儀器分析課件25.ppt

1、第25章 流動注射分析及微流控技術(shù),25.1.概論 溶液化學(xué)分析（或稱濕法分析）大約已有200多年的歷史，是分析化學(xué)中最基本和最為經(jīng)典的分析方法。 這些分析方法多采用手工操作完成。它費時、費力、分析速度慢，而且分析結(jié)果常常受到操作者主觀因素的影響。 另一方面，在實驗室完成一次分離、分析所需要的分析設(shè)備種類多、體積大、試樣和試劑消耗量很大、難于操作，且不便于進行現(xiàn)場分析。為此，人們嘗試研究并發(fā)展了一系列自動分析方法及裝置。,25.2. 流動注射分析,22.2.1. 超臨界流體和超臨界流體色譜 流動注射分析（Flow Injection Analysis, FIA）是在間歇式分析（Discrete

2、 analysis，也稱自動分析）和連續(xù)流動分析（Continuous flow analysis，CFA）的基礎(chǔ)上，吸收了高效液相色譜的某些特點發(fā)展而來的。 間歇式分析，是通過機械式自動分析裝置模擬手工分析步驟的技術(shù)。 連續(xù)流動分析是將化學(xué)分析所使用的試劑和試樣按一定順序和比例用泵和管道輸送到一定的區(qū)域進行混合，待反應(yīng)完成之后再經(jīng)由檢測器檢測反應(yīng)產(chǎn)物并記錄和顯示分析結(jié)果。,25.2. 流動注射分析,25.2. 流動注射分析,連續(xù)流動分析克服了間歇式自動分析的不足，具有通用性強、分析速度快（30 50樣/h）、易于自動化的優(yōu)點。然而，連續(xù)流動分析技術(shù)也因氣泡的引入而帶來一些缺陷： 1.氣泡的可

3、壓縮性使液流產(chǎn)生脈動并導(dǎo)致液流流動狀態(tài)不穩(wěn)定； 2.氣泡體積不易控制； 3.有氣泡存在時，壓降和流速與管材種類有關(guān)； 4.塑料管道中的氣泡有絕緣作用，易產(chǎn)生靜電積累從而干擾一些傳感器的正常工作； 5.載流運動不易控制，不易瞬間起停。,25.2. 流動注射分析,流動注射分析廢棄了用氣泡間隔樣品的方法，將試樣溶液直接以“試樣塞”的形式注入到管道的試劑載流中，化學(xué)分析可在非平衡的動態(tài)條件下進行。大量實驗研究及應(yīng)用成果表明，F(xiàn)IA具有更多優(yōu)點： 1.操作簡便。 2.重現(xiàn)性好。 3.試劑和試樣消耗量小，環(huán)境友好。 4.分析速度快。 5.適用于物理和物理化學(xué)過程研究。 6.儀器簡單，易于自動化。 7. 應(yīng)

4、用范圍廣。,25.2. 流動注射分析,一般可將FIA過程概括為：將一定體積的試樣液以“塞子”（plug）的形式，間歇地注入到處于密閉的、具有一定組成的流動液體（試劑或水）載流中，試樣塞在被載流推入反應(yīng)管道的過程中，因?qū)α骱蛿U散作用而分散形成具有一定濃度梯度的試樣帶（sample zone）。該試樣帶與載流中的某些組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成可被檢測的物質(zhì)，最后被載流帶入檢測器進行檢測，并由記錄儀連續(xù)記錄響應(yīng)信號隨時間的變化情況。,25.2.1. 流動注射分析基本原理,25.2.1.1. 物理混合過程及分散度 1. 物理混合過程 在FIA中，在試樣以“試樣塞”進入反應(yīng)管道并隨載流向前移動的過程中，試樣塞

5、的分子與載流之間將產(chǎn)生分子擴散和對流擴散作用并導(dǎo)致試樣“帶”變寬，即試樣的分散。在混合過程中，軸向?qū)α骱蛷较蚍肿訑U散兩種作用的競爭決定了輸出峰的形狀。,25.2.1.1. 物理混合過程及分散度,2. 分散度 所謂分散度，是指產(chǎn)生分析讀數(shù)的液流組分在擴散過程發(fā)生前后的濃度比值，即： 3. 影響分散度的因素,25.2.1.2. 化學(xué)動力學(xué)過程,假設(shè)在簡單FIA系統(tǒng)中，試劑（R）與試樣中待測物（A）在管道中經(jīng)混合分散并發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)： 由于試劑（R）與試樣中待測物（A）在管道中的分散混合和化學(xué)反應(yīng)不完全，因此在物理和化學(xué)方面均存在動力學(xué)過程。,在任一時刻t，試樣在管道中的化學(xué)反應(yīng)、反應(yīng)速率、產(chǎn)物形

6、成速率與分散度之間的關(guān)系可用下式描述：,25.2.1.3. 能量轉(zhuǎn)換過程,FIA分析中的能量轉(zhuǎn)換過程是通過FIA儀器中的檢測系統(tǒng)完成的。 檢測系統(tǒng)能將反應(yīng)產(chǎn)物的特性或試樣本身的性質(zhì)轉(zhuǎn)換為可測的電信號，并通過儀器儀表顯示或記錄。 檢測器輸出信號或記錄儀的記錄曲線，實質(zhì)上是對試劑和試樣間的物理混合、化學(xué)動力學(xué)和能量轉(zhuǎn)換三種過程的綜合反映。 FIA系統(tǒng)可與許多能量轉(zhuǎn)換檢測器聯(lián)用達到多種分析目的。,25.2.2. 流動注射分析儀器的組成,25.2.2.1. 蠕動泵 25.2.2.2. 進樣系統(tǒng),25.2.2.3. 反應(yīng)器,反應(yīng)器是被注入的“試樣塞”在載流中分散，并與其中的待測組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成可被檢

7、測的物質(zhì)的場所。 1.開管式反應(yīng)器 包括直管（straight）和盤管（coiled）反應(yīng)器。前者實際上是一段具有一定長度的細管。 2.填充式反應(yīng)器 包括填充層（packed bed）和單珠串（single bead string）反應(yīng)器等。前者是按需要截取的一段填充惰性球狀微粒（玻璃珠）的管子。,25.2.2.4. 檢測系統(tǒng)及響應(yīng)曲線,FIA檢測系統(tǒng)是將經(jīng)過流通池的待測物的某種理化特性轉(zhuǎn)換為可以識別并記錄的信號，其組成與HPLC分析所使用的檢測器類似，主要由流通池（flow-cell）、某些信號轉(zhuǎn)換元件（傳感器）和記錄儀等組成。 原子吸收和發(fā)射光譜儀、熒光光度計、電化學(xué)檢測器、折射儀以及分光

8、光度計等均用于FIA過程的檢測，其中以分光光度計的應(yīng)用最為廣泛。 典型的FIA輸出信號是一個尖形峰。 FIA分析中，待測物隨著試樣帶的移動，可形成中間濃度高、兩端濃度低的梯度曲線，此曲線實質(zhì)上是試樣濃度的分布圖。 雙峰、負峰和不規(guī)則峰的出現(xiàn)可以通過改變實驗條件得以避免。,25.2.3. 流動注射分析的應(yīng)用,25.2.3.1. 低分散度流動注射分析體系 當(dāng)需要迅速測量試樣本身性質(zhì)時采用低分散度。由于不涉及化學(xué)反應(yīng)，因此要求試樣盡可能集中，不經(jīng)稀釋地流過檢測器，即試樣與載流的混合程度應(yīng)盡可能地小。實際工作中，通過增加進樣體積、減小注入點與檢測器響應(yīng)點之間的距離、降低泵速等措施降低試樣的分散度，可獲

9、得較高的分析靈敏度。,25.2.3.2. 中分散度流動注射分析體系,當(dāng)試樣必須與一種或幾種試劑進行化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為另一種可被檢測的化合物時，需采用中度分散的方法（如各種光度法與FIA系統(tǒng)的聯(lián)用）。該FIA分析系統(tǒng)中，試樣帶在管道內(nèi)運行時須與試劑適當(dāng)混合，并有足夠的時間進行反應(yīng)、產(chǎn)生一定量的可以被檢測的化合物。 1.試劑預(yù)混合,25.2.3.2. 中分散度流動注射分析體系,2.FIA分離分析技術(shù),25.2.3.2. 中分散度流動注射分析體系,3. 停流技術(shù)（Stopped-flow） 事實上，當(dāng)流動完全停止時，濃度的分散過程也幾乎完全停止。FIA停流法就是在試樣帶進入檢測器的某一時刻停泵，通過觀測

10、靜態(tài)條件下反應(yīng)混合物進一步反應(yīng)的參數(shù)（如吸光度）隨時間的變化來完成某些分析的技術(shù)。停流法可用于研究反應(yīng)機理、測定反應(yīng)速率以及各種慢反應(yīng)體系的流動注射分析。,25.2.3.2. 中分散度流動注射分析體系,4. 流動注射催化分析 在許多化學(xué)反應(yīng)中，反應(yīng)速率隨催化劑濃度的改變而發(fā)生相應(yīng)的、顯著的變化，通過測定反應(yīng)物的減少速率或產(chǎn)物的生成速率可間接獲得催化劑的濃度?；诖嗽矶⒌臏y定催化劑含量的高靈敏方法稱之為催化分析法。例如水中微量I-的分析可基于I-對以下反應(yīng)的催化作用：,25.2.3.3. 高分散流動注射分析體系,高分散流動注射分析常用于滴定分析。,25.3. 微流控分析,人們沿用微電子工業(yè)

11、中加工集成電路的思路，通過微機電加工技術(shù)（Micro electro-mechanical systems, MEMS），在方寸大小的玻璃、硅、石英和高聚物等材料薄片上，加工出具有一定結(jié)構(gòu)的微細通道網(wǎng)絡(luò)及其他相關(guān)分析器件，形成集成化的微流控芯片（microfluidic chip），通過控制試樣溶液和試劑溶液在芯片通道網(wǎng)絡(luò)中的有序流動，完成取樣、稀釋（濃縮）、反應(yīng)、分離、檢測等化學(xué)分析的基本操作。,25.3. 微流控分析,一般來說，微流控分析系統(tǒng)具有以下分析特點： 1. 分析速度極快。 2.試樣與試劑消耗在nL L水平。 3.通過MEMS技術(shù)，不僅可以在芯片上制作微細通道網(wǎng)絡(luò)，而且還可以在芯片

12、上加工制作諸如微閥、微泵、微電極和微透鏡等微分析器件，形成高度集成化的微流控芯片。 4.微流控芯片的微小尺寸使材料消耗甚微。 微流控分析系統(tǒng)的最終目標是通過化學(xué)分析設(shè)備的微型化與集成化，最大限度地把分析實驗室的功能（如取樣、試樣預(yù)處理、反應(yīng)、分離、檢測、數(shù)據(jù)處理等）轉(zhuǎn)移到以微流控分析芯片為核心的便攜式分析儀器中。,25.3.2. 微流控分析系統(tǒng)的液流驅(qū)動和控制,25.3.2. 微流控分析系統(tǒng)的液流驅(qū)動和控制,25.3.3. 微混合、反應(yīng)和分離系統(tǒng),微流控分析系統(tǒng)中，待測物質(zhì)（或其衍生物）進入檢測器前所需的混合、反應(yīng)、分離等過程是在芯片的通道網(wǎng)絡(luò)中完成的。,25.3.4. 微流控分析系統(tǒng)的檢測器

13、,雖然常規(guī)流動分析中所用到檢測器原則上都可以用于微流控分析，但微流控分析本身的特殊性對檢測器提出了一些特殊的要求，例如，(1).高的靈敏度和信噪比。(2).響應(yīng)速度快。(3).體積小，易集成化。 完全滿足以上要求的檢測器并不多。目前在微流控分析中應(yīng)用得最多的是激光誘導(dǎo)熒光檢測器，其次是電化學(xué)檢測器。,25.3.4. 微流控分析系統(tǒng)的檢測器,1. 激光誘導(dǎo)熒光檢測 由于激光可發(fā)出高強度的相干光，能聚焦成很小的光斑，因此，在微流控分析中，大多采用激光做光源的激光誘導(dǎo)熒光（Laser induced fluorescence, LIF）檢測，其檢測下限一般可達到10-910-12 mol.L-1。,25.3.4. 微流控分析系統(tǒng)的檢測器,2. 電化學(xué)檢測器 電化學(xué)檢測是一類常用的分析測試方法。不論何種電化學(xué)檢測法都采用電極作為傳感器，直接將溶液中待測組分的