儀器分析：第十三章 流動注射分析法及微流控分析芯片 流動注射分析法

*第十三章

流動注射分析法及微流控分析芯片13.1.1

概述13.1.2

FIA的基本原理13.1.3FIA儀器裝置

13.1.4FIA應(yīng)用技術(shù)簡介

第一節(jié)流動注射分析法FlowinjectionanalysisandMicrofluidicanalysischipsFlowinjectionanalysis,FIA13.1.1概述

如何取代分析過程中大量的手工操作?如取樣、加試劑、混合、反應(yīng)、稀釋、定容、測定等。制約自動化和工作效率的因素。

在典型的光度分析過程中必須進(jìn)行的手工操作與自動操作的對比（a）手工操作；（b）不連續(xù)的傳送帶式分析器；（c）連續(xù)的空氣分隔分析器發(fā)展過程：

1975年丹麥分析化學(xué)家Ruzika和Hansen提出了一種流動注射分析（flowinjectionanalysis，F(xiàn)IA）技術(shù)。流動注射分析(FLA)定義：技術(shù)上創(chuàng)新性：連續(xù)流動注射的分析過程理論上創(chuàng)新性：顛覆了傳統(tǒng)觀念

傳統(tǒng)：極力追求平衡的實現(xiàn)。過程不確定

FLA：突出了非平衡態(tài)理念。過程高度重復(fù)定義：在熱力學(xué)非平衡條件下將待測物區(qū)帶（或其反應(yīng)產(chǎn)物）連續(xù)重現(xiàn)地引入檢測系統(tǒng)的流動分析方法。特點：①廣泛的適應(yīng)性?？膳c多種檢測手段結(jié)合，如光度檢測，電化學(xué)檢測等。②高效。一般分析速度可達(dá)100~200樣·h-1。③低耗。微量分析技術(shù)，每次消耗試樣體積為10~100μL，比手工操作節(jié)省試樣和試劑90%以上。④高精度。光度法，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）<2%。⑤設(shè)備簡單，操作方便。

FIA只有與某一檢測技術(shù)結(jié)合才能形成一個完整的分析體系，如此也使它有了極廣泛的適應(yīng)性和發(fā)展空間。

FIA的作用①連續(xù)分析的工具。②微型化和集成化的工具。③提高檢測器性能的工具。④連接化學(xué)與儀器的鏈索。⑤連續(xù)監(jiān)測與過程控制的工具。⑥脈沖響應(yīng)技術(shù)。FIA與其他分析技術(shù)的區(qū)別：三要素（1）試樣的注入；（2）高度重現(xiàn)的時間控制；（3）受控制的分散。

13.1.2FIA基本原理一、過程（1）不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的過程

有色試樣混合、稀釋與檢測過程留存時間t：進(jìn)樣后，在管路中經(jīng)過的時間。固定條件下，確定值，具有高度重現(xiàn)性。峰高h(yuǎn)：與試樣濃度成正比，定量依據(jù)。

（2）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的過程例：2Cl-(試樣)+Hg(SCN)2

(試劑)

→HgCl2+2SCN-

SCN-+Fe3+→[Fe(SCN)]2+(紅色)←光度檢測試劑流：Hg(SCN)2

+Fe3+檢測信號與進(jìn)樣量呈線性關(guān)系，并具有高的重現(xiàn)性。

可設(shè)計實現(xiàn)復(fù)雜分析過程。二、試樣區(qū)帶的分散過程

以“塞”的形式注入，在對流和擴(kuò)散的雙重作用下，試樣在流出管路時呈峰形分布。

管道孔徑通常在0.5~1mm。形成拋物線形的拋面。同時存在著試樣沿管子徑向和縱向的擴(kuò)散，縱向擴(kuò)散是造成試樣帶分散的主要因素。分散系數(shù)（dispersioncoefficient）試樣在載流中的分散程度：c0：試樣初始濃度；cmax

：峰最大處的濃度。通常D>1。D越大，分散、稀釋的越嚴(yán)重，峰變得寬、低。D=2：試樣在流動過程中被載液1∶1稀釋。

低分散：1<D<2；（試樣的引入和傳輸）

中分散：

2<D<10

；高分散：D>10。（保證一定程度的混合與反應(yīng)）

根據(jù)需要控制分散度：如何控制？影響因素？三、影響分散過程的因素

1.進(jìn)樣體積（V）的影響

k

：與流路等實驗條件有關(guān)的常數(shù)。當(dāng)進(jìn)樣體積增大到某一值后，D≈1。引入V1/2：表征分散能力的重要指標(biāo)。V

1/2：表征分散能力的重要指標(biāo)定義：cmax=c0/2，D=2時的進(jìn)樣體積。(1)V樣<V

1/2時，V樣∝峰高（線性）;進(jìn)樣量↑，峰高↑，靈敏度↑。(2)V樣

>V

1/2時，進(jìn)樣量↑，靈敏度↑有限，而峰寬及留存時間的增加卻使得進(jìn)樣頻率成倍降低，工作效率↓↓。

(3)當(dāng)試樣濃度較高時，進(jìn)樣體積宜V樣<V?。(4)對于低濃度試樣，V樣≈2V

?。(5)通常的進(jìn)樣體積:50~200μL。

2.反應(yīng)管長度和內(nèi)徑的影響管長度↑，留存時間↑，分散↑，峰低而寬。管徑↓，雖可有效減小分散，但反應(yīng)管太細(xì)，阻力↑↑，易堵塞。內(nèi)徑一般在0.3~1mm之間。分散系數(shù)D與反應(yīng)管長度L間的經(jīng)驗式：

D=1+KLL，單位m；K常數(shù)（0.2~3）。

混合反應(yīng)體系試樣C+試劑R→產(chǎn)物P反應(yīng)管(L)↑，D↑，靈敏度↓

，P的產(chǎn)率↑

，有利于檢測，作用效果如圖中曲線A，最佳點。

當(dāng)反應(yīng)速率較慢，在所采用的管長內(nèi)達(dá)不到最佳點時，如何處理？停流的操作更為有效。

3.載流流速的影響

有人通過實驗發(fā)現(xiàn)，一定的實驗條件下，在相當(dāng)大的范圍內(nèi)（0.6~14.8mL）內(nèi)改變流速，并采用不同的進(jìn)樣體積，流速對分散系數(shù)基本無影響。

為什么？13.1.3FIA儀器裝置特點：簡單，自由組裝

與檢測裝置聯(lián)合；與其他分析儀器聯(lián)用，試樣前處理裝置，F(xiàn)I-AES，

FI-AAS。為完成某一分析目的，可利用基本部件可組建成各種裝置。單流路、雙流路及三流路等。

1.載液驅(qū)動系統(tǒng)

蠕動泵：驅(qū)動液體流動。

壓蓋與滾輪之間放置一條或多條有彈性膠管。膠管在滾柱的壓迫下被分割成一段段，隨著轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)動和滾柱的滾動而連續(xù)擠壓膠管中的溶液，膠管不斷地受壓和舒張，驅(qū)動載液的連續(xù)流動。

設(shè)備簡單，可放置多條膠管驅(qū)動多路溶液，可通過調(diào)整膠管的粗細(xì)的方法方便地改變流量。缺點：明顯的脈沖，乳膠管在使用有機(jī)溶劑作為載流時受到一定限制。2進(jìn)樣系統(tǒng)六通閥常壓狀態(tài)，簡單，密封性要求不高，四氟乙烯制作閥芯，價格較低。

多通道閥滿足多種目的,自由連接多個通道。3.混合反應(yīng)系統(tǒng)

反應(yīng)器或反應(yīng)管。試樣與載液中的試劑混合、稀釋分散及發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的場所。無化學(xué)反應(yīng)發(fā)生時，僅起混合、稀釋分散的作用。直管式、盤管式或編結(jié)式內(nèi)徑0.5~1mm的細(xì)乳膠管，長度可根據(jù)需要調(diào)整。4.檢測記錄系統(tǒng)

光檢測裝置：可見-紫外分光檢測、熒光檢測器、化學(xué)發(fā)光檢測器。

電化學(xué)檢