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流动注射分析及微流控技术

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。
. 流动注射分析
. 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。
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。
. 流动注射分析
. 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:
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,压降和流速与管材种类有关;
,易产生静电积累从而干扰一些传感器的正常工作;
,不易瞬间起停。
. 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:
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,环境友好。
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,易于自动化。
7. 应用范围广。
. 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。
. 流动注射分析基本原理
. 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。
. 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:
3. 影响分散度的因素
. 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:
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:
. 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。
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。