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流动注射分析

概 述 

流动注射分析(Flow Injection Analysis，简写为FIA)是1974年丹麦化学家鲁齐卡(Ruzicka J)和汉森(Hansen E H)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。 

FIA具有如下的特点：

　

分析过程 

流动注射分析实际上是一种管道化的连续流动分析法。它主要包括试样溶液注入载流、试样溶液与载流的混合和反应(试样的分散和反应)、试样溶液随载流恒速地流进检测器被检测三个过程。 　　

图17.32a最简单的流动注射吸光光度法测定氯离子的流程图及光度扫描曲线 。将一定体积的试样溶液(含Cl－的试 

液)通过进样系统间歇地注入一个由泵推动的密闭的连续流动的载流中，载流由水及反应试剂(此例中为Hg(SCN)2、Fe3+)组成。刚注入的呈“塞”状(如图17.33所示)分布的试样溶液被载流带入反应器并与试剂分散混合，发生化 

学反应生成可被检测的物质。在本例中，由于Cl－地存在，它从Hg(SCN)2夺出Hg2+而释放出SCN－，SCN－与Fe3+反应形成红色配合物，然后进入流通检测器，在480nm波长处测定配合物的吸光度。为考察方法的重现性，取Cl－浓度为5～75ug/ml的七种试样溶液，每种试样溶液重复测定四次，28次测定共耗时23min，如图17.32b。而图17.29c中R30 和R75分别为30和75ug/ml浓度的试样溶液的快速扫描曲线。虽然两次注样时间只相隔30s(即S1和S2之间的时间差)，但前一试样溶液在检测器的流通池中残留量小于1％。表明即使在120个试样/小时的进样频率下，也无携出(Carry－over)现象。 　　 

FIA试样与载流的分散混合以及试样与试剂的化学反应均没有达到平衡状态，之所以能在非平衡状态进行定量分析，是由于将试样注入流路管道后所有各次试样一完全相同的方式相断通过各连接的分析管路，不仅每一试剂在管路中的经历时间一致，而且被分散的程度也一样(即分散达到严格的控制)。所以流动注射分析的基础是试样注入、受控分散核准确流动经历时间这三者的有机结合。

试样带的分散和分散系数 

在FIA中，试样溶液通过注入系统进到恒速流动的载流中，形成了一个个试样带，并随着载流向前流动保持其完整性。但是，试样溶液在与载流接触及流动过程中，有分子的扩散及对流等物理作用，试样带发生分散，亦即试样带不断被载流稀释并沿着轴向变长，形成一个分散的试样带，如图17.34所示。试样带中心的浓度最大(Cmax)，由中心向两侧的浓度逐渐降低，形成一个任一流体微元与相邻微元有着不同的浓度，每个微元都可以用来检测读出信号。 　　 

设计流动注射分析体系时，了解以下两点是十分重要的： 

　

为此，引入了分散系数D(Dispersion Coefficient)的概念，D定义为：在流动注射分析中，流体微元中组分在分散发生前与发生后的浓度比值，即
　

式中C0为分散前(即原始试样溶液)的浓度，C为分散后某流体微元的浓度。在记录曲线的峰值时，对应的是分散试样带中心微元的浓度Cmax，这时，D值最小，即Dmin 　　
　

分散系数不仅描述了原试样溶液被稀释的程度，而且表明了试样同载流中试剂混合的比例关系。D越大，说明试样被载流稀释越严重。当D＝2时，试样被载流以1：1比例稀释。分散系数与存留时间结合起来，可以充分地描述流动注射体系的状态。 　　

分散系数分为高(D>10)、中(D为3～10)、低(D为1～3)三个等级，不同的分析目的和检测手段需要采用不同分散系数的流动注射分析体系的状态。如:　　 
采用离子选择电极作为检测手段时，要求试样应尽可能集中，故设计用D低的体系； 　　
若要求扩展的PH梯度以区分试样中的多组分时，或需要稀释高浓度或进行流动注射滴定时，要用D高的体系；
一般的吸光光度法检测时，通常采用中等地分散系数体系；　　
根据不同需要设计出具有特定分散系数的体系是流动注射分析中的关键问题。 　　

分散系数取决于注入试样溶液的体积、载流的流速和管道的长短、半径及构型等实验号数。 
　

化学反应动力学过程 

在FIA中，由于试剂与试样在管道中的混合分散及化学反应尚未达到平衡状态，故在物理和化学方面均存在着动力学过程的问题。这两个同时发生的过程，其综合的状态如图17.35所示。曲线A描述了试样带的分散及其与试剂(R)发生化学反应时消耗物质(A)的情况，曲线R反映出试样带中心区域试剂浓度的增加；曲线P是试样带通过单管路FIA系统时反应产物(P)与反应时间的关系。P曲线上有最高点(Pmax)，在这点上，产物的生成速率等于分散的速率，其位置取决于反应速率。最大值处的留存时间是进行FIA时所需要确定的一个重要参数。因为它能使测定达到最高的灵敏度。通常可以用改变反应管的长度、调节载流流量(流速)或采用停留结束达到这一最佳留存时间。 

流动注射分析仪器 

FIA仪器由流体驱动单元、进样阀、反应器、检测器及记录仪(或微机处理系统)五个主要部分组成。 

1．流体驱动单元　　 

最常用的流体驱动单元是蠕动泵，它依靠转动的滚轮带动滚柱挤压富有弹性的改性硅橡胶管来驱动液体流动。 　　
图17.36为蠕动泵工作示意图。当泵管夹于压盖与滚柱之间，滚轮转动使泵管两个挤压点之间形成负压，将载流抽吸至管道内连续流动。滚柱滚动的线速度和泵管内径大小决定了载液的流量。这种泵结构简单、方便，且不与化学试剂直接接触，避免了化学腐蚀的问题。通过调节泵速和泵管内径可获得所需载液速度，但载液的脉动不能完全避免，因此也易使输出信号发生一定程度的波动。泵头能安排的泵管数称为“道数”，蠕动泵一般为六道和八道。泵管壁厚的均匀性影响载液流速的均匀性。 　 

泵管的用途是输送载流和试剂，因此应具有一定弹性、耐磨性，且壁厚均匀。常用的泵管材料有“Tygon”，这是加有适量添加剂的聚乙烯或聚氯乙稀管，它适用于水溶液、稀酸和稀碱溶液。 

2．进样阀

进样方式有注射注入和阀切换。后者常用，它类似于高效液相色谱的阀进样。当阀的转子转至“采样”位置时，样品被泵吸入至定量取样孔内；当转子转至“注入”位置时，因定量取样孔直径大，对载流阻力小，因此载流自然进入取样孔，将“样品塞”带至反应器中。由于阀的旁路管内径小，管道长，阻力大，因此在“注入”位置时，旁路管中基本无载流通过。

流动注射技术简介 

1． 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，如前面所述的Cl－的测定，见图17.32a所示。 

2． 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。其流程如图17.39所示。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。 

3． 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，进入反应器及检测其工作原理如图17.40所示。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，如图17.41所示。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。 

4． 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。如图17.42所以示。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。 

流动注射技术简介 

5． 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。 

6． 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。 

7． 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： 

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：
　

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。

【流动注射分析法参考书】： 
1． 李永生，承慰才。流动注射分析。北京大学出版社。1986年。 
2． 陈国树。环境分析化学。江西科学出版社。1988年。 
3． 有色金属工业分析丛书编委会。现代分析化学基础。冶金工业出版社。1993年。 
4． 惠群，史坚，倪君蒂。仪器分析原理。南京大学出版社。1994年。