流动注射分析仪
流动注射分析(FlowInjectionAnalysis，FIA)，是由丹麦技术大学的J.Ruzicka和E.H.Hansen于1975年提出了的新概念，即在热力学非平衡条件下，在液流中重现地处理试样或试剂区带的定量流动分析技术。它是近20年来才出现的一项分析技术，它与其它分析技术相结合极大地推动了自动化分析和仪器的发展，成为一门新型的微量、高速和自动化的分析技术。流动注射分析发展迅速，它已被广泛应用于很多分析领域。
流动注射分析(FlowInjectionAnalysis，简写为FIA）是1974年丹麦化学家鲁齐卡(RuzickaJ）和汉森（HansenEH）提出的一种新型的连续流动分析技术。这种技术是把一定体积的试样溶液注入到一个流动着的，非空气间隔的试剂溶液（或水）载流中，被注入的试样溶液流入反应盘管，形成一个区域，并与载流中的试剂混合、反应，再进入到流通检测器进行测定分析及记录。由于试样溶液在严格控制的条件下在试剂载流中分散，因而，只要试样溶液注射方法，在管道中存留时间、温度和分散过程等条件相同，不要求反应达到平衡状态就可以按照比较法，由标准溶液所绘制的工作曲线测定试样溶液中被测物质的浓度。
应用领域
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、分光光度分析等等。
主要特点
所需仪器设备结构较简单、紧凑特别是集成或微管道系统的出现，致使流动注射技术朝微型跨进一大步。采用的管道多数是由聚乙烯、聚四氟乙烯等材料制成的，具有良好的耐腐蚀性能。操作简便、易于自动连续分析流动注射技术把吸光分析法、荧光分析法、原子吸收分光光度法、比浊法和离子选择电极分析法等分析流程管道化，除去了原来分析中大量而繁琐的手工操作，并由间歇式流程过渡到连续自动分析，避免了在操作中人为的差错。分析速度快、精密度高由于反应不需要达到平衡后才测定，因而，分析频率很高，一般为60～120个样品/小时。测定废水中S2－时，分析频率高达720样品/小时。注射分析过程的各种条件可以得到较严格的控制，因此提高了分析的精密度，相对标准偏差一般可达1%以内。试剂、试样用量少，适用性较广流动注射分析试样、试剂的用量，每次仅需数十微升至数百微升，不但节省了试剂，降低了费用，对诸如血液、体液等稀少试样的分析显示出独特的优点。FIA既可用于多种分析化学反应，又可以采用多种检测手段，还可以完成复杂的萃取分离、富集过程，因此扩大了其应用范围，可广泛地应用于临床化学、药物化学、农业化学、食品分析、冶金分析和环境分析等领域中。
仪器组成典型的FIA仪是由以下几部分组成：⒈泵：用于驱动载流通过细管。⒉采样阀：可重现地将一定体积样溶液注入载流。⒊反应器：流动注射分析使用的反应器有一下三种：⑴空管式反应器这种反应器又可分为直管和盘管两种。直管式的内径为0.3～0.5mm，常以聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙稀等制成。载流在管内的流动属层流，“样品塞”在迁移过程中的展宽是纵向扩散和径向扩散的综合结果。盘管式又称螺旋式。当载流在螺旋形管道内以较高速度流动时，由于离心力的作用，使“试样塞”的纵向扩散减小，展宽程度下降，因而提高了进样频率。展宽程度下降，检测灵敏度自然提高。当盘管圈直径与盘管内径之比为10时，“样品塞”的展宽程度比直管小三倍。盘管材料可用聚四氟乙烯、聚乙烯或聚丙烯等，内径在0.5mm左右。内径过大，展宽加剧；内径过小，易堵塞。⑵填充床反应器这种反应器类似于色谱分析中的填充柱。管中填充惰性颗粒填料，如玻璃珠，一般说，填料直径越小，“试样塞”展宽程度越小。采用填充床反应器的优点是，在反应器内接触充分，反应时间延长，易获得较高灵敏度，但是载流通过的阻力大，需采用高压泵。⑶单珠串反应器在管内，填充颗粒直径约为管子直径60～80%的大粒填料，因此极易得到规则的填充结构。这种反应器的展宽程度比空管式小10倍，进样频率高。反应器内径约0.5mm左右。单珠串反应器中的载流流动阻力大，仍可采用普通蠕动泵作载流动力。⒋检测器：流动注射分析中常用的检测手段有吸光光度法、浊度法、化学发光法、荧光法、原子吸收光谱法、火焰光度法、离子选择电极电位法和伏安法等。检测方法所用的检测器基本上分为光学检测器和电化学检测器两大类。在光学检测器中，应用最多的是带有流通池的分光光度法计。常见的流通池如图17.37所示，在保证一定光路长度（一般为10～20min）的透光面积的前提下，它的容积应尽可能小，以减小载流量和试样量，并维持试剂－试样界面的原有扩散模式，以提高分析精度。这就要求光电检测系统灵敏、稳定。此外，流通池的设计应没有死角和稍有倾斜，以利于偶然带入的气泡排出。在电化学检测器中，应用较多的是流通式离子选择电极检测器（见图17.38）离子选择性电极检测器采用“梯流”式电势流通池。这种流通池有一定角度的倾斜，使载流流向相对于敏感膜表面的方向处于最佳位置。注入的试样带首先与离子选择性电极接触，然后再与参比电极接触，在它们之间产生一个电动势。流出液的液面通过排液管保持恒定。这种检测法与普通电极法不同之处在于：流动注射分析法并不需要电极电位达到稳定数值后才测定。由于流过电极表面的试液与流过的时间可以准确地控制，因此仍然可以得到与静态测定时完全一致的结果，并能大大地提高分析速度。在试剂应用中，流动注射分析仪可以自行组装，也可以选择各厂家制造的流动注射分析仪。仪器应用鉴于其操作的方便性和微通道设计的多样性，可以预期这种流控技术将在生命科学分析和复杂基体样品超微金属的分离富集中得到广泛应用。在超微分离方面，主要应用尚局限于阀内超微型填充柱固相萃取分离，联用的检测器也仅为ETAAS和ICPMS。实际上，SI-LOV流控系统可与各种检测器联用，尤其适合于与微量连续进样检测器结合。目前所见的主要分离、富集方式均可在该系统中进行超微分离富集操作，包括阀内液-液萃取，阀内微渗析，沉淀/（共）沉淀及氢化物发生等。另外，SI-LOV的流控特征使其十分适合于在生命科学分析中应用，包括阀上酶联免疫分析、生命代谢过程中的无损原位分析、活体分析和单细胞分析等。将分析所需要的检测器集成在阀上，则可实现真正意义上的“阀上实验室”分析。在分析仪器的微型化中，SI-LOV还将是对芯片实验室（lab-on-a-chip）或微全分析系统（μTAS）有关技术平台的重要补充。宏观试样的引入与前处理仍然是μTAS发展中的瓶颈和薄弱环节。这主要源于宏观处理技术（包括传统的流动注射分析系统）与μTAS在样品和试剂处理规模上相差五、六个数量级（前者多为0.01～1mL，而后者常仅为1～100nL水平）。由于SI-LOV可有效地进行微升水平的液流流控，因此可能成为μTAS解决试样引入与处理的理想手段，并成为其重要的组成部分。为区别于μTAS中的核心技术———微流控分析系统认为：明确提出以LOV为核心，在0.1～10（100）μL水平上发展介观流控分析系统）将进一步促进这一介观分析领域的发展并最终促进分析系统的微型化及其在生命科学中的应用。故障来源在实验中，可能遇到三种来源的故障，一种是源于试样材料的性质；另一种源于流动注射分析设备性能不佳；第三种是源于化学过程的设计欠妥。在把试样注入到流动注射分析体系之前，有时可能需要进行某种前处理，如稀释、中和、过滤等，即使是高浓度、高酸（碱）度或高粘度的试样，也可以通过把数微升试样注入到汇合式流路中直接进行稀释。如果一开始就有悬浮固体，过滤当然是不可避免的，但是分析过程中也可能形成沉淀，固体颗粒不仅可能堵塞管路，也同样可能对传感器产生干扰，尤其是在光学体系中。通常可以经过滤或离心来保证试样的清洁，但防止由于化学反应而产生的固体颗粒就更要困难些，然而可以通过加入适当的的表面活性剂双洗涤剂来防止生成沉淀物。故障分析仪器故障可以通过记录的峰形进行诊断。这可以在进行化学分析或分散系数测定的过程中来观察：⒈重复进样时重现性不佳：先检查携出，这可很容易地通过交替注入高浓度与低浓度的试样来完成。消除携出的方法是降低采样频率或增加载流泵速，也可以同时采取这两项措施。还要检查一下阀是否有漏泄，如果用自动的流动注射分析体系，还应检查一下试液杯中的试液是否充足。⒉记录峰在返回基线的过程中响应迟钝。体系中死体积过大（接头不良，流通池体积或其接口处体积太大），起到一个或若干个小“混合室”的作用，必须缩小或消除这些死体积。⒊基线漂移：在光学检测系统中，其原因可能某些物质在流通池窗口上的淀积，通常可注入一种能溶解该淀积物的试剂来除去，也可用适当的洗液或洗涤剂冲洗整个系统，在电位检测系统中，漂移可能来自标准电池电位的变化（可能为指示电极或（和）参比电极的E0值漂移的结果）也可能来自接界电位的变化。⒋气泡。载流液未经脱气处理，化学反应产生气体（如CO2生成节）或由于在流通池中产生突然压降（流通地接头内径大于接入管道的内径得起Venturj效应所致。欲消除此种效应可把连结管深插到接头中，使管口尽可能接近池腔，并在流通池的出口处连接一段长20cm，内径0.5mm的管路，让废液经此管流向下一段废液管。⒌峰上突发噪声：检测器中有小气泡流过，出现气泡可能是由于上面已提到的各种原因，也可能是采样阀试样孔（或环）未能全部充满所致（检查一下采样阀）⒍信号噪声显著，基线虽然稳定，但记录笔的动作不太平滑，记录峰呈锯齿状。泵的脉动过大，可能是泵结构的缺点．也可能是泵管压得不够紧，还可能是泵管已旧，应当更新（当不工作时．应该松开泵管以延长其使用寿命）如果使用的是电位流通池．则噪声可能来自静电，欲消除这种噪声，可在紧靠滚杠的泵管两端各插入一小段金属管，并将两者短路后接地。⒎双峰。由试样和试剂混合不完全造成的试剂不足所引起。虽然在多数情况下观察到的是峰上出现的噪声，但在极端的情况下也可遇到双峰，增加留存时间（降低泵速），增强混合（用汇合法），或减少试样体积都可以消除这种现象。⒏在低浓度是峰的重现性良好但在高浓度时变坏。造成此现象的原因是在试样浓度高的情况下试剂不足。纠正的方法是增大试剂的浓度，或将浓度较高的试样稀释，亦可同时采用这两项措施。⒐负峰。当载流溶液有色而被注人的试样无色且浓度低时，可造成载流液的局部稀释而产生负峰。当试样与载流的粘度或化学组成差异较大时也会产生这种现象。采用基体和试样组成类似的溶液作载流可有效地消除这种基体效应。先把试样注入到惰性载流中，然后再与试剂汇合。最后还应指出：当使用有电机控制的阀来进行自动注入时，如果能在一段选定的时间内使注入阀从注入位回复到充样位，则可以用来减少峰宽从而扩大采样频率。可以让阀在注入位停足够长的时间或使定量孔中的试样全部排出，但也可令其在注入位停留较短的时间，而仅排出部分试样，不过如果注入时间过短，则可能使峰高降低，重现性变差。
单道流动注射分析法这种方法是最简单，也是较常用的FIA方法。多道流动注射分析法当两种以上的试剂混合后会发生化学变化时，可采用这种方法。各种试剂可以在不同时间，不同合并点加入到管路中，最后进入流通流进行检测。
合并带法合并带法是采用多道注射阀同时分别注入试剂和试样，使试剂和试样在各自的管道中，由同速的载流推进，并在适合电汇合成两者的合并带。在这个方法中，所使用的载流为蒸馏水或缓冲溶液，大大的节省试剂。
还可以采用断续流动法的合并带体系。当试样从S注入载流时（载流为水和缓冲液），启动泵为I，停闭泵Ⅱ，载流把试样带推进到距合并点某一位置上，由计时器T停闭泵I，并启动泵Ⅱ，继续推进载流，并同时加入试剂R，当试样带全部通过合并点后，又启动泵I，停闭泵Ⅱ。
双注样法双注样法是利用双通道同步注入阀将试样溶液分别同时注入到两种不同流路的载流中。
注入的试样塞可以一前一后地通过同一检测器。也可以通过两个相同或不同的检测器分别检测。该法主要用于同一试样中两种不同物质的流动注射分析。
流动注射溶剂萃取法该法摆脱了传统的手工萃取操作，实现了溶剂萃取自动化，提高了功效。
流动注射萃取装置如图17.43所示。含待萃取祖份的试样从进样器注入到水相载流中，到达某一点时，用相分隔器a把有机溶剂按比例，有规则的插入到水相载流中，形成有规则的水相和有机相互相间隔的区段，经过在萃取冠D中萃取后，由相分析器C将有相同和水相分开，有机相进入检测器。
停流法在FIA中，反应盘管不宜过长，要求反应速度要比较快，对于反应速率较慢地体系则有一定的局限性。采用流停法，可以有效地适用于化学反应缓慢地分析体系。该法是在试样分散带进入流通检测器的某适当时间内准确停泵（包括停泵时刻及停泵的时间长度），记录反应混合液在静止状态下进一步反应过程中发生的变化（如吸光度的变化等）使反应逐渐趋于完全，提高测定的灵敏度。它已应用于测定反应常数、研究反应机理、慢反应分析和有色试样分析等。填充反应器在FIA中，有时需用固态试剂，如作为还原剂的Zn粒Cd粒、不溶性酶或离子交换树脂等。这时必须把试剂的固体颗粒装入柱中并与反应管路相连，构成填充反应器。目前这种反应器主要有填充还原反应器、固定化酶反应器和离子交填充反应器等。图17.44为带预浓集柱的FIA流程图。
此外流动注射梯度技术也已得到不少应用。在FIA中，注入到流动体系中的试样经分散后形成具有连续浓度梯度的分散试样带。在严格控制的条件下，分散试样带的任何一点都能提供确切的浓度信息。这种依靠准确控制条件来开发试样带浓度梯度中所包含的信息的技术称为梯度技术，如梯度稀释、梯度校正、梯度扫描、梯度滴定及梯度渗透等。此处不作进一步叙述。读者可参阅有关资料。
应用举例
流动注射分析应用非常广泛，它与许多检测技术及分离富集技术结合，已用于数百种有机或无机的分析，以及一些基本物理化学常数的测定。在环境、临床、医学、农林、冶金地质、工业过程监测、生物化学、食品等许多领域中都得到广泛的应用，特别是环境科学和临床医学这两方面应用更多。下面扼要列举几种组份的分析，供参考。
土壤中有效锌的测定采用流动注射萃取分析法可以测定土壤中有效锌，其装置如图17.45所示。萃取装置由相间隔器、PTEE萃取管道（内径0.8mm，长2m），相分离器和节流管（内径0.5mm，长1m的PTEE管）组成。采用置换排出法输入法输入有机相。两个出入口玻璃瓶分别装入双硫腙四氯化碳溶液和蒸馏水，通过调节a，b瓶中水量的增减使有机相不通过泵管进出萃取管道；萃取剂为0.002%的双硫腙四氯化碳溶液；载流（含有掩蔽剂）为1%二乙基二硫代氨基甲酸的0.85mol/LNH4OH溶液；土壤浸提剂为0.05mol/L二乙三胺五醋酸——0.1mol/LcaCl2——1.0mol/L三乙醇胺，调节PH为7.3，使用前用水稀释10倍，锌系列标准溶液用浸提剂稀释。25g通过1mm筛孔的风干土样，加入50ml浸提剂，振荡2h后过滤。分析流程及各项参数如图所示。采样体积240uL。使用8uL流通池，于535nm处测定吸光度。分析速率为60个样/h。
水中某些组分的测定雨水中F－离子含量的检测，可以用F－选择电极作为流动注射分析的检测器，检测限为15ng/mL，标准偏差小于3%，分析速度为每小时60次。河水、海水及井水中的PO43－离子可借助于磷钼蓝分光光度法作为检测手段进行流动注射分析法，检测限达0.01ug/mL，分析速度每小时30次。水样中的砷含量的分析，可以预先用硫酸肼将As(V）还原成As（Ⅲ），再用小型阳离子交换柱将过量肼除去，然后用流动注射分析－安培检测器检测，检测限为0.4ppb。血清中某些组份的测定为了测定血清中的Ca2+离子含量及PH值，可将血清样品注入载流中，“样品塞”首先通过毛细管玻璃电极以测定PH值，随之再流经Ca2+选择电极，测得pCa值。若借助于固定化葡萄糖氧化酶柱和安培法，就可以间接测定血清中葡萄糖含量。葡萄糖流经酶柱时发生以下反应：葡萄糖+O2+H2O———葡萄糖氧化酶→H2O2+CO2生成的H2O2用Pt电极即可以进行安培法检测，也可以采用三管路流动注射分析法，各管路试剂分别为脲酶、次氯酸及苯酚溶液。脲先经酶降解生成NH3，再被次氯酸氧化成氯胺，然后与酚反应生成靛酚蓝，在620nm处进行分光光度测定，检测限达2mmol/L。还可以利用毛细管玻璃电极进行电位法测量，由PH值改变来间接定量脲含量：NH2CONH2+H2O———尿素酶———→2NH3+CO2将流动注射分析技术与原子吸收光谱法结合来测定接受锂治疗的病人血清中的锂含量。流动注射分析法也可以与电感耦合等离子体发射光谱法联用。FIA荧光法及动力学分析法结合将流动注射分析法与荧光光度法相结合，大大提高分析灵敏度。利用铽与EDTA、磺基水杨酸反应生成三元配合物，可以用荧光法测定矿石中铽含量。激发波长为320nm，测定波长545nm。对80pg含量的铽，其测量的相对标准偏差为4%，且各种金属离子不受干扰。催化分析法的最大优点是灵敏度比一般化学分析法高得多，其检测极限可达10^-9mol/L左右。根据以下催化反应可以测定痕量I－离子：可以采用三流路流动注射分析法，其中一流路为二次蒸馏水作载流会，以便将样品塞带入，另外两个流路分别为Ce（Ⅳ）溶液和As（Ⅲ）溶液，它们的流量都可以进行调节。检测手段可用分光光度法。
相关新闻