流动注射技术.doc

流动注射的进展
传统化学实验操作是通过滴管、移液管或药勺等器材，手动移取实验品混合到烧杯或锥形瓶等容器中，然后将其进行反映。此过程是在物理平衡下进行的完全反映。且仪器的调整、维护和使用需要操作者具有较高的专业技能才干保证检测具有较高的准确性,实验操作繁琐，费时，费力。因此后来有化学家提出了一种能在非平衡状态下，将上述实验操作综合到一个实验装置中进行的方法——流动注射分析法。它的出现打破了人们的传统观念,使在非平衡状态下的定量分析成为也许。由于它在混合过程与反映时间中的高度重现性,使它具有分析速度快、精度高、设备和操作简朴、节省试剂与试样及适应性广等优点。
1 流动注射分析法的创建及其定义

溶液化学分析的自动化是现代分析化学发展的一个重要方向，其在分析领域中的应用日益广泛。2O世纪5O年代后期，美国的Technicon等公司在空气泡间隔式连续流动分析(Segmented continu—OUS flow analysis，SCFA)的基础上大力发展了名为Auto-Analyzer的溶液解决自动分析仪，第一次把分析试样与试剂从传统的试管、烧杯容器中转人管道中。试样与试剂在连续流动中完毕物理混合与化学反映。但间隔式连续流动分析仍维持了传统操作最终都要达成物理与化学平衡的观念。1975年由丹麦学者Ruzicka与Hansen初次命名的流动注射分析(Flow injection analysis，FIA)摆脱了上述观念上的局限，采用把一定体积的试样注入到无气泡间隔的流动试剂(载流)中的办法，保证混合过程与反映时间的高度重现性，在非平衡状态下高效率地完毕了试样的在线解决与测定，从而触发了化学实验室中基本操作技术的一次主线性的变革。它打破了几百年来分析化学反映必须在物理化学平衡条件下完毕的传统，使非平衡条件下的分析化学成为也许，从而开发出分析化学的一个全新领域 文献对FIA定义为在热力学非平衡条件下，在液流中重现地解决试样或试剂区带的定量流动分析技术。该定义强调了FIA是在非平衡的状态下进行操作和测定的，并与SCFA法加以区别。
1990 年Ruzicka 和Marshall 提出了顺序注射分析(SIA) ,由于它流路简朴、操作简化、容易实现微机控制,就作为流动注射分析的一个分支迅速发展起来,目前已成为流动注射分析研究最活跃的领域之一。从国外FIA 系统的发展现状可以更清楚地了解FIA技术的发展动向,按照自动化限度的高低,目前国外FIA 仪器产品可以分为四代:流动注射(1 代) 、顺序注射(2 代) 、微珠注射(3 代) 和阀上实验室(4代) 。严格讲,微珠注射和阀上实验室都属于顺序注射,只是与传统的顺序注射相比它们的自动化限度和集成度更高,这些系统在国外已有商品化的仪器出售,下面就分别简朴介绍其基本流路及原理。
2. 1 　流动注射(FI)
P
C
R

S
RC
W
D

C—载液；R—试剂；P—蠕动泵；S—试样；RC—反映器；D—检测器；W—废液；
图1 系统基本流程图
传统的流动注射分析系统由一台高性能的多通道蠕动泵、一个注入阀、一个反映管和一台检测器(如带流通池的分光光度计) 组成,其基本流路与图1 所示流路相同。多通道蠕动泵以恒定流率驱动载液,并且脉冲响应小;带定量环的注入阀可每次向流路中注入精确体积的试样。典型的载液流率为1 ml/ min ,试样体积为50μl ,检测速度为2～4 样/ min。FI 广泛应用于水质监测(如检测铵盐、磷酸盐、硝酸盐和亚硝酸盐) 、土壤样品分析、发酵过程监测、药物开发、科研和教学。如徐华华等采用在流动注射体系中加气体扩散膜装置的方法,让水样中的NH4+ 在NaOH 载液中转变成NH3 后扩散透过气体分离膜,再在H2SO4 吸取液中又重新转变成NH4+ ,与苯酚试剂及次氯酸钠试剂反映,在pH 约为12 条件下生成靛酚蓝,用靛酚蓝光度法在625 nm 处进行测定水中铵离子。
2. 2 　顺序注射(SI)
D
2
R2
5
R1
W
R3
W
W
3
1

1—注射泵；2—载液；3—存储罐；4—试样；5—蠕动泵；R1、R2、R3—试剂1、2、3；D—检测器；W—废液
图2 顺序注射分析系统
顺序注射分析系统(图2) 涉及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映,导致反映产物的形成。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毕吸入试样、试剂及推送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。与流动注射分析相比,顺序注射分析具有以下的特点:①系统硬件简朴可靠,计算机控制方便,样品和试剂的混合限度、反映时间可完全通过软件控制,最大限度减少了操作中的人为干预。控制的方便限度和精确限度比流动注射分析有大幅度地提高。容易实现集成化和微型化。②可以用同一装置完毕不同项目的分析而无需改变流路设立,特别合用于过程分析和多组同时分析。③样品和试剂的消耗量很小,适于长时间监测和试剂比较昂贵、样品来源限制的分析。SI 广泛应用于质谱分析、火焰温度—红外分析、荧光显微术、流动细胞计、荧光分析、电化学分析、化学传感器技术。如武亚艳等根据四价铈在酸性介质中能氧化非那西汀产生化学发光,建立了顺序注射发光测量非那西汀的方法。
2. 3 　微珠注射(BI)
D
W
W
6
1
2
5
4
4

1 —注射泵;2 —载液;3 —储存管;4 —试样;5 —蠕动泵;6 —悬浮微珠;7 —J R 流通池;
D —检测器;W—废液;
图3 　微珠注射分析系统
微珠注射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。在进行微珠注射分析时,微珠表面上固化了一层合适的反映物,微珠被截留到J R 流通池中,具有生物分子的溶液和载液以精确控制的流速流过微珠表面,进入检测器中检测,最后微珠自动从J R 流通池底部排放掉。微珠注射分析在紫外- 可见- 红外光谱范围进行检测,微珠可以选择性地捕获所选生物分子。在整个光谱范围内实时收集到的检测结果提供了生物分子的结合、解离和所捕获的生物配位体的类型方面的信息。微珠注射分析操作成功的关键之处是要注入精拟定量的微珠并且它们能在指定的区带捕获生物分子。微珠注射广泛应用于生物配体交互作用研究, Ruzicka 等还预测微珠注射将会在细胞生物学和药物检测研究中发挥作用。
2. 4 　阀上实验室
2
5
4
3
W
6
8
7

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4 　阀上实验室系统流路图
阀上实验室系统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) ,它是目前集成限度和自动化限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、反映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、培养和反映速率的测定。多功能流通池两端用光纤与检测器相联,进行检测。1 、2 、3 代系统的分析应用都可以使用阀上实验室系统(图4) 。值得一提的是,上面介绍的四代流动注射分析系统都已实现全系统微机控制,我们也可以发现FIA 系统正沿着微型化、简朴化、智能化的方向发展。可以预计,随着制造工艺的进步,集成化限度的进一步提高,分析方法的丰富,仪器的耐用性和易操作性的提高,制导致本的减少,FIA 系统必将作为常规的分析测试手段进入到众多的实验室及工厂生产线上,为科研和生产服务。
3 流动注射分析与其他分析方法联用技术
作为一种多功能的在线溶液解决技术，流动注射技术与传统的检测方法相结合表现出广泛的适应性，它可与分光光度法、原子光谱法、电化学分析法、发光分析法等分析手段联用，构成完整的分析系统。随着FIA法不断发展和成熟，各种实验装置和仪器也在不断进步，不仅可以测定金属离子、非金属离子，还可以测定一些放射性元素及有机物。
3．1 流动注射分析与分光光度法联用
流动注射一分光光度法(flow injection—spectro—photometry，简称FI—S)检测是应用最普遍的一种联用技术。该方法简便，价格低廉，可以方便地与信号解决系统连接。邹玉权等人基于在酸性介质中、加热条件下变色酸和甲醛发生显色反映，生成一络合物，该络合物最大吸取波长为390 nm这一原理，测定制革废水中的甲醛含量，在拟定了最佳的流动注射分析条件基础上，提高了灵敏度，检测限和线性范围分别为0．01 mg／L(按3倍基线噪音计算；以质量浓度表达，下同)、0．02---5 mg／L，回收率为95．2％～97．7％，结果令人满意。
3．2 流动注射分析与电化学分析联用
电化学分析(electrochemical analysis)是仪器分析的一个重要组成部分，它以电导、电位、电流和电量等参数与被测物组成、浓度的关系为计量基础。电化学检测FIA技术的联用不仅提高了电化学分析法的灵敏度，并且增强了离子选择电极的选择性，更重要的是实现了在线监测。SILVIA等人建立了流动注射电位分析系统，对河水和废水中的阴离子表面活性剂进行了实时在线监测。他们通过对不同类型的阴离子表面活性剂进行监测，证明了此方法的可靠性。该方法具有较高的灵敏度，检测下限为5．0 X 10～mol／L。同时，所建立的FIA系统还可以用于监测环境水体中的其他污染物。王玉杰等人采用自制碳棒PVC涂膜阴离子表面活性剂电极，建立了测定环境水样中阴离子表面活性剂的流动注射电位分析法。电极在1．0X10_6～1．0 X 10_3 mol／L范围内有Nernst响应。该方法的FIA流路简朴，克服了直接电位法电位漂移的缺陷，有较好的实用性。
3．3 流动注射分析与发光分析法联用
3．3．1 与化学发光法联用
化学发光(CL)法是通过测量物质在进行化学反映时产生的光强度来进行定量分析的方法。它不需要任何光源，只需要高灵敏度的光电转换元件和电子放大装置，避免了背景和杂散光的干扰，因此已被广泛应用于分析化学领域。张娜等人运用流动注射一(鲁米诺一Cu2+-CN一)化学发光体系测定工业废水中的氰化物。当试剂和载流稳定输入后，再由样品阀注射含氰药品，并以其化学发光光谱的峰高进行定量分析。结果表白，在最佳实验条件下，测定CN一校准曲线线性范围为0．002～5 pg／mL，其相关系数为0．998 9，方法的检出限为0．000 4pg/mL。
3．3．2 与荧光法联用
荧光属于分子发光，荧光分析法具有灵敏度高，取样少等优点，广泛应用于无机、有机、生化、医药和临床检查等各个领域中。十二烷基苯磺酸钠(SDBS)是中国使用量最大的表面活性剂之一，它对环境有害，因此是水质监测中的一项重要指标。运用SDBs的荧光性质，以流动注射一荧光法可以直接对它进行测定，该方法测定SDBS的检出限达4．5 ng／mL，线性范围为0～1．5 g／mL，相关系数为0．999。在测定水中苯酚含量时，可以运用苯酚的荧光性质，以流动注射一荧光法直接测定苯酚的含量，该方法测定苯酚的检测限为5．1 mg／rnL，分析速度可达每小时解决120个样。
3．4 流动注射分析与原子光谱法联用
1979年，YOZA等人最先报道了流动注射与原子光谱的联用技术。随后，它们在研究和应用领域中发展迅速，不仅可以对多种元素进行检测，并且可以实现形态分析和自动化分析。张莉等人采用流动注射一氢化物发生原子吸取光谱法测定了底泥中的汞，该法采用全密闭的流动注射自动进样系统，与传统的氢化物发生装置相比，稳定性和可靠性得到很大提高，方法的线性范围为1～20pg／L，检测限为0．005 mg／kg。
3．5 流动注射分析与毛细管电泳分离技术联用
毛细管电泳是一种高效分离技术，具有样品用量少，分离速度快等特点，广泛应用于化学、生物、医药、环境等领域。陈宏丽等人采用较短的毛细管作为分离通道，建立了一种微流控毛细管电泳和流动注射联用的分离测定麻黄碱和伪麻黄碱的新体系。在最佳的实验条件下，他们的标准品的进样频率可达成每小时60个样，且基线完全分离，重现性良好。LIU等人应用流动注射一毛细管电泳联用技术测定了药品中氢溴酸美沙芬、伪麻黄碱盐酸盐等成分，与传统毛细管电泳技术相比，该方法的稳定性、重现性和可靠性得到很大提高。目前，这项联用技术已经成功地应用于商品药剂分析中。
3．6 流动注射分析与其他方法联用
王兆喜等人将反相流动注射与比浊法联用，用于测定水中的氯离子含量，发挥了流动注射分析操作简便、快速等特点，使操作大为简化，分析时间缩短，节约了相对贵重的硝酸银，减少了运营成本。吕元琦等人采用微柱流动注射与电感耦合等离子体质谱联用的同位素稀释分析技术，在线测定了海水中痕量的铅。
4 流动注射分析的智能化
作为一种微量分析技术，流动注射分析的发展趋势之一是体系的微型化、简朴化、智能化。虚拟仪器技术的出现为FIA技术注入了强大的活力。它将仪器的信号分析与解决、结果表达与输出放到计算机中来完毕，用计算机屏幕可以形象、方便地模拟各种仪器控制面板，以各种形式表达输出检测结果，不仅可以实现监测过程中的自动、在线分析，并且节约了生产上所需的实验成本，提高了工作效率。国外已有将计算机技术和FIA技术联用且取得满意结果的报道。曹求洋等人开发了一套与FIA-3100流动注射仪联用的数据采集系统，不仅实现了流动注射仪操作的全自动控制，还可以调整采样时间和周期，读取多维分析数据信息。其分析系统结构示意图见图5。
流动注射仪
721型分光光度计
放大器
A/D
计算机

图5 FIA一3100流动注射分析系统结构示意图
待测样品注入流动注射仪后，其与载流试剂的反映产物被721型分光光度计检测，A／D板将接受到的模拟信号转换成数字信号并送入计算机中。采集到的实时数据以Excel格式保存，既可以直接运用Excel强大的功能对数据进行筛选、绘图，又可以方便地将数据导入其他专业数据解决软件中，对其作进一步解决。他们将该系统结合梯度稀释技术分析炉水中的P0i一，得到线性回归方程：A=0．0255C一0．300 8，相关系数为一0．997 3。曾涛等人研制了一种基于虚拟仪器技术的流动注射分析系统，实现了信号采集、流路控制和数据储存等功能。他们用该系统应用于停流一催化光度法以测定痕量酚，实验结果表白，其线性相关系数为0．999 2，为研发适于现场监测的全自动流动注射分析测试方案提供了良好的平台。杨秋青等人研制了直管型智能流动注射化学发光分析仪，它将流动注射技术、化学发光、微机技术有机结合起来，测定出Au的检出限为6．0×10_12 g／mL，Cr(m)的检出限为2．o x l0-12g／mL，且测定结果具有很好的重现性。
5 发展趋势
流动注射分析技术不仅有着适应性广、效率高、精度高的特点，并且还能与分光光度法、电化学分析法等多种检测手段联用，并结合停流技术、在线分离与富集技术、固相微萃取技术(SPME)、印迹技术等扩展其应用范围。随着科学技术的不断发展，FIA作为一种微量的分析技术，正在向微型化、简朴化、智能化的方向发展，它与计算机技术的结合，有助于搭建不同的科学研究检测平台，实现环境监测过程中的自动、在线分析，必将成为此后流动注射分析的重要发展趋势。