《分析化学中分自动分析技术微型全分析系统省公开课金奖全国赛课一等奖微课获奖PPT课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《分析化学中分自动分析技术微型全分析系统省公开课金奖全国赛课一等奖微课获奖PPT课件（87页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第七章第七章自动分析技术自动分析技术/微型全分析系统微型全分析系统7.1导言导言7.2流动注射分析流动注射分析7.3微型全分析系统微型全分析系统7.4微流控分析芯片加工技术微流控分析芯片加工技术7.5微流控分析芯片应用微流控分析芯片应用微流控分析芯片，方肇伦微流控分析芯片，方肇伦 等编著，等编著，科学出版社，科学出版社，1/877.1导言导言传统化学分析方法是手工分析，至今仍被广泛应用。传统化学分析方法是手工分析，至今仍被广泛应用。手工分析缺点是手工分析缺点是手续繁杂、速度慢手续繁杂、速度慢，分析结果与分析，分析结果与分析人员技术水平和熟练程度相关，还不可防止地使分析人员技术水平和熟练程度相关
2、，还不可防止地使分析人员长时间接触化学药品，严重影响健康。人员长时间接触化学药品，严重影响健康。为了克服这些缺点，几十年来，人们依据不一样分析要为了克服这些缺点，几十年来，人们依据不一样分析要求，模拟手工分析程序设计了各种各样机械程序分求，模拟手工分析程序设计了各种各样机械程序分析装置，用机械操作代替手工操作，给分析工作者减轻析装置，用机械操作代替手工操作，给分析工作者减轻了许多负担，分析速度、准确度、精度也有了一定提了许多负担，分析速度、准确度、精度也有了一定提高。但这类程序分析器普通只适于分析一两种特定组分，高。但这类程序分析器普通只适于分析一两种特定组分，通用性差。通用性差。2/8719
3、50s，“连续流动分析连续流动分析”技术发展起来了。它基本思绪是把技术发展起来了。它基本思绪是把各种化学分析所要用试剂和试样按一定次序和百分比用各种化学分析所要用试剂和试样按一定次序和百分比用管道管道和泵和泵输送到一定反应区域，进行混合，完成化学反应，最终输送到一定反应区域，进行混合，完成化学反应，最终经检测器检测并由统计仪显示分析结果，实现了经检测器检测并由统计仪显示分析结果，实现了管道化自动管道化自动连续分析连续分析。但这些分析仍建立在。但这些分析仍建立在化学平衡化学平衡基础上，速度受到基础上，速度受到限制。限制。丹麦技术大学丹麦技术大学J.Ruzicka 和和E.H.Hansen于于19
4、75年提出了年提出了流动注流动注射分析射分析(Flow Injection Analysis，FIA)新概念。把试样溶液直新概念。把试样溶液直接以接以“试样塞试样塞”形式注入到管道试剂载流中，不需反应进行形式注入到管道试剂载流中，不需反应进行完全，就能够进行检测。摆脱了传统必须在稳态条件下操作完全，就能够进行检测。摆脱了传统必须在稳态条件下操作观念，提出化学分析可在观念，提出化学分析可在非平衡动态条件非平衡动态条件下进行，从而大大提下进行，从而大大提高了分析速度。普通可达每小时进样高了分析速度。普通可达每小时进样100300次。从样品注入到次。从样品注入到检测器响应检测器响应时间间隔普通小于时
5、间间隔普通小于1 min1 min。设备较简单并灵活，操。设备较简单并灵活，操作简便，开启和关机时间仅需几分钟，所以作简便，开启和关机时间仅需几分钟，所以FIA技术不但适于大技术不但适于大批量常规分析，也适于少许非常规样品自动测定。批量常规分析，也适于少许非常规样品自动测定。3/87FIA是一个良好微量分析技术，普通每次测定仅需是一个良好微量分析技术，普通每次测定仅需25100 L样品溶液。因为样品与试剂用量甚微，又在封闭系统中完样品溶液。因为样品与试剂用量甚微，又在封闭系统中完成测定，所以极大地降低了对人体毒害和对环境污染。成测定，所以极大地降低了对人体毒害和对环境污染。当代分析化学发展趋势
6、是向现场、实时、动态、当代分析化学发展趋势是向现场、实时、动态、高灵敏度、高选择性、高通量方向发展！高灵敏度、高选择性、高通量方向发展！1990s早期发展起来微全分析系统早期发展起来微全分析系统(微流控芯片、生微流控芯片、生物芯片和芯片试验室物芯片和芯片试验室)为实现上述目标提供了可能性。为实现上述目标提供了可能性。4/877.2流动注射分析流动注射分析7.2.1 流动注射分析基本原理流动注射分析基本原理7.2.1.1 受控扩散和定时重现受控扩散和定时重现样品被注入到试剂载流后，式样塞有矩形浓度轮廓。当样品在载流载带样品被注入到试剂载流后，式样塞有矩形浓度轮廓。当样品在载流载带下经过管道移动时
7、，就发生带展宽或扩散。展宽区带形状由两种作用决下经过管道移动时，就发生带展宽或扩散。展宽区带形状由两种作用决定：定：对流和扩散（径向和轴向）。对流和扩散（径向和轴向）。图图7.1 对流和扩散作用对流和扩散作用(a)无分散；无分散；(b)对流引发分散；对流引发分散；(c)对流和径向扩散引发对流和径向扩散引发分散；分散；(d)径向扩散引发分散径向扩散引发分散 5/877.2.1.1 7.2.1.1 受控扩散和定时重现受控扩散和定时重现流动注射分析常在对流和径向扩散两种分散共存流动注射分析常在对流和径向扩散两种分散共存情况下进行。当样品经过流通池时，检测器所情况下进行。当样品经过流通池时，检测器所统
8、计是连续改变信号，能够是吸光度，电极统计是连续改变信号，能够是吸光度，电极电势或其它物理参数，电势或其它物理参数，因而不需要到达因而不需要到达化学平化学平衡衡。6/87比如，以分光光度法测定比如，以分光光度法测定Cl-，所基于反应是：，所基于反应是：图图7.2 流动注射测定流动注射测定Cl-(a)流路设计图；流路设计图；(b)5-75 gmL-1平行平行测定；测定；(c)30 gmL-1和和75 gmL-1样品快速扫描。样品快速扫描。7/87这些试验清楚地显示了这些试验清楚地显示了FIA基本特点：在样品经过分析基本特点：在样品经过分析流路时，以完全相同方法次序处理全部样品。即对一流路时，以完全
9、相同方法次序处理全部样品。即对一个样品怎样处理，对其它任何样品也以完全相同方法进个样品怎样处理，对其它任何样品也以完全相同方法进行处理。行处理。流动注射体系中准确体积样品注入、重现和精流动注射体系中准确体积样品注入、重现和精确确定时定时进样以及从注入点到检测点体系完全相同操进样以及从注入点到检测点体系完全相同操作作（所谓控制或可控分散所谓控制或可控分散），形成注入样品浓度梯度，），形成注入样品浓度梯度，从而产生瞬间、但可从而产生瞬间、但可准确重现准确重现统计信号，使得流路中统计信号，使得流路中任何一点都能像稳态一样准确测量。普通用峰值作为分任何一点都能像稳态一样准确测量。普通用峰值作为分析信号
10、，能够取得较高灵敏度。析信号，能够取得较高灵敏度。受控扩散和定时重现受控扩散和定时重现是流动注射分析是流动注射分析(FIA)(FIA)基本特点！基本特点！8/877.2.1.2 分散系数分散系数为了合理地设计为了合理地设计FIA体系，需要知道原始样品溶液在它流到检测体系，需要知道原始样品溶液在它流到检测器途中稀释程度，以及从样品注入到读数消耗了多长时间。器途中稀释程度，以及从样品注入到读数消耗了多长时间。定义分散系数定义分散系数(dispersion coefficient,D)为为D c0/c (D 0)(7.1)式中式中c0为注入样品中分析物浓度，为注入样品中分析物浓度，c为检测器中分析物
11、浓度。为检测器中分析物浓度。这里这里D仅考虑了分散物理过程；但应该强调是：任何仅考虑了分散物理过程；但应该强调是：任何FIA峰峰都是两种过程同时发生结果：区带分散物理过程与样品和试都是两种过程同时发生结果：区带分散物理过程与样品和试剂间发生化学反应过程。剂间发生化学反应过程。9/87分散系数主要受三种相互作用且能够控制变量影响，分散系数主要受三种相互作用且能够控制变量影响，即样品体积、管长度和流动速度。即样品体积、管长度和流动速度。可用染料来测定可用染料来测定D D。设计设计FIAFIA体系时，需依据试验目标综合考虑各种原因影体系时，需依据试验目标综合考虑各种原因影响，以确定最正确流路。比如，
12、建立响，以确定最正确流路。比如，建立FIAFIA系统是用于常规系统是用于常规大批量分析，那么提升分析速度、增加进样频率就是大批量分析，那么提升分析速度、增加进样频率就是要考虑主要方面，就应该降低进样体积，缩短管长，要考虑主要方面，就应该降低进样体积，缩短管长，提升流速。提升流速。10/87分散系数大致可分为分散系数大致可分为4种情况：有限（种情况：有限（D=13）、中度）、中度（D=310）、高度（）、高度（D10）以及减小（）以及减小（D1）。对应）。对应设计设计FIA体系已被用于各种各样分析任务。当注入样体系已被用于各种各样分析任务。当注入样品以未被稀释形式被运载到检测器时，采取是有限分品
13、以未被稀释形式被运载到检测器时，采取是有限分散，也就是将散，也就是将FIA体系用作将样品严格而准确地运载到检测体系用作将样品严格而准确地运载到检测装置（如离子选择电极、原子吸收分光光度计等）工具。装置（如离子选择电极、原子吸收分光光度计等）工具。当待测物必须与载液混合并发生反应，以形成要检测产物当待测物必须与载液混合并发生反应，以形成要检测产物时采取中度分散。只有当样品必须被稀释到测量范围内时才时采取中度分散。只有当样品必须被稀释到测量范围内时才应用高度分散。减小分散意味着检测样品浓度高于注入应用高度分散。减小分散意味着检测样品浓度高于注入样品浓度，即发生了在线预浓缩（比如经过离子交换柱或样品
14、浓度，即发生了在线预浓缩（比如经过离子交换柱或经过共沉淀等）。经过共沉淀等）。11/877.2.2 流动注射分析仪基本组成流动注射分析仪基本组成FIA仪普通由流体驱动单元、进样阀、仪普通由流体驱动单元、进样阀、反应管道和检测器组成。反应管道和检测器组成。12/87在流动注射体系中，最常见是用蠕动泵驱动溶液。图在流动注射体系中，最常见是用蠕动泵驱动溶液。图7.3表明表明了蠕动泵操作原理。了蠕动泵操作原理。蠕动泵普通都有蠕动泵普通都有810个排列成圆圈滚轴，经过转动滚轴将个排列成圆圈滚轴，经过转动滚轴将液体压进塑料或橡胶管。流速由马达转速和管子内径控制。液体压进塑料或橡胶管。流速由马达转速和管子内
15、径控制。若固定蠕动泵旋转速度若固定蠕动泵旋转速度,流速就由每个管子内径决定。商品流速就由每个管子内径决定。商品化管子含有化管子含有0.254mm内径，允许流速最小为内径，允许流速最小为0.0005 mL/min，最大为最大为40 mL/min。蠕动泵能够进行几个管子同时操作，尤其。蠕动泵能够进行几个管子同时操作，尤其适于应用各种试剂但又不能预先混合情况。适于应用各种试剂但又不能预先混合情况。FIA也能够用活塞也能够用活塞泵，但价格较贵，且只允许单流路传送，对于多路管线，则需泵，但价格较贵，且只允许单流路传送，对于多路管线，则需几个单独泵。几个单独泵。7.2.2.1 流体驱动单元流体驱动单元图图
16、7.3 单管路蠕动泵示意图单管路蠕动泵示意图13/877.2.2.2 进样阀进样阀进样阀进样阀(valve for injection)又称采样阀、注入阀或注射阀。用又称采样阀、注入阀或注射阀。用得最多、且效果最令人满意是类似于高效液相色谱（得最多、且效果最令人满意是类似于高效液相色谱（HPLC）中所用旋转式六通阀。注入样品体积能够为中所用旋转式六通阀。注入样品体积能够为5 200 L，典，典型是型是1030 L，用含有适当长度和内径外部环管计量。这，用含有适当长度和内径外部环管计量。这种种“塞式塞式”注入进样方式对载流流动干扰很小，取样和注入过注入进样方式对载流流动干扰很小，取样和注入过程均可准确重复。程均可准确重复。14/877.2.2.3 反应管道反应管道在在FIA管线中所用导管多数是由细孔径聚乙烯管和聚四氟乙管线中所用导管多数是由细孔径聚乙烯管和聚四氟乙烯管组成，经典内径为烯管组成，经典内径为0.50.8 mm。反应管道。反应管道(reaction pipeline)通常是盘绕着，能够增强径向扩散、减小轴向扩散，减弱试样塞通常是盘绕着，能够增强径向扩散、减小轴向扩散，减弱试样塞
