流动注射分析和微流控技术资料PPT精品课件
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第25章 流动注射分析及微流控技术
25.1.概论
溶液化学分析（或称湿法分析）大约已有200多年 的历史，是分析化学中最基本和最为经典的分析方法。
这些分析方法多采用手工操作完成。它费时、费力、 分析速度慢，而且分析结果常常受到操作者主观因素的 影响。
另一方面，在实验室完成一次分离、分析所需要的 分析设备种类多、体积大、试样和试剂消耗量很大、难 于操作，且不便于进行现场分析。为此，人们尝试研究 并发展了一系列自动分析方法及装置。
典型的FIA输出信号是一个尖形峰。
FIA分析中，待测物随着试样带的移动，可形成中间浓度 高、两端浓度低的梯度曲线，此曲线实质上是试样浓度的分布 图。
双峰、负峰和不规则峰的出现可以通过改变实验条件得以 避免。
25.2.3. 流动注射分析的应用
25.2.3.1. 低分散度流动注射分析体系
当需要迅速测量试样本身性质时采用低分散度。由于不涉 Βιβλιοθήκη Baidu化学反应，因此要求试样尽可能集中，不经稀释地流过检测 器，即试样与载流的混合程度应尽可能地小。实际工作中，通 过增加进样体积、减小注入点与检测器响应点之间的距离、降 低泵速等措施降低试样的分散度，可获得较高的分析灵敏度。
由于试剂（R）与试样中待测物（A）在管道中的分散混 合和化学反应不完全，因此在物理和化学方面均存在动力学过 程。
在任一时刻t，试样在管道中的化 学反应、反应速率、产物形成速率与分 散度之间的关系可用下式描述：
d d t c k tc D A t( c t)D ( t D t1 c R c t) d D c t t( t D t)dt
间歇式分析，是通过机械式自动分析装置模拟手工分析步 骤的技术。
连续流动分析是将化学分析所使用的试剂和试样按一定顺 序和比例用泵和管道输送到一定的区域进行混合，待反应完成 之后再经由检测器检测反应产物并记录和显示分析结果。
25.2. 流动注射分析
25.2. 流动注射分析
连续流动分析克服了间歇式自动分析的不足，具有通用性 强、分析速度快（30 50样/h）、易于自动化的优点。然而， 连续流动分析技术也因气泡的引入而带来一些缺陷：
1.气泡的可压缩性使液流产生脉动并导致液流流动状态不 稳定；
2.气泡体积不易控制； 3.有气泡存在时，压降和流速与管材种类有关； 4.塑料管道中的气泡有绝缘作用，易产生静电积累从而干 扰一些传感器的正常工作；
5.载流运动不易控制，不易瞬间起停。
25.2. 流动注射分析
流动注射分析废弃了用气泡间隔样品的方法，将试样溶液 直接以“试样塞”的形式注入到管道的试剂载流中，化学分析 可在非平衡的动态条件下进行。大量实验研究及应用成果表明， FIA具有更多优点：
25.2. 流动注射分析
22.2.1. 超临界流体和超临界流体色谱
流动注射分析（Flow Injection Analysis, FIA）是在间歇式 分 析 （ Discrete analysis ， 也 称 自 动 分 析 ） 和 连 续 流 动 分 析 （Continuous flow analysis，CFA）的基础上，吸收了高效液相 色谱的某些特点发展而来的。
25.2.1.1. 物理混合过程及分散度
2. 分散度 所谓分散度，是指产生分析读数的液流组分在扩散过程发
生前后的浓度比值，即：
Dc0/c ph 0/h p
3. 影响分散度的因素
25.2.1.2. 化学动力学过程
假设在简单FIA系统中，试剂（R）与试样中待测物（A） 在管道中经混合分散并发生如下化学反应：
1.操作简便。 2.重现性好。 3.试剂和试样消耗量小，环境友好。 4.分析速度快。 5.适用于物理和物理化学过程研究。 6.仪器简单，易于自动化。 7. 应用范围广。
25.2. 流动注射分析
一般可将FIA过程概括为：将一定体积的试样液以“塞子” （plug）的形式，间歇地注入到处于密闭的、具有一定组成的 流动液体（试剂或水）载流中，试样塞在被载流推入反应管道 的过程中，因对流和扩散作用而分散形成具有一定浓度梯度的 试样带（sample zone）。该试样带与载流中的某些组分发生化 学反应生成可被检测的物质，最后被载流带入检测器进行检测， 并由记录仪连续记录响应信号随时间的变化情况。
FIA检测系统是将经过流通池的待测物的某种理化特性转 换为可以识别并记录的信号，其组成与HPLC分析所使用的检 测器类似，主要由流通池（flow-cell）、某些信号转换元件 （传感器）和记录仪等组成。
原子吸收和发射光谱仪、荧光光度计、电化学检测器、折 射仪以及分光光度计等均用于FIA过程的检测，其中以分光光 度计的应用最为广泛。
检测器输出信号或记录仪的记录曲线，实质上是对试剂和 试样间的物理混合、化学动力学和能量转换三种过程的综合反 映。
FIA系统可与许多能量转换检测器联用达到多种分析目的。
25.2.2. 流动注射分析仪器的组成
25.2.2.1. 蠕动泵 25.2.2.2. 进样系统
25.2.2.3. 反应器
反应器是被注入的“试样塞”在载流中分散，并与其中的 待测组分发生化学反应生成可被检测的物质的场所。
25.2.1. 流动注射分析基本原理
25.2.1.1. 物理混合过程及分散度
1. 物理混合过程
在FIA中，在试样以“试样塞”进入反应管道并随载流向 前移动的过程中，试样塞的分子与载流之间将产生分子扩散和 对流扩散作用并导致试样“带”变宽，即试样的分散。在混合 过程中，轴向对流和径向分子扩散两种作用的竞争决定了输出 峰的形状。
1.开管式反应器 包括直管（straight）和盘管（coiled）反 应器。前者实际上是一段具有一定长度的细管。
2.填充式反应器 包括填充层（packed bed）和单珠串 （single bead string）反应器等。前者是按需要截取的一段填充 惰性球状微粒（玻璃珠）的管子。
25.2.2.4. 检测系统及响应曲线
d t c k c D A ( c t)D ( D 1 c R c t)d c D t( T D t)dT
25.2.1.3. 能量转换过程
FIA分析中的能量转换过程是通过FIA仪器中的检测系统完 成的。
检测系统能将反应产物的特性或试样本身的性质转换为可 测的电信号，并通过仪器仪表显示或记录。
25.1.概论
溶液化学分析（或称湿法分析）大约已有200多年 的历史，是分析化学中最基本和最为经典的分析方法。
这些分析方法多采用手工操作完成。它费时、费力、 分析速度慢，而且分析结果常常受到操作者主观因素的 影响。
另一方面，在实验室完成一次分离、分析所需要的 分析设备种类多、体积大、试样和试剂消耗量很大、难 于操作，且不便于进行现场分析。为此，人们尝试研究 并发展了一系列自动分析方法及装置。
典型的FIA输出信号是一个尖形峰。
FIA分析中，待测物随着试样带的移动，可形成中间浓度 高、两端浓度低的梯度曲线，此曲线实质上是试样浓度的分布 图。
双峰、负峰和不规则峰的出现可以通过改变实验条件得以 避免。
25.2.3. 流动注射分析的应用
25.2.3.1. 低分散度流动注射分析体系
当需要迅速测量试样本身性质时采用低分散度。由于不涉 Βιβλιοθήκη Baidu化学反应，因此要求试样尽可能集中，不经稀释地流过检测 器，即试样与载流的混合程度应尽可能地小。实际工作中，通 过增加进样体积、减小注入点与检测器响应点之间的距离、降 低泵速等措施降低试样的分散度，可获得较高的分析灵敏度。
由于试剂（R）与试样中待测物（A）在管道中的分散混 合和化学反应不完全，因此在物理和化学方面均存在动力学过 程。
在任一时刻t，试样在管道中的化 学反应、反应速率、产物形成速率与分 散度之间的关系可用下式描述：
d d t c k tc D A t( c t)D ( t D t1 c R c t) d D c t t( t D t)dt
间歇式分析，是通过机械式自动分析装置模拟手工分析步 骤的技术。
连续流动分析是将化学分析所使用的试剂和试样按一定顺 序和比例用泵和管道输送到一定的区域进行混合，待反应完成 之后再经由检测器检测反应产物并记录和显示分析结果。
25.2. 流动注射分析
25.2. 流动注射分析
连续流动分析克服了间歇式自动分析的不足，具有通用性 强、分析速度快（30 50样/h）、易于自动化的优点。然而， 连续流动分析技术也因气泡的引入而带来一些缺陷：
1.气泡的可压缩性使液流产生脉动并导致液流流动状态不 稳定；
2.气泡体积不易控制； 3.有气泡存在时，压降和流速与管材种类有关； 4.塑料管道中的气泡有绝缘作用，易产生静电积累从而干 扰一些传感器的正常工作；
5.载流运动不易控制，不易瞬间起停。
25.2. 流动注射分析
流动注射分析废弃了用气泡间隔样品的方法，将试样溶液 直接以“试样塞”的形式注入到管道的试剂载流中，化学分析 可在非平衡的动态条件下进行。大量实验研究及应用成果表明， FIA具有更多优点：
25.2. 流动注射分析
22.2.1. 超临界流体和超临界流体色谱
流动注射分析（Flow Injection Analysis, FIA）是在间歇式 分 析 （ Discrete analysis ， 也 称 自 动 分 析 ） 和 连 续 流 动 分 析 （Continuous flow analysis，CFA）的基础上，吸收了高效液相 色谱的某些特点发展而来的。
25.2.1.1. 物理混合过程及分散度
2. 分散度 所谓分散度，是指产生分析读数的液流组分在扩散过程发
生前后的浓度比值，即：
Dc0/c ph 0/h p
3. 影响分散度的因素
25.2.1.2. 化学动力学过程
假设在简单FIA系统中，试剂（R）与试样中待测物（A） 在管道中经混合分散并发生如下化学反应：
1.操作简便。 2.重现性好。 3.试剂和试样消耗量小，环境友好。 4.分析速度快。 5.适用于物理和物理化学过程研究。 6.仪器简单，易于自动化。 7. 应用范围广。
25.2. 流动注射分析
一般可将FIA过程概括为：将一定体积的试样液以“塞子” （plug）的形式，间歇地注入到处于密闭的、具有一定组成的 流动液体（试剂或水）载流中，试样塞在被载流推入反应管道 的过程中，因对流和扩散作用而分散形成具有一定浓度梯度的 试样带（sample zone）。该试样带与载流中的某些组分发生化 学反应生成可被检测的物质，最后被载流带入检测器进行检测， 并由记录仪连续记录响应信号随时间的变化情况。
FIA检测系统是将经过流通池的待测物的某种理化特性转 换为可以识别并记录的信号，其组成与HPLC分析所使用的检 测器类似，主要由流通池（flow-cell）、某些信号转换元件 （传感器）和记录仪等组成。
原子吸收和发射光谱仪、荧光光度计、电化学检测器、折 射仪以及分光光度计等均用于FIA过程的检测，其中以分光光 度计的应用最为广泛。
检测器输出信号或记录仪的记录曲线，实质上是对试剂和 试样间的物理混合、化学动力学和能量转换三种过程的综合反 映。
FIA系统可与许多能量转换检测器联用达到多种分析目的。
25.2.2. 流动注射分析仪器的组成
25.2.2.1. 蠕动泵 25.2.2.2. 进样系统
25.2.2.3. 反应器
反应器是被注入的“试样塞”在载流中分散，并与其中的 待测组分发生化学反应生成可被检测的物质的场所。
25.2.1. 流动注射分析基本原理
25.2.1.1. 物理混合过程及分散度
1. 物理混合过程
在FIA中，在试样以“试样塞”进入反应管道并随载流向 前移动的过程中，试样塞的分子与载流之间将产生分子扩散和 对流扩散作用并导致试样“带”变宽，即试样的分散。在混合 过程中，轴向对流和径向分子扩散两种作用的竞争决定了输出 峰的形状。
1.开管式反应器 包括直管（straight）和盘管（coiled）反 应器。前者实际上是一段具有一定长度的细管。
2.填充式反应器 包括填充层（packed bed）和单珠串 （single bead string）反应器等。前者是按需要截取的一段填充 惰性球状微粒（玻璃珠）的管子。
25.2.2.4. 检测系统及响应曲线
d t c k c D A ( c t)D ( D 1 c R c t)d c D t( T D t)dT
25.2.1.3. 能量转换过程
FIA分析中的能量转换过程是通过FIA仪器中的检测系统完 成的。
检测系统能将反应产物的特性或试样本身的性质转换为可 测的电信号，并通过仪器仪表显示或记录。