第七章 流動(dòng)注射分析

第七章流動(dòng)注射分析ChapterSevenFlowInjectionAnalysis

(FIA)1流動(dòng)注射分析（FIA）

FlowInjectionAnalysis7.1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21974年，RuzickaJ(丹麥分析化學(xué)家)HansenEH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)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

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FlowInjectionAnalysis7.1流動(dòng)注射分析的基本原理

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

試劑及載流流動(dòng)注射分析的基本原理GeneralPrinciplesofFIA

蠕動(dòng)泵廢液進(jìn)樣閥反應(yīng)管道檢測(cè)器樣品7.2流動(dòng)注射分析儀的基本組成

InstrumentationofFIA1.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5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)不可避免使分析人員長(zhǎng)時(shí)間接觸化學(xué)藥品，健康受到影響流動(dòng)注射分析

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FlowInjectionAnalysis6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

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FlowInjectionAnalysis71.流動(dòng)注射分析的基本過(guò)程GeneralprocessofFIA

樣品試劑及載流進(jìn)樣閥反應(yīng)盤(pán)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GeneralPrinciplesofFIA

82.試樣帶的分散Dispersionofsamplezone流動(dòng)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(guò)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：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。9DispersionofsamplezoneAtinjection,samplezone(plug)concentrationprofileisrectangularProfilechangesdownstream(i)Laminarflowprofiledevelopsduetofrictionwithwalls(ii)Radialdiffusionfromwallstocenteroftube(iii)Longitudinaldiffusioninforwardandbackwardflow10Whenflowrate/tubeidissmall，(d)isapproached.Radialdiffusionfromwallstocenterhelpsminimizecross-contaminationbetweensampleplugs.11定時(shí)重現(xiàn)濃度單位

mg/mL進(jìn)樣間隔30s樣品無(wú)交叉污染12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(guò)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

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FlowInjectionAnalysis13分散系數(shù)

Dispersioncoefficient

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

CpeakconcentrationatdetectorCalibrationneededtofindD影響因素Affectingfactors(1)進(jìn)樣體積Sampleinjectionvolume（50-200mL）(2)反應(yīng)管道的長(zhǎng)度TubelengthD=1+KL(3)反應(yīng)管道的內(nèi)徑Tubeid(innerdiameter)(4)流動(dòng)速率Flowrate流動(dòng)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(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)Dispersioncoefficient15進(jìn)樣體積的影響Largeinjectionvolume:D=1.0(noanalytedilutionbycarrier)Lowvolume:D>1.0(analytedilution)Shorttubes:lesstimefordiffusion=lowdispersionLongtubes:longtimefordiffusion=highdispersion管長(zhǎng)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(jìn)樣頻率，因此應(yīng)減少進(jìn)樣體積、縮短管長(zhǎng)、提高流速。分散系數(shù)Dispersioncoefficient17分散系數(shù)D的測(cè)定注入已知體積的染料溶液到無(wú)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(guò)程同時(shí)發(fā)生的結(jié)果：區(qū)帶分散的物理過(guò)程和樣品與試劑間發(fā)生的化學(xué)過(guò)程。分散系數(shù)僅考慮了分散的物理過(guò)程，未考慮化學(xué)反應(yīng)。分散系數(shù)Dispersioncoefficient18流動(dòng)注射分析的基本過(guò)程

試劑及載流流動(dòng)注射分析的基本原理GeneralPrinciplesofFIA

蠕動(dòng)泵廢液進(jìn)樣閥反應(yīng)管道檢測(cè)器樣品7.2流動(dòng)注射分析儀的基本組成

InstrumentationofFIA1.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191.流體驅(qū)動(dòng)單元（蠕動(dòng)泵）Peristalticpumps(a)Variablespeedperistalticpump(b)Flowrate(0.0005to40mL/min)controlledbypumpspeedandtubeid(0.25-4mm)流動(dòng)注射分析儀的基本組成InstrumentationofFIA滾軸8-10單管路蠕動(dòng)泵示意圖塑料管或橡膠管載液流向202.進(jìn)樣閥InjectionvalveSampleIntroduction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(guò)程可精確重復(fù)流動(dòng)注射分析儀的基本組成InstrumentationofFIA21流動(dòng)注射分析儀的基本組成InstrumentationofFIA進(jìn)樣閥

(a)allowsloadingofspecifiedvolumeofanalyte

5-200μL典型10-30μL用具有適當(dāng)長(zhǎng)度、內(nèi)徑的外部環(huán)管計(jì)量(b)rapidinjectionofsampleplugintoflowwithoutdisturbingtubeflow“塞式”注入進(jìn)樣對(duì)載流流動(dòng)干擾小224.檢測(cè)器Detector(a)UV-visspectrophotometer(b)Luminescenceanalysis(c)Electrochemical(d)Atomicspectroscopy(AESorAAS)3.反應(yīng)管道Reactionpipeline(a)細(xì)空徑聚乙烯或聚四氟乙烯管(0.1-1mmid0.5-0.8mm)(b)反應(yīng)盤(pán)管Reactorcoil(<50cmlong)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InstrumentationofFIA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、氣泡滯留影響重現(xiàn)性。231.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

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FlowInjectionAnalysis7.3流動(dòng)注射技術(shù)及應(yīng)用

FIAtechniquesandapplication241.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(guò)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)確度改善樣品與檢測(cè)器接觸時(shí)間短，檢測(cè)器長(zhǎng)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

FIAtechniquesandapplication252.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(guò)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(guò)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

FIAtechniquesandapplication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）26硫氰酸鹽在人體中半衰期約14d，通過(guò)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)FIAconversiontechniques例：臨床化學(xué)流動(dòng)注射分光光度法測(cè)硫氰酸鹽SCN-

SCN-+5-Br-PADAP+K2Cr2O7紅色產(chǎn)物（亞穩(wěn)態(tài)）2molL-1H+273.多相轉(zhuǎn)換技術(shù)把氣體擴(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

FIAtechniquesandapplication28b.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(wú)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(guò)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(cè)定前常需滲透。氣體擴(kuò)散氣體通過(guò)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)29c.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(shù)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(shù)脂：多相轉(zhuǎn)換技術(shù)例：流動(dòng)注射分光光度法測(cè)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(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

FIAtechniquesandapplication325.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)D<1。大體積試樣注入流路，通過(guò)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)組分洗脫下來(lái)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

FIAtechniquesandapplication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336.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

FIAtechniquesandapplication34

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？35一、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(shuō)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)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