第七章 流動注射分析

第七章流動注射分析ChapterSevenFlowInjectionAnalysis

(FIA)1流動注射分析（FIA）

FlowInjectionAnalysis7.1流動注射分析的基本原理7.2流動注射分析儀的基本組成7.3流動注射技術及應用21974年，RuzickaJ(丹麥分析化學家)HansenEH提出流動注射分析新概念化學分析可在非平衡的動態(tài)條件下進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，不需反應完全可進行在線混合、反應、稀釋或濃縮、檢測，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封閉系統(tǒng)中完成測定，降低環(huán)境污染、減輕對實驗操作人員的毒性流動注射分析

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FlowInjectionAnalysis7.1流動注射分析的基本原理

GeneralPrinciplesofFIA3FeaturesofautomationAdvantagesofAutomation:(1)Economicoperatorcostsreducedwastehumanerrors(2)Speed(3)PrecisionDisadvantagesofAutomation:(1)CostInitialpurchaseSetupcost(2)Inflexible4流動注射分析的基本過程

試劑及載流流動注射分析的基本原理GeneralPrinciplesofFIA

蠕動泵廢液進樣閥反應管道檢測器樣品7.2流動注射分析儀的基本組成

InstrumentationofFIA1.流體驅動單元（蠕動泵）2.進樣閥3.反應管道4.檢測器5傳統(tǒng)溶液化學分析方法的特點手工分析：將被測物與試劑均勻混合，使反應達到化學平衡狀態(tài)依據(jù)化學計量關系及試劑（滴定劑標準溶液）的用量或生成物的量（沉淀的質量、有色物質的濃度等），確定試樣中被測組分的含量。廣泛應用缺點：速度慢、手續(xù)繁雜分析結果與分析人員的技術水平和熟練程度有關不可避免使分析人員長時間接觸化學藥品，健康受到影響流動注射分析

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FlowInjectionAnalysis6流動注射分析的特點FIA：高度重現(xiàn)和靈活多變的微量溶液化學處理和各種檢測手段相結合的半自動微量分析技術測定速度快、溶液用量少、精密度和準確度高、方法靈活多變、應用領域廣闊(環(huán)境分析、地質樣品、農產品、藥物、食品分析)、實用性強已在吸光光度法、熒光光度法、化學發(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)和普遍應用流動注射分析

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FlowInjectionAnalysis71.流動注射分析的基本過程GeneralprocessofFIA

樣品試劑及載流進樣閥反應盤管檢測器例：流動注射分光光度法測Cl-

Hg(SCN)2+2Cl-HgCl2+2SCN-Fe3++SCN-Fe(SCN)2+（深紅色）蠕動泵廢液流動注射分析的基本原理GeneralPrinciplesofFIA

82.試樣帶的分散Dispersionofsamplezone流動注射分析的基本原理GeneralPrinciplesofFIA

樣品被注入到試劑載流后，在載流攜帶下通過管道移動時，發(fā)生展寬或擴散。展寬區(qū)帶的形狀由兩種作用決定：（1）對流作用：由層流產生，使液流中心部分比靠近管壁部分移動得快，形成拋物線形的前沿。（2）擴散作用：徑向擴散+

軸向擴散徑向擴散，從管壁朝向中心與流動方向垂直，流速慢時是樣品帶分散的主要原因，可形成對稱的分析狀態(tài)。使分析物基本脫離管壁，可消除樣品之間的交叉污染。軸向擴散，與流動方向平行，在細管道中一般不重要。9DispersionofsamplezoneAtinjection,samplezone(plug)concentrationprofileisrectangularProfilechangesdownstream(i)Laminarflowprofiledevelopsduetofrictionwithwalls(ii)Radialdiffusionfromwallstocenteroftube(iii)Longitudinaldiffusioninforwardandbackwardflow10Whenflowrate/tubeidissmall，(d)isapproached.Radialdiffusionfromwallstocenterhelpsminimizecross-contaminationbetweensampleplugs.11定時重現(xiàn)濃度單位

mg/mL進樣間隔30s樣品無交叉污染12流動注射分析基本特點-定時重現(xiàn)定時重現(xiàn)在樣品通過分析流路時，以完全相同的方法順序處理所有樣品準確樣品體積的注入、重現(xiàn)和精確的定時進樣以及從注射點到檢測點的完全相同的操作（控制或可控分散），形成注入樣品的濃度梯度，產生瞬間但可精確重現(xiàn)的紀錄信號，使流路中任何一點都能像靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)一樣準確測定。一般用峰值作為分析信號，可獲得較高靈敏度。流動注射分析

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FlowInjectionAnalysis13分散系數(shù)

Dispersioncoefficient

反映原始樣品在流到檢測器的途中被稀釋的程度D=C0/CC0concentrationininjectionvolume

CpeakconcentrationatdetectorCalibrationneededtofindD影響因素Affectingfactors(1)進樣體積Sampleinjectionvolume（50-200mL）(2)反應管道的長度TubelengthD=1+KL(3)反應管道的內徑Tubeid(innerdiameter)(4)流動速率Flowrate流動注射分析的基本原理GeneralPrinciplesofFIA

2.分散系數(shù)Dispersioncoefficient14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）流動速率的影響

載流流速增加會引起對流擴散的增強和留存時間的減少這兩種因素對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小于因留存時間縮短引起的分散度減小值，所以載流速度增加時，分散系數(shù)D減小。分散系數(shù)Dispersioncoefficient15進樣體積的影響Largeinjectionvolume:D=1.0(noanalytedilutionbycarrier)Lowvolume:D>1.0(analytedilution)Shorttubes:lesstimefordiffusion=lowdispersionLongtubes:longtimefordiffusion=highdispersion管長的影響16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、增加進樣頻率，因此應減少進樣體積、縮短管長、提高流速。分散系數(shù)Dispersioncoefficient17分散系數(shù)D的測定注入已知體積的染料溶液到無色的載液中，并用分光光度計連續(xù)檢測分散的染料區(qū)帶的吸光度，測量記錄的峰高（即吸光度），再用未稀釋的染料充滿吸收池時獲得的信號進行比較。若服從Lamber-Beer定律，兩個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峰都是兩種動力學過程同時發(fā)生的結果：區(qū)帶分散的物理過程和樣品與試劑間發(fā)生的化學過程。分散系數(shù)僅考慮了分散的物理過程，未考慮化學反應。分散系數(shù)Dispersioncoefficient18流動注射分析的基本過程

試劑及載流流動注射分析的基本原理GeneralPrinciplesofFIA

蠕動泵廢液進樣閥反應管道檢測器樣品7.2流動注射分析儀的基本組成

InstrumentationofFIA1.流體驅動單元（蠕動泵）2.進樣閥3.反應管道4.檢測器191.流體驅動單元（蠕動泵）Peristalticpumps(a)Variablespeedperistalticpump(b)Flowrate(0.0005to40mL/min)controlledbypumpspeedandtubeid(0.25-4mm)流動注射分析儀的基本組成InstrumentationofFIA滾軸8-10單管路蠕動泵示意圖塑料管或橡膠管載液流向202.進樣閥InjectionvalveSampleIntroduction進樣閥又稱采樣閥、注入閥或注射閥用得最多效果最令人滿意的是旋轉式六通閥，取樣和注入過程可精確重復流動注射分析儀的基本組成InstrumentationofFIA21流動注射分析儀的基本組成InstrumentationofFIA進樣閥

(a)allowsloadingofspecifiedvolumeofanalyte

5-200μL典型10-30μL用具有適當長度、內徑的外部環(huán)管計量(b)rapidinjectionofsampleplugintoflowwithoutdisturbingtubeflow“塞式”注入進樣對載流流動干擾小224.檢測器Detector(a)UV-visspectrophotometer(b)Luminescenceanalysis(c)Electrochemical(d)Atomicspectroscopy(AESorAAS)3.反應管道Reactionpipeline(a)細空徑聚乙烯或聚四氟乙烯管(0.1-1mmid0.5-0.8mm)(b)反應盤管Reactorcoil(<50cmlong)增強徑向效應減小軸向擴散，減弱試樣帶變寬，靈敏度、進樣頻率、對稱峰流動注射分析儀的基本組成InstrumentationofFIA特點：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、氣泡滯留影響重現(xiàn)性。231.用于重復精確的樣品傳送2.流動注射轉換技術3.多相轉換技術4.流動注射滴定5.在線預富集6.停留技術流動注射分析

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FlowInjectionAnalysis7.3流動注射技術及應用

FIAtechniquesandapplication241.用于重復精確的樣品傳送嚴格定時性，將給定樣品精確準確傳遞到檢測器，保證每一測量循環(huán)過程中條件嚴格一致FIA與火焰AAS、AES結合，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，進樣速率300/h在吸入一個樣品的時間內可分別注入兩份樣品，精度提高且準確度改善樣品與檢測器接觸時間短，檢測器長時間用載液清洗，減小或消除由高鹽濃度造成燃燒器堵塞的機會以動態(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)流動注射技術及應用

FIAtechniquesandapplication252.流動注射轉換技術借助適當?shù)臉悠奉A處理、試劑生成或基體改性，通過動力學控制的化學反應使不能被檢測的物質轉化成可被檢測的成分對于氧化還原過程中產生的不穩(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，但在FIA體系中可提供保護性環(huán)境，形成并應用這些試劑。流動注射技術及應用

FIAtechniquesandapplication例：流動注射分光光度法測Cl-

Hg(SCN)2+2Cl-HgCl2+2SCN-Fe3++SCN-Fe(SCN)2+（深紅色）26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產物生成迅速、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與重鉻酸鹽會逐漸反應，背景信號高。設計分析體系，調節(jié)樣品停留時間，精確地在紅色產物與背景信號差最大時進行有效檢測。流動注射轉換技術FIAconversiontechniques例：臨床化學流動注射分光光度法測硫氰酸鹽SCN-

SCN-+5-Br-PADAP+K2Cr2O7紅色產物（亞穩(wěn)態(tài)）2molL-1H+273.多相轉換技術把氣體擴散、滲透、溶劑萃取、離子交換、固定化酶等操作與管線步驟結合，使樣品成分轉換成可檢測的物質，提高分析測定的選擇性。a.固定化酶反應器小體積高濃度固定化酶，使底物在樣品稀釋度最小時充分快速轉化、分散系數(shù)小、降低檢測限提供選擇性、經濟性、由于固定化而獲得的穩(wěn)定性，保證嚴格重現(xiàn)性，保持分析周期間固定的轉化程度流動注射技術及應用

FIAtechniquesandapplication28b.滲析和氣體擴散滲析從相對分子量高的物質（如蛋白質）中分離無機離子如Na+、Cl-或小的有機分子（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。在血液或血清中離子、小分子測定前常需滲透。氣體擴散氣體通過疏水性微孔膜從給體液流擴散到受體液流。如測水溶液中總碳酸鹽，樣品注入稀硫酸載液，釋放出CO2被導入氣體擴散裝置，擴散到含酸堿指示劑的受體液流中。用光度法檢測，信號與碳酸鹽含量成正比。多相轉換技術29c.溶劑萃取有效的分離富集方法綠色分析化學、封閉體系、污染毒害小d.離子交換樹脂填充反應器陰離子很少形成有色組分，難于用光度法測定。在FIA系統(tǒng)中引入OH-型或SCN-型陰離子交換樹脂：多相轉換技術例：流動注射分光光度法測Cl-

RSCN+Cl-RCl+SCN-Fe3++SCN-Fe(SCN)2+（深紅色）或ROH+Cl-RCl+OH-OH-+酸堿指示劑顯色30Instrumentationcanbequitecomplex.Example:phasemixing314.流動注射滴定可連續(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物和滴定劑達到化學計量點的流體單元，兩單元分散系數(shù)相同。兩點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。檢測信號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)流動注射技術及應用

FIAtechniquesandapplication325.在線預富集流入檢測器樣品濃度比注入時大，分散系數(shù)D<1。大體積試樣注入流路，通過微型填充反應器將待測組分保留在那里，再用少量洗脫劑將反應器中的待測組分洗脫下來并流經檢測器。優(yōu)點：樣品與標準得到相同處理、用同一離子交換柱，流路的幾何構型和化學反應受到嚴格控制而保持重現(xiàn)，待測組分被吸附程度不重要，但洗脫必須定量，否則會發(fā)生樣品交叉污染。流動注射技術及應用

FIAtechniquesandapplication如：飲用水中痕量Se(IV)或As(III)的測定流動注射后在線共沉淀預濃縮，濃縮同時與基體分離336.停流技術反應速度慢，檢測靈敏度低時采用的一種梯度技術。在試樣帶進入流通池的某一時刻停泵，記錄反應混合物在靜態(tài)條件下進一步反應的參數(shù)（如A），當記錄曲線上升到所需高度時啟動蠕動泵繼續(xù)測定。停泵時間內分散基本不變而反應趨于完全。每次保證泵停止和啟動時間不變，獲得良好再現(xiàn)性。改變停泵時間獲得不同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。流動注射技術及應用

FIAtechniquesandapplication34

思考題1．流動注射分析與傳統(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，對于給定的FIA體系如何測定D？3.影響分散系數(shù)的實驗因素有哪些？各是如何影響的？4.FIA與AAS結合會提供哪些特殊的優(yōu)點？5．一般的流動注射系統(tǒng)由哪幾部分組成？35一、試從原理和儀器兩方面比較分子熒光、磷光和化學發(fā)光分析的異同點。(20分)二、試分析在毛細管電泳分析中造成峰展寬的主要因素。(20分)三、在流動注射體系中，什么是分散系數(shù)，討論分散系數(shù)的影響因素，以及對于給定的流動注射體系如何測定分散系數(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、出峰順序及應用特點。(20分)36Twotypesofpartitionchromatographyaredistinguishablebasedontherelativepolaritiesofthemobileandstationaryphases.Normal-phasechromatographyisbasedonhighlypolarstationaryphasessuchastriethyleneglycol(三乙二醇)orwater;arelativelynonpolarsolventsuchashexane(正己烷)thenservedasthemobilephase.Inreversed-phasechromatography,thestationaryphaseisnonpolar,oftenahydrocarbon,andthemobilephaseisarelativelypolarsolvent(suchaswater,methanol甲醇,acetonitrile乙腈,ortetrahydrofuran四氫呋喃).Innormal-phasechromatography,theleastpolarcomponentiselutedfirst;increasingthepolarityofthemobilephasethendecreasetheelutiontime.Withreversed-phasechromatography,however,themostpolarcomponentelutesfirst,andincreasingthemobile-phasepolarityincreasestheelutiontime.Bonded-phasepackingsareclassifiedasreversedphasewhenthebondedcoatingisnonpolarincharacterandas