要功能是實(shí)現(xiàn)經(jīng)三通匯合的兩個(gè)或多個(gè)液體的重現(xiàn)徑向混合以及混合液中化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生最常用的混合反應(yīng)器由一些能盤繞,打結(jié)或編織的聚四氟乙烯管或塑料管組成采用這種幾何形狀的目的在于通過改變流動(dòng)的方向在徑向上產(chǎn)生二次流(secondary flow)，促進(jìn)徑向混合，減少試樣的軸向分散由此，簡(jiǎn)單并且易于制造的編結(jié)反應(yīng)器(knotted reactor)便表現(xiàn)其出色的優(yōu)越性，這類反應(yīng)器(見圖1-2)最早由Engelhardt和Neue在HPLC應(yīng)用中提出的，也稱其為三維轉(zhuǎn)向反應(yīng)器（簡(jiǎn)稱3D反應(yīng)器）這是因?yàn)樵谝话愕姆磻?yīng)盤管中液體流動(dòng)方向的變化主要在二維面上，而在編結(jié)式反應(yīng)器中

9、流動(dòng)方向是在三維基礎(chǔ)上變化這樣反應(yīng)器便能有較強(qiáng)的限制軸向分散的功能，不僅可以被用于混合管道，而且還可以用來作為傳輸管道和采樣環(huán)。除此以外，還可以用于在線沉淀的收集，以及水溶性金屬有機(jī)配合物的收集。編結(jié)反應(yīng)器(knotted reactor)的優(yōu)點(diǎn)在于以下幾點(diǎn)：(1) 高收集容量適于產(chǎn)生沉淀量較大的反應(yīng)，即共沉淀。(2) 低背壓由于在開口管道中操作，即使沉淀量較大時(shí)仍可在較高流速下工作而不產(chǎn)生過高背壓。(3) 低分散對(duì)軸向分散的限制有利于提高濃集倍率及測(cè)定靈敏度。(4) 價(jià)廉并易于自制只要利用較便宜聚四氟乙烯(PTPE)編織即可。(5) 全惰性收集環(huán)境，采用聚四氟乙烯(PTPE)作為材料，它化學(xué)

10、性質(zhì)穩(wěn)定。此外，在痕量分析中無不銹鋼過濾器的污染危險(xiǎn)。(6) 長(zhǎng)使用壽命。壽命幾乎是無限的，可以多次反復(fù)使用。ii KR與FAAS的聯(lián)用正因?yàn)榫幗Y(jié)反應(yīng)器(KR)有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，所以它用途廣泛，特別是與原子光譜聯(lián)用時(shí)。在流動(dòng)注射在線KR吸附預(yù)富集分離FAAS聯(lián)用技術(shù)中，操作程序基本上分為兩步：第一步為分析物與配位劑在線形成中性配合物，并吸附在KR內(nèi)壁；第二步為被吸附在KR內(nèi)壁上的分析物的洗脫及FAAS在線檢測(cè)。1994年方肇倫等首先提出以KR為吸附介質(zhì)的FI預(yù)富集分離與FAAS在線聯(lián)用技術(shù)，并將其應(yīng)用于人發(fā)和大米中痕量Cd17的測(cè)定以及水樣和大米中Cu18的測(cè)定。最近Orsi RF等19測(cè)定蜂

11、蜜中總Cd含量，Cd以Cd(5-Br-PADAP) (2-(5-溴代2吡啶)5二乙基替胺基苯酚) 配合物形式為KR保留，乙醇洗脫，總富集因子140，檢出限0.5ng/g。嚴(yán)秀平等20利用流動(dòng)注射在線置換/吸附富集分離FAAS測(cè)定復(fù)雜基體中痕量銅，方法基于在線形成Pb-DDTC (二乙基二硫代氨基甲酸鹽)，先吸附到KR內(nèi)壁，Cu()置換出Pb，乙醇洗脫后FAAS檢測(cè)，富集因子155, 檢出限0.38mg/L。因?yàn)橄惹暗木幗Y(jié)反應(yīng)器是在一段時(shí)間內(nèi)連續(xù)進(jìn)樣富集，所以保留效率相對(duì)來說不高（一般40-50%），盡管可通過增加富集時(shí)間和采樣速度提高靈敏度，但受到信號(hào)強(qiáng)度與富集時(shí)間之間線性范圍窄的限制。KR在

12、線沉淀富集FI-FAAS聯(lián)用也有一些報(bào)道，嚴(yán)秀平等利用流動(dòng)注射在線沉淀富集FAAS 法測(cè)定米中痕量Cd21和水中痕量Pb22，樣品與氨水在線形成沉淀，不需過濾， HNO3溶解沉淀后FAAS檢測(cè)。Liu JS等23以DDTC-Ni()為載體，流動(dòng)注射在線共沉淀耦合FAAS測(cè)定環(huán)境和生物樣品中痕量Cu, Pb, Cd, Fe。金屬離子在0.3mol/L硝酸溶液中與DDTC-Ni()在線共沉淀，KR收集，經(jīng)IBMK溶解后檢測(cè)。iii KR與ETAAS聯(lián)用將流動(dòng)注射預(yù)富集分離與ETAAS在線聯(lián)用是解決復(fù)雜樣品中超痕量元素測(cè)定的很有前途的方法。然而，石墨管對(duì)樣品容量的限制性(<50mL)和石墨爐的

13、“非流動(dòng)性”是將FI預(yù)富集分離與ETAAS在線聯(lián)用的主要障礙所在。嚴(yán)秀平等24-29提出一套FI流路及操作程序，實(shí)現(xiàn)了FI在線吸附預(yù)富集分離與ETAAS的聯(lián)用。Burguera JL等30報(bào)道微波輔助樣品消化流動(dòng)注射ETAAS測(cè)定人血漿和全血中痕量或超痕量鉬。樣品與亞鐵氰化鉀在線共沉淀經(jīng)0.5mol/L HNO3攜帶吸附到KR內(nèi)壁，NaOH溶解沉淀。嚴(yán)秀平等31利用流動(dòng)注射編結(jié)反應(yīng)器置換吸附富集測(cè)定環(huán)境和食物樣品中痕量汞，在線形成的Cu-PDC配合物先吸附到KR內(nèi)壁，通過Hg與Cu-PDC的反應(yīng)在線置換，將Hg()選擇性地保留到KR內(nèi)壁，用50mL乙醇洗脫后ETAAS檢測(cè)，共存重金屬離子因其A

14、PDC配合物較Cu-PDC更不穩(wěn)定而不干擾測(cè)定。Anthemidis AN等32使用PTFE切屑作為吸附材料，測(cè)定天然水和生物樣品中超痕量鈷，樣品與APDC在線混和形成配合物，在pH 5.5-7.0范圍保留到疏水性PTFE切屑上，35mL IBMK洗脫。Hansen EH等33將PTFE珠粒填充到微柱作為吸附材料測(cè)定水樣中Cr()，填充柱反應(yīng)器在檢出限、富集因子和保留效率上均優(yōu)于KR。在此基礎(chǔ)上，該小組建立填充反應(yīng)器順序注射分析（sequential injection analysis）ETAAS檢測(cè)痕量鎘34。在負(fù)電荷的鈷-亞硝基-R鹽配合物和四丁基銨對(duì)離子間形成的離子對(duì)可吸附到KR內(nèi)壁，

15、據(jù)此Benkhedda K等29測(cè)定生物物質(zhì)和天然水樣中痕量鈷。 由此可見：應(yīng)用編結(jié)反應(yīng)器和的流動(dòng)注射體系和原子光譜聯(lián)用具有很大的應(yīng)用和研究?jī)r(jià)值。參考文獻(xiàn)1 方肇倫等，流動(dòng)注射分析，北京：科學(xué)出版社，19992 J.茹奇卡，E.H.漢森，流動(dòng)注射分析（方肇倫，徐淑昆等譯），北京：科學(xué)出版社，19863 方惠群，于俊生，史堅(jiān)，儀器分析，北京：科學(xué)出版社，20024 任杰，宋海華，流動(dòng)注射分析原理和進(jìn)展，天津化工，2003，17（2）：22-255 鄭曉紅，流動(dòng)注射分析技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，儀器儀表和分析監(jiān)測(cè)，2002年第一期：1-56 王少為，人體必需微量元素硒，廣州微量元素科學(xué)，1999，6（6）：

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