第七章 流动注射分析

1、Chapter SevenFlow Injection Analysis (FIA)流动注射分析流动注射分析（FIA） Flow Injection Analysis7.1 流动注射分析的基本原理流动注射分析的基本原理7.2 流动注射分析仪的基本组成流动注射分析仪的基本组成7.3 流动注射技术及应用流动注射技术及应用1974年，年，Ruzicka J (丹麦分析化学家丹麦分析化学家) Hansen E H 提出提出流动注射分析新概念流动注射分析新概念化学分析可化学分析可在非平衡的动态条件下进行在非平衡的动态条件下进行 提高了分析速度提高了分析速度把试样溶液直接以把试样溶液直接以“试样塞试样塞”

2、的形式注入到微管道的试剂的形式注入到微管道的试剂载流中，不需反应完全可进行在线混合、反应、稀释或浓载流中，不需反应完全可进行在线混合、反应、稀释或浓缩、检测，摆脱了传统方法必须在稳态条件下操作的观念缩、检测，摆脱了传统方法必须在稳态条件下操作的观念绿色分析化学绿色分析化学 封闭系统中完成测定，降低环境污染、减封闭系统中完成测定，降低环境污染、减轻对实验操作人员的毒性轻对实验操作人员的毒性流动注射分析流动注射分析 (FIA) Flow Injection Analysis7.1 流动注射分析的基本原理流动注射分析的基本原理 General Principles of FIAFeatures of

3、 automationAdvantages of Automation:(1) Economic operator costs reduced waste human errors(2) Speed(3) PrecisionDisadvantages of Automation:(1) Cost Initial purchase Setup cost(2) Inflexible流动注射分析的基本过程流动注射分析的基本过程 试剂及载流试剂及载流 流动注射分析的基本原理流动注射分析的基本原理 General Principles of FIA 蠕动泵蠕动泵废液废液进样阀进样阀反应管道反应管道检测器

4、检测器样品样品7.2 流动注射分析仪的基本组成流动注射分析仪的基本组成 Instrumentation of FIA1.流体驱动单元（蠕动泵）流体驱动单元（蠕动泵） 2.进样阀进样阀 3.反应管道反应管道 4.检测器检测器传统溶液化学分析方法的特点传统溶液化学分析方法的特点手工分析手工分析：将被测物与试剂均匀混合，使反应达到化学平衡状态将被测物与试剂均匀混合，使反应达到化学平衡状态依据化学计量关系及试剂（滴定剂标准溶液）的用量或生成依据化学计量关系及试剂（滴定剂标准溶液）的用量或生成物的量（沉淀的质量、有色物质的浓度等），确定试样中被物的量（沉淀的质量、有色物质的浓度等），确定试样中被测组分的

5、含量。测组分的含量。广泛应用广泛应用缺点缺点：速度慢、手续繁杂速度慢、手续繁杂分析结果与分析人员的技术水平和熟练程度有关分析结果与分析人员的技术水平和熟练程度有关不可避免使分析人员长时间接触化学药品，健康受到影响不可避免使分析人员长时间接触化学药品，健康受到影响流动注射分析流动注射分析 (FIA) Flow Injection Analysis流动注射分析的特点流动注射分析的特点FIAFIA：高度重现和灵活多变的微量溶液化学处理和各种检测手段相高度重现和灵活多变的微量溶液化学处理和各种检测手段相结合的半自动微量分析技术结合的半自动微量分析技术测定速度快、溶液用量少、精密度和准确度高、方法灵活多

6、测定速度快、溶液用量少、精密度和准确度高、方法灵活多变、应用领域广阔变、应用领域广阔( (环境分析、地质样品、农产品、药物、环境分析、地质样品、农产品、药物、食品分析食品分析) )、实用性强、实用性强已在吸光光度法、荧光光度法、化学发光分析法、电位分析已在吸光光度法、荧光光度法、化学发光分析法、电位分析法、伏安分析法、原子吸收分析法和等离子体原子发射分析法、伏安分析法、原子吸收分析法和等离子体原子发射分析等方法中得到充分体现和普遍应用等方法中得到充分体现和普遍应用流动注射分析流动注射分析 (FIA) Flow Injection Analysis1. 流动注射分析的基本过程流动注射分析的基本过

7、程 General process of FIA 样品样品试剂及载流试剂及载流 进样阀进样阀 反应盘管反应盘管 检测器检测器例：流动注射分光光度法测例：流动注射分光光度法测Cl- Hg(SCN)2 + 2Cl- HgCl2 + 2SCN- Fe3+ + SCN- Fe(SCN)2+ （深红色）（深红色）蠕动泵蠕动泵废液废液流动注射分析的基本原理流动注射分析的基本原理 General Principles of FIA 2. 试样带的分散试样带的分散 Dispersion of sample zone流动注射分析的基本原理流动注射分析的基本原理 General Principles of FIA

8、 样品被注入到试剂载流后，在载流携带下通过管道移动时，样品被注入到试剂载流后，在载流携带下通过管道移动时，发生发生展宽或扩散展宽或扩散。展宽区带的形状由两种作用决定：展宽区带的形状由两种作用决定：（1）对流作用对流作用：由层流产生，使液流中心部分比靠近管：由层流产生，使液流中心部分比靠近管壁部分移动得快，形成抛物线形的前沿。壁部分移动得快，形成抛物线形的前沿。（2）扩散作用扩散作用：径向扩散径向扩散+ 轴向扩散轴向扩散 径向扩散，从管壁朝向中心与流动方向垂直，流速慢时径向扩散，从管壁朝向中心与流动方向垂直，流速慢时是样品带分散的主要原因，可形成对称的分析状态。使分是样品带分散的主要原因，可形成

9、对称的分析状态。使分析物基本脱离管壁，可消除样品之间的交叉污染。析物基本脱离管壁，可消除样品之间的交叉污染。 轴向扩散，与流动方向平行，在细管道中一般不重要。轴向扩散，与流动方向平行，在细管道中一般不重要。Dispersion of sample zoneAt injection, sample zone (plug) concentration profile is rectangularProfile changes downstream(i) Laminar flow profile develops due to friction with walls(ii) Radial diffu

10、sion from walls to center of tube(iii) Longitudinal diffusion in forward and backward flowWhen flow rate/tube id is small， (d) is approached . Radial diffusion from walls to center helps minimize cross-contamination between sample plugs.定时重现定时重现 浓度单位浓度单位 m mg/mLg/mL进样间隔进样间隔30s30s样品无交叉样品无交叉污染污染流动注射分析

11、基本特点流动注射分析基本特点- -定时重现定时重现定时重现定时重现在样品通过分析流路时，以完全相同的方法顺序处理所有样在样品通过分析流路时，以完全相同的方法顺序处理所有样品品准确样品体积的注入、重现和精确的定时进样以及从注射点准确样品体积的注入、重现和精确的定时进样以及从注射点到检测点的完全相同的操作（控制或可控分散），形成注入到检测点的完全相同的操作（控制或可控分散），形成注入样品的浓度梯度，产生瞬间但可精确重现的纪录信号，使流样品的浓度梯度，产生瞬间但可精确重现的纪录信号，使流路中任何一点都能像静态、稳态一样准确测定。路中任何一点都能像静态、稳态一样准确测定。一般用峰值作为分析信号，可获得

12、较高灵敏度。一般用峰值作为分析信号，可获得较高灵敏度。流动注射分析流动注射分析 (FIA) Flow Injection Analysis分散系数分散系数 Dispersion coefficient 反映原始样品在流到检测反映原始样品在流到检测器的途中被稀释的程度器的途中被稀释的程度 D = = C0/C C0 concentration in injection volume C peak concentration at detectorCalibration needed to find D影响因素影响因素 Affecting factors(1) 进样体积进样体积 Sample in

13、jection volume （50-200 m50-200 mL）(2) 反应管道的长度反应管道的长度 Tube length D = 1 + KL(3) 反应管道的内径反应管道的内径 Tube id (inner diameter)(4) 流动速率流动速率 Flow rate流动注射分析的基本原理流动注射分析的基本原理 General Principles of FIA 2. 分散系数分散系数 Dispersion coefficient分散系数分散系数D： 低度（低度（D = 1-3） 中度（中度（3-10） 高度（大于高度（大于10）减少（小）减少（小于于1）流动速率的影响流动速率的影

14、响 载流流速增加会引起对流扩散的增强和留存时间的减少载流流速增加会引起对流扩散的增强和留存时间的减少这两种因素对分散度的作用效果相反。这两种因素对分散度的作用效果相反。因载流流速增加引起的分散度增加值远小于因留存时间缩因载流流速增加引起的分散度增加值远小于因留存时间缩短引起的分散度减小值，所以载流速度增加时，分散系数短引起的分散度减小值，所以载流速度增加时，分散系数D减小。减小。分散系数分散系数 Dispersion coefficient进样体积的影响进样体积的影响Large injection volume: D = 1.0 (no analyte dilution by carrier)

15、Low volume: D 1.0 (analyte dilution)Short tubes: less time for diffusion = low dispersionLong tubes: long time for diffusion = high dispersion管长的影响管长的影响综合考虑各因素综合影响，确定最佳流路。综合考虑各因素综合影响，确定最佳流路。大批量分析，着眼于提高分析速度、增加大批量分析，着眼于提高分析速度、增加进样频率，因此应减少进样体积、缩短管进样频率，因此应减少进样体积、缩短管长、提高流速。长、提高流速。分散系数分散系数 Dispersion coef

16、ficient分散系数分散系数D的测定的测定注入已知体积的染料溶液到无色的载液中，并用分光光度注入已知体积的染料溶液到无色的载液中，并用分光光度计连续检测分散的染料区带的吸光度，测量记录的峰高计连续检测分散的染料区带的吸光度，测量记录的峰高（即吸光度），再用未稀释的染料充满吸收池时获得的信（即吸光度），再用未稀释的染料充满吸收池时获得的信号进行比较。若服从号进行比较。若服从Lamber-Beer定律，两个吸光度的比定律，两个吸光度的比值即为分散系数。值即为分散系数。D=2，表示染料用载液，表示染料用载液1：1稀释。稀释。任何任何FIA峰都是两种动力学过程同时发生的结果：区带分峰都是两种动力学过

17、程同时发生的结果：区带分散的物理过程和样品与试剂间发生的化学过程。散的物理过程和样品与试剂间发生的化学过程。分散系数仅考虑了分散的物理过程，未考虑化学反应。分散系数仅考虑了分散的物理过程，未考虑化学反应。 分散系数分散系数 Dispersion coefficient流动注射分析的基本过程流动注射分析的基本过程 试剂及载流试剂及载流 流动注射分析的基本原理流动注射分析的基本原理 General Principles of FIA 蠕动泵蠕动泵废液废液进样阀进样阀反应管道反应管道检测器检测器样品样品7.2 流动注射分析仪的基本组成流动注射分析仪的基本组成 Instrumentation of F

18、IA1.流体驱动单元（蠕动泵）流体驱动单元（蠕动泵） 2.进样阀进样阀 3.反应管道反应管道 4.检测器检测器1. 流体驱动单元（蠕动泵）流体驱动单元（蠕动泵） Peristaltic pumps (a) Variable speed peristaltic pump(b) Flow rate (0.0005 to 40 mL/min) controlled by pump speed and tube id (0.25-4 mm)流动注射分析仪的基本组成流动注射分析仪的基本组成 Instrumentation of FIA滚轴滚轴8-10单管路蠕动泵示意单管路蠕动泵示意图图塑料管或橡胶管塑料

19、管或橡胶管载液流向载液流向2. 进样阀进样阀 Injection valveSample Introduction进样阀进样阀 又称采样阀、注入阀或注射阀又称采样阀、注入阀或注射阀用得最多效果最令人满意的是旋转式六通阀，取样和注入过用得最多效果最令人满意的是旋转式六通阀，取样和注入过程可精确重复程可精确重复流动注射分析仪的基本组成流动注射分析仪的基本组成 Instrumentation of FIA流动注射分析仪的基本组成流动注射分析仪的基本组成 Instrumentation of FIA进样阀进样阀 (a) allows loading of specified volume of ana

20、lyte 5-200 L 典型典型10-30 L 用具有适当长度、内径的外部环管计量用具有适当长度、内径的外部环管计量(b) rapid injection of sample plug into flow without disturbing tube flow “塞式塞式”注入进样注入进样对载流流动干扰小对载流流动干扰小4. 检测器检测器 Detector(a) UV-vis spectrophotometer (b) Luminescence analysis(c) Electrochemical (d) Atomic spectroscopy (AES or AAS)3. 反应管道反应

21、管道 Reaction pipeline(a) 细空径聚乙烯或聚四氟乙烯管细空径聚乙烯或聚四氟乙烯管(0.1-1 mm id 0.5-0.8 mm)(b) 反应盘管反应盘管 Reactor coil (50 cm long) 增强径向效应减小增强径向效应减小轴向扩散，减弱试样带变宽，灵敏度、进样频率、对称峰轴向扩散，减弱试样带变宽，灵敏度、进样频率、对称峰流动注射分析仪的基本组成流动注射分析仪的基本组成 Instrumentation of FIA特点：小体积流通池，以减特点：小体积流通池，以减少载流量、试剂量、试样量，少载流量、试剂量、试样量，提高分析速度。避免死角，提高分析速度。避免死角，

22、减小因残留液、气泡滞留影减小因残留液、气泡滞留影响重现性。响重现性。1. 用于重复精确的样品传送用于重复精确的样品传送2. 流动注射转换技术流动注射转换技术3. 多相转换技术多相转换技术4. 流动注射滴定流动注射滴定5. 在线预富集在线预富集6. 停留技术停留技术流动注射分析流动注射分析 (FIA) Flow Injection Analysis7.3 流动注射技术及应用流动注射技术及应用 FIA techniques and application1. 用于重复精确的样品传送用于重复精确的样品传送严格定时性，将给定样品精确准确传递到检测器，保证每严格定时性，将给定样品精确准确传递到检测器，保

23、证每一测量循环过程中条件严格一致一测量循环过程中条件严格一致FIA与火焰与火焰AAS、AES结合结合，样品的等分试样被直接吸入火，样品的等分试样被直接吸入火焰或等离子体，改善分离性能，进样速率焰或等离子体，改善分离性能，进样速率300/h在吸入一个样品的时间内可分别注入两份样品，精度提高在吸入一个样品的时间内可分别注入两份样品，精度提高且准确度改善且准确度改善样品与检测器接触时间短，检测器长时间用载液清洗，减样品与检测器接触时间短，检测器长时间用载液清洗，减小或消除由高盐浓度造成燃烧器堵塞的机会小或消除由高盐浓度造成燃烧器堵塞的机会以动态方式操作的很多以动态方式操作的很多离子选择性电极离子选择

24、性电极容易获得快速、重容易获得快速、重现的读数现的读数流动注射技术及应用流动注射技术及应用FIA techniques and application2. 流动注射转换技术流动注射转换技术借助适当的样品预处理、试剂生成或基体改性，通过动力借助适当的样品预处理、试剂生成或基体改性，通过动力学控制的化学反应使不能被检测的物质转化成可被检测的学控制的化学反应使不能被检测的物质转化成可被检测的成分成分对于氧化还原过程中产生的不稳定对于氧化还原过程中产生的不稳定“瞬态瞬态”试剂，入试剂，入Ag(II)、Cr(II)、V(II)，在通常分析条件下不能检测，但在，在通常分析条件下不能检测，但在FIA体系体系

25、中可提供保护性环境，形成并应用这些试剂。中可提供保护性环境，形成并应用这些试剂。流动注射技术及应用流动注射技术及应用FIA techniques and application例：流动注射分光光度法测例：流动注射分光光度法测Cl- Hg(SCN)2 + 2Cl- HgCl2 + 2SCN- Fe3+ + SCN- Fe(SCN)2+ （深红色）（深红色）硫氰酸盐在人体中半衰期约硫氰酸盐在人体中半衰期约14d，通过体液（唾液、血液、，通过体液（唾液、血液、尿液）分析很容易区分吸烟者与非吸烟者尿液）分析很容易区分吸烟者与非吸烟者反应产物反应产物生成迅速、摩尔吸光系数很高，但随后就褪色，生成迅速、摩

26、尔吸光系数很高，但随后就褪色，寿命仅寿命仅10s。在生色最大的那一刻读数很重要。在生色最大的那一刻读数很重要。570nm由于由于5-Br-PADAD与重铬酸盐会逐渐反应，与重铬酸盐会逐渐反应，背景信号高背景信号高。设计分析体系，调节样品停留时间，精确地在红色产物与设计分析体系，调节样品停留时间，精确地在红色产物与背景信号差最大时进行有效检测。背景信号差最大时进行有效检测。 流动注射转换技术流动注射转换技术 FIA conversion techniques例：临床化学例：临床化学 流动注射分光光度法测硫氰酸盐流动注射分光光度法测硫氰酸盐SCN- SCN- + 5-Br-PADAP + K2Cr

27、2O7 红色产物（亚稳态）红色产物（亚稳态）2 mol L-1 H+3. 多相转换技术多相转换技术把气体扩散、渗透、溶剂萃取、离子交换、固定化酶等操把气体扩散、渗透、溶剂萃取、离子交换、固定化酶等操作与管线步骤结合，使样品成分转换成可检测的物质，提作与管线步骤结合，使样品成分转换成可检测的物质，提高分析测定的选择性。高分析测定的选择性。a. 固定化酶反应器固定化酶反应器 小体积高浓度固定化酶，使底物在样品稀释度最小时充分小体积高浓度固定化酶，使底物在样品稀释度最小时充分快速转化、分散系数小、降低检测限快速转化、分散系数小、降低检测限 提供选择性、经济性、由于固定化而获得的稳定性，保证提供选择性

28、、经济性、由于固定化而获得的稳定性，保证严格重现性，保持分析周期间固定的转化程度严格重现性，保持分析周期间固定的转化程度流动注射技术及应用流动注射技术及应用FIA techniques and applicationb. 渗析和气体扩散渗析和气体扩散渗析渗析 从相对分子量高的物质（如蛋白质）中分离无机离子从相对分子量高的物质（如蛋白质）中分离无机离子如如Na+ 、Cl- 或小的有机分子（如葡萄糖）。小分子、离子或小的有机分子（如葡萄糖）。小分子、离子较快透过的醋酸纤维素或硝酸纤维素亲水膜，大分子不能。较快透过的醋酸纤维素或硝酸纤维素亲水膜，大分子不能。在血液或血清中离子、小分子测定前常需渗透。

29、在血液或血清中离子、小分子测定前常需渗透。气体扩散气体扩散 气体通过疏水性微孔膜从给体液流扩散到受体液气体通过疏水性微孔膜从给体液流扩散到受体液流。如测水溶液中总碳酸盐，样品注入稀硫酸载液，释放流。如测水溶液中总碳酸盐，样品注入稀硫酸载液，释放出出CO2被导入气体扩散装置，扩散到含酸碱指示剂的受体被导入气体扩散装置，扩散到含酸碱指示剂的受体液流中。用光度法检测，信号与碳酸盐含量成正比。液流中。用光度法检测，信号与碳酸盐含量成正比。多相转换技术多相转换技术c. 溶剂萃取溶剂萃取有效的分离富集方法有效的分离富集方法 绿色分析化学、封闭体系、污染毒害小绿色分析化学、封闭体系、污染毒害小d. 离子交换

30、树脂填充反应器离子交换树脂填充反应器阴离子很少形成有色组分，难于用光度法测定。在阴离子很少形成有色组分，难于用光度法测定。在FIA系统系统中引入中引入OH-型或型或SCN-型阴离子交换树脂：型阴离子交换树脂：多相转换技术多相转换技术例：流动注射分光光度法测例：流动注射分光光度法测Cl- RSCN + Cl- RCl + SCN- Fe3+ + SCN- Fe(SCN)2+ （深红色）（深红色） 或或 ROH + Cl- RCl + OH- OH- + 酸碱指示剂酸碱指示剂 显色显色Instrumentation can be quite complex.Example: phase mixin

31、g4. 流动注射滴定流动注射滴定可连续滴定可连续滴定将待滴定样品直接加入含滴定剂的载流中，在混合室混合将待滴定样品直接加入含滴定剂的载流中，在混合室混合产生浓度梯度。在分散的试样带的头部和尾部均可存在使产生浓度梯度。在分散的试样带的头部和尾部均可存在使待测物和滴定剂达到化学计量点的流体单元，两单元分散待测物和滴定剂达到化学计量点的流体单元，两单元分散系数相同。系数相同。两点间距离随注入样品浓度增加而增大，随载流中滴定剂两点间距离随注入样品浓度增加而增大，随载流中滴定剂浓度增大而减小。浓度增大而减小。检测信号半峰宽与被滴定物浓度成正比。检测信号半峰宽与被滴定物浓度成正比。速率速率60样样/h所有

32、传统滴定方法均可在所有传统滴定方法均可在FIAFIA滴定体系中得到体现滴定体系中得到体现流动注射技术及应用流动注射技术及应用FIA techniques and application5. 在线预富集在线预富集流入检测器样品浓度比注入时大，分散系数流入检测器样品浓度比注入时大，分散系数D1。大体积试样大体积试样注入注入流路，通过微型填充反应器将待测组分流路，通过微型填充反应器将待测组分保保留留在那里，再用少量洗脱剂将反应器中的待测组分在那里，再用少量洗脱剂将反应器中的待测组分洗脱洗脱下下来并流经来并流经检测检测器。器。优点：样品与标准得到相同处理、用同一离子交换柱，流优点：样品与标准得到相同处

33、理、用同一离子交换柱，流路的几何构型和化学反应受到严格控制而保持重现，待测路的几何构型和化学反应受到严格控制而保持重现，待测组分被吸附程度不重要，但洗脱必须定量，否则会发生样组分被吸附程度不重要，但洗脱必须定量，否则会发生样品交叉污染。品交叉污染。流动注射技术及应用流动注射技术及应用FIA techniques and application如：饮用水中痕量如：饮用水中痕量Se(IV)或或As(III)的测定的测定 流动注射后在线共沉淀预浓缩，浓缩同时与基体分离流动注射后在线共沉淀预浓缩，浓缩同时与基体分离6. 停流技术停流技术反应速度慢，检测灵敏度低时采用的一种梯度技术。反应速度慢，检测灵敏

34、度低时采用的一种梯度技术。在试样带进入流通池的某一时刻停泵，记录反应混合物在在试样带进入流通池的某一时刻停泵，记录反应混合物在静态条件下进一步反应的参数（如静态条件下进一步反应的参数（如A），当记录曲线上升），当记录曲线上升到所需高度时启动蠕动泵继续测定。到所需高度时启动蠕动泵继续测定。停泵时间内分散基本不变而反应趋于完全。停泵时间内分散基本不变而反应趋于完全。每次保证泵停止和启动时间不变，获得良好再现性。每次保证泵停止和启动时间不变，获得良好再现性。改变停泵时间获得不同改变停泵时间获得不同FIA停流曲线、不同灵敏度。若停在停流曲线、不同灵敏度。若停在峰位上，可获得最高灵敏度。峰位上，可获得最

35、高灵敏度。流动注射技术及应用流动注射技术及应用FIA techniques and application思考题思考题1 1流动注射分析与传统的批量分析方法之间的特征是什么？流动注射分析与传统的批量分析方法之间的特征是什么？2. 2. 什么是分散系数什么是分散系数D D，讨论分散系数的影响因素，对于给定，讨论分散系数的影响因素，对于给定的的FIAFIA体系如何测定体系如何测定D D？3. 3. 影响分散系数的实验因素有哪些？各是如何影响的？影响分散系数的实验因素有哪些？各是如何影响的？4. FIA4. FIA与与AASAAS结合会提供哪些特殊的优点？结合会提供哪些特殊的优点？5 5一般的流动注

36、射系统由哪几部分组成？一般的流动注射系统由哪几部分组成？ Two types of partition chromatography are distinguishable based on the relative polarities of the mobile and stationary phases. Normal-phase chromatography is based on highly polar stationary phases such as triethylene glycol(三乙二醇三乙二醇) or water; a relatively nonpolar sol

37、vent such as hexane (正己烷正己烷) then served as the mobile phase. In reversed-phase chromatography, the stationary phase is nonpolar, often a hydrocarbon, and the mobile phase is a relatively polar solvent (such as water, methanol 甲醇甲醇, acetonitrile 乙腈乙腈, or tetrahydrofuran 四氢四氢呋喃呋喃). In normal-phase chromatography, the least polar component is eluted first; increasing the polarity of the mobile phase then decrease the elution time. With reversed-phase chromatography, how