流动注射分析及编结反应器的使用

1、流动注射分析及编结反应器的使用MG0402038 金焰I. 流动注射分析自从丹麦技术大学的分析化学家Ruzicka和Hansen于1975年提出流动注射分析(FIA)以来，FIA就迅速发展起来,这一具有全新理念的自动分析技术的特点1是:适应性广泛，分析效率高，试样和试剂消耗量少，检测精度高，设备简单，FIA产品价格低廉。因此它已被广泛应用于很多分析领域。目前，应用的主要领域4有：水质检测、土壤样品分析、农业和环境监测、科研与教学、发酵过程监测、药物研究、禁药检测、血液分析、食品和饮料、分光光度分析、火焰光度分析、质谱分析、原子光谱分析、荧光分析、生物化学分析等等。 流动注射的基本流路系统一般包

2、括4: 载液驱动系统、注入阀或进样器、微型反应器、流通式检测器(折光计、比色计、紫外/可见分光光度计、离子选择电极、原子吸光光度计、荧光计等)、信号记录装置。其中蠕动泵驱动载液以恒定流速流过细微的管路; 注入阀将一定体积的样品溶液重现地注入载液中; 微型反应器则使注入的样品带在其中适当地分散, 并与载液(或试剂)中某些组分进行反应,生成能使检测器产生适量响应值的产物; 检测器和信号记录装置测量和记录响应值数据。图1-1是FIA的基本流路图：C载液 R试剂 P蠕动泵 S试样 RC反应器 D检测器 W废液图1-1系统基本流路图反应器中的反应可以是不完全反应,只要其中的分散和反应可以高度重现就可以,

3、而流动注射体系恰好能满足重现性良好的要求。并且FIA能控制试样的分散, 从而能有效控制样品的稀释度, 进而缩短反应时间, 提高检测效率, 所以FIA已成为在线检测的理想工具。试样和试剂的分散是整个流动注射分析体系的关键问题。而因此用分散系数D来描述，D的定义是：决定分析读数的流体微元组分在扩散过程发生前的浓度(C0)与发生后(C max)的浓度的比值, 即D=C0/C max。流动注射体系中的分散过程是许多不同因素(包括流速、管道长度、管径、试样体积与检测方式等)的复杂函数。主要影响4有：试样的进样体积越大, D越小。反应器管长度越大,越大。管路集合形状越复杂,试样在其中流动方向改变越多, D

4、越大。如: 直管反应器的最小,盘管与编织管反应器的D较大。流速对D的影响与反应器的管径大小有关,关系较为复杂。而随着科学的发展，FIA开始向多组分的同时测定方向发展：并且新技术不断被引入，而其仪器则向超小型化方向发展。目前国外FIA仪器已有4代，它们分别是：1代 流动注射(FI)它由一台高性能的多通道蠕动泵、一个注入阀、一个反应管和一台检测器(如带流通池的分光光度计)组成,其基本流路与图1-1所示流路相同。多通道蠕动泵以恒定流速驱动载液。带定量环的注入阀可每次向流路中入精确体积的试样。2代 顺序注射(SI)顺序注射分析系统(图1-2)包括一台单通道高精度的双向泵(如带三通阀的注射泵)、一个储存

5、管、一个多通道选择阀和一台检测器。系统的核心部件是一个多通道选择阀,此阀的各个通道位置分别与检测器、样品、试剂等通道相连,公共通道与一个可以抽吸和推动液体的注射泵相通,通过泵的作用,顺序从不同的通道吸入一定体积的区带到泵与阀之间的储存管中,然后将这些溶液区带推至检测器,在这一过程中样品和试剂的区带之间在管道中由于径向和轴向的分散作用而互相渗透引起试剂与样品带的重叠和混合,试剂与样品发生化学反应,导致反应产物的形成。多通道选择阀内部有细微管道,管道的一端始终与阀中央的公共通道相联,另一端则可以在人为控制或计算机控制下切换到别的通道口,使公共通道与其互通,从而使注射泵能依次完成吸入试样、试剂及推送

6、液体到检测器等动作。在检测器中可以得到与正常流动注射分析中类似的峰型信号。本次实验则使用了该系统来进行分析。1注射泵 2载液 3储存管 4试样 5蠕动泵 R1,R2,R3试剂1、2、3 D检测器 W废液图1-2 3代 微珠注射(BI)微珠注射10通常用于生物化学研究,与顺序注射的操作方式相同,流路组成也基本相同(图1-3), 同样有多通道选择阀,只是用微珠作为试剂的载体,微珠可再生。1注射泵 2载液 3储存管 4试样 5蠕动泵6悬浮微珠 7JR流通池 D检测器 D废液图1-34代 阀上实验室阀上实验室11系统（如图1-4）是微型化设计的顺序注射系统(所有的部件都集成在一个整体阀上),它是目前集

7、成程度和自动化程度最高的流动注射分析系统。这种精密制作的仪器将试样的注入口、反应通道及多功能流通池以特别设计的结构集成在多通道选择阀上,选择阀各端口在阀内部用微通道互相连接,可以在计算机控制下正向流动/逆向流动/停流,从而进行样品的稀释、试剂的添加、混和、培养和反应速率的测定。1 注射泵 2载液 3储存管 4试样 5蠕动泵 6多功能流通池 7、8检测器光源通过光纤射入和射出 W废液图1-4 II编结反应器(knotted reactor)在流动注射中的应用 流动注射体系的核心组成部分是反应器部分。由前文的介绍，我们可以根据流动注射原理选择反应混合器。i KR的特性和优点 根据方肇伦的流动注射分

8、析一书 1所指出的：混合反应器的主要功能是实现经三通汇合的两个或多个液体的重现径向混合以及混合液中化学反应的发生最常用的混合反应器由一些能盘绕,打结或编织的聚四氟乙烯管或塑料管组成采用这种几何形状的目的在于通过改变流动的方向在径向上产生二次流(secondary flow)，促进径向混合，减少试样的轴向分散由此，简单并且易于制造的编结反应器(knotted reactor)便表现其出色的优越性，这类反应器(见图1-2)最早由Engelhardt和Neue在HPLC应用中提出的，也称其为三维转向反应器（简称3D反应器）这是因为在一般的反应盘管中液体流动方向的变化主要在二维面上，而在编结式反应器中

9、流动方向是在三维基础上变化这样反应器便能有较强的限制轴向分散的功能，不仅可以被用于混合管道，而且还可以用来作为传输管道和采样环。除此以外，还可以用于在线沉淀的收集，以及水溶性金属有机配合物的收集。编结反应器(knotted reactor)的优点在于以下几点：(1) 高收集容量适于产生沉淀量较大的反应，即共沉淀。(2) 低背压由于在开口管道中操作，即使沉淀量较大时仍可在较高流速下工作而不产生过高背压。(3) 低分散对轴向分散的限制有利于提高浓集倍率及测定灵敏度。(4) 价廉并易于自制只要利用较便宜聚四氟乙烯(PTPE)编织即可。(5) 全惰性收集环境，采用聚四氟乙烯(PTPE)作为材料，它化学

10、性质稳定。此外，在痕量分析中无不锈钢过滤器的污染危险。(6) 长使用寿命。寿命几乎是无限的，可以多次反复使用。ii KR与FAAS的联用正因为编结反应器(KR)有很多独特的优点，所以它用途广泛，特别是与原子光谱联用时。在流动注射在线KR吸附预富集分离FAAS联用技术中，操作程序基本上分为两步：第一步为分析物与配位剂在线形成中性配合物，并吸附在KR内壁；第二步为被吸附在KR内壁上的分析物的洗脱及FAAS在线检测。1994年方肇伦等首先提出以KR为吸附介质的FI预富集分离与FAAS在线联用技术，并将其应用于人发和大米中痕量Cd17的测定以及水样和大米中Cu18的测定。最近Orsi RF等19测定蜂

11、蜜中总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) 配合物形式为KR保留，乙醇洗脱，总富集因子140，检出限0.5ng/g。严秀平等20利用流动注射在线置换/吸附富集分离FAAS测定复杂基体中痕量铜，方法基于在线形成Pb-DDTC (二乙基二硫代氨基甲酸盐)，先吸附到KR内壁，Cu()置换出Pb，乙醇洗脱后FAAS检测，富集因子155, 检出限0.38mg/L。因为先前的编结反应器是在一段时间内连续进样富集，所以保留效率相对来说不高（一般40-50%），尽管可通过增加富集时间和采样速度提高灵敏度，但受到信号强度与富集时间之间线性范围窄的限制。KR在

12、线沉淀富集FI-FAAS联用也有一些报道，严秀平等利用流动注射在线沉淀富集FAAS 法测定米中痕量Cd21和水中痕量Pb22，样品与氨水在线形成沉淀，不需过滤， HNO3溶解沉淀后FAAS检测。Liu JS等23以DDTC-Ni()为载体，流动注射在线共沉淀耦合FAAS测定环境和生物样品中痕量Cu, Pb, Cd, Fe。金属离子在0.3mol/L硝酸溶液中与DDTC-Ni()在线共沉淀，KR收集，经IBMK溶解后检测。iii KR与ETAAS联用将流动注射预富集分离与ETAAS在线联用是解决复杂样品中超痕量元素测定的很有前途的方法。然而，石墨管对样品容量的限制性(<50mL)和石墨炉的

13、“非流动性”是将FI预富集分离与ETAAS在线联用的主要障碍所在。严秀平等24-29提出一套FI流路及操作程序，实现了FI在线吸附预富集分离与ETAAS的联用。Burguera JL等30报道微波辅助样品消化流动注射ETAAS测定人血浆和全血中痕量或超痕量钼。样品与亚铁氰化钾在线共沉淀经0.5mol/L HNO3携带吸附到KR内壁，NaOH溶解沉淀。严秀平等31利用流动注射编结反应器置换吸附富集测定环境和食物样品中痕量汞，在线形成的Cu-PDC配合物先吸附到KR内壁，通过Hg与Cu-PDC的反应在线置换，将Hg()选择性地保留到KR内壁，用50mL乙醇洗脱后ETAAS检测，共存重金属离子因其A

14、PDC配合物较Cu-PDC更不稳定而不干扰测定。Anthemidis AN等32使用PTFE切屑作为吸附材料，测定天然水和生物样品中超痕量钴，样品与APDC在线混和形成配合物，在pH 5.5-7.0范围保留到疏水性PTFE切屑上，35mL IBMK洗脱。Hansen EH等33将PTFE珠粒填充到微柱作为吸附材料测定水样中Cr()，填充柱反应器在检出限、富集因子和保留效率上均优于KR。在此基础上，该小组建立填充反应器顺序注射分析（sequential injection analysis）ETAAS检测痕量镉34。在负电荷的钴-亚硝基-R盐配合物和四丁基铵对离子间形成的离子对可吸附到KR内壁，

15、据此Benkhedda K等29测定生物物质和天然水样中痕量钴。 由此可见：应用编结反应器和的流动注射体系和原子光谱联用具有很大的应用和研究价值。参考文献1 方肇伦等，流动注射分析，北京：科学出版社，19992 J.茹奇卡，E.H.汉森，流动注射分析（方肇伦，徐淑昆等译），北京：科学出版社，19863 方惠群，于俊生，史坚，仪器分析，北京：科学出版社，20024 任杰，宋海华，流动注射分析原理和进展，天津化工，2003，17（2）：22-255 郑晓红，流动注射分析技术的发展现状，仪器仪表和分析监测，2002年第一期：1-56 王少为，人体必需微量元素硒，广州微量元素科学，1999，6（6）：

16、50-527 何亚琳，环境硒和硒营养，贵州科学，1995，13（3）：56608 Steffen Nielsen, Jens J.Sloth, Elo H.Hansen, Determination of ultra-trace of arsenic (III) by flow-injection hydride generation atomic absorption spectrometry with on-line preconcentration by coprecipitation with lanthanum hydroxide or hafnium hydroxide , Tal

17、anta 43(1996) : 867-8809 Saisunee Liawruangrath, Waraporn Som-aum, Alan Townshend , A comparision of enrichment factor of knotted and serpentine reactors using flow injection sorption and preconcentration for the off-line determination of some trace elements by inductive coupled plasma mass spectrom

18、etry, Talanta 58(2002) 1177-118410 Ruzicka, Ivaska,.A , Biolgligand interaction assay by flow injection absorptiometry, Anal Chem, 1997,69(24):5024-5030.11 Ruzicka, Lab-on-valve: Universal microflow analyzer based on sequential and bead injection , 2000,125:1053-1059。12方肇伦，关于流动注射分析今后发展的若干见解,岩矿测试, 19

19、97, 16(2): 138-13913 谭春华，范广涵，刘江，汤志勇，流动注射在线共沉淀HG-AFA测定痕量铅2003, 22(5): 10-1314 李明,陈焕文,郑健,邹向宇,于爱民,金钦汉, 流动注射分析技术的若干进展,分析仪器，2003第3期：1-515Guanhong Tao,Elo H.Hasen, Determination of Ultra-trace Amounts of Selenium(IV) by Flow Injection Hydride Generation Atomic Absorption Spectrometry with On-line Preconce

20、ntration by Coprecipitation with Lanthanum Hydroxide, Analyst, February 1994, Vol.119: 333-337 16Steffen Nielsen, Jens J. Sloth and Elo H.Hansen, Determination of Ultra-trace Amounts of Selenium(IV) by Flow Injection Hydride Generation Atomic Absorption Spectrometry with On-line Preconcentration by

21、Co-precipitation with Lanthanum Hydroxide PartII. On-line Adddition of Co-precipitating Agent, Analyst, January 1996.Vol. 121: 31-3517 Fang, Z. -L.; Xu, S. -K.; Dong. L. -P.; W. -Q. Talanta, 1994,41,216518 Chen, H. -W.; Xu, S.-K.; Fang, Z. -L. Anal. Chim. Acta, 1994, 298, 16719 Oris RF, Wuilloud RG,

22、 de Wuilloud JCA, Olsina RA, Martinez LD, Journal of AOAC Internaltional, 2002, 85(6):1410-141420 Yan XP, Li Y, Jiang Y, Journal of Anal. Atom. Spectrom., 2002, 17(6):610-61521 Ye QY, Li Y, Jiang Y, Yan XP, Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2003, 51(8):2111-211422 Garrodo-Troche I, Soto-Fe

23、rriro RM, Carlosena-Zubieta A et al, Atomic Spectroscopy, 2001,22(6): 438-441 23 Liu JS, Chen HW, Mao XQ, Jin X, International Journal of Environment Analytical Chemistry, 2000, 76(4): 267-28224 Sperling, M.; Yan, X. -P.; Welz, B. Spectrochim. Acta, Part B, 1996, 51,189125 Yan, X. -P.; van Mol, W.; Adams, F. Analyst, 1996,121,106126 Yan, X. -P.; Adams, F. Journal of Analytical Atomic Spectrometry,