流動(dòng)注射分析技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

自dannika和hazo提出了流動(dòng)注射分析（fia）的概念以來(lái)，fia于1975年迅速發(fā)展。這一創(chuàng)造性的自動(dòng)分析技術(shù)具有適應(yīng)性強(qiáng)、分析效率高、樣品和樣品工作量少、檢測(cè)精度高、設(shè)備簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)fia產(chǎn)品的價(jià)格很低。流動(dòng)注射分析發(fā)展迅速,它已被廣泛應(yīng)用于很多分析領(lǐng)域。目前,應(yīng)用的主要領(lǐng)域有:水質(zhì)檢測(cè)、土壤樣品分析、農(nóng)業(yè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)、科研與教學(xué)、發(fā)酵過(guò)程監(jiān)測(cè)、藥物研究、禁藥檢測(cè)、血液分析、食品和飲料、分光光度分析、火焰光度分析、質(zhì)譜分析、原子光譜分析、熒光分析、生物化學(xué)分析等等。1微織管和催化劑fiaRuzicka等1988年在其專著第二版中對(duì)流動(dòng)注射分析作的定義為:向流路中注入一個(gè)明確的流體帶,在連續(xù)非隔斷載流中分散而形成濃度梯度,從此濃度梯度中獲得信息的技術(shù)。FIA基本流路系統(tǒng)一般包括:載液驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、注入閥或進(jìn)樣器、微型反應(yīng)器、流通式檢測(cè)器(折光計(jì)、比色計(jì)、紫外/可見分光光度計(jì)、離子選擇電極、原子吸光光度計(jì)、熒光計(jì)等)、信號(hào)記錄裝置。其中蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)載液以恒定流率流過(guò)細(xì)微的管路;注入閥將一定體積的樣品溶液重現(xiàn)地注入載液中;微型反應(yīng)器則使注入的樣品帶在其中適當(dāng)?shù)胤稚?并與載液(或試劑)中某些組分進(jìn)行反應(yīng),生成能使檢測(cè)器產(chǎn)生適量響應(yīng)值的產(chǎn)物;檢測(cè)器和信號(hào)記錄裝置測(cè)量和記錄下響應(yīng)值數(shù)據(jù)。圖1是FIA的基本流路圖。反應(yīng)器中的反應(yīng)可以是不完全反應(yīng),只要其中的分散和反應(yīng)可以高度重現(xiàn)就可以,而FIA體系恰好能滿足重現(xiàn)性良好的要求。并且FIA能控制試樣的分散,從而能有效控制樣品的稀釋度,進(jìn)而縮短反應(yīng)時(shí)間,提高檢測(cè)效率,所以FIA已成為在線檢測(cè)的理想工具。試樣和試劑的分散是所有FIA方法的核心問(wèn)題,通常用分散系數(shù)D來(lái)描述試樣的分散狀態(tài)。D的定義是:決定分析讀數(shù)的流體微元組分在擴(kuò)散過(guò)程發(fā)生前(C0)與發(fā)生后(Cmax)的濃度比值,即D=C0/Cmax。FIA體系中的分散過(guò)程是許多不同因素(包括流速、管道長(zhǎng)度、管徑、試樣體積與檢測(cè)方式等)的復(fù)雜函數(shù)。主要影響有:①試樣的進(jìn)樣體積越大,D越小。②反應(yīng)器管長(zhǎng)度越大,D越大。③管路集合形狀越復(fù)雜,試樣在其中流動(dòng)方向改變?cè)蕉?D越大。如:直管反應(yīng)器的D最小,盤管與編織管(3D)反應(yīng)器的D較大。④流速對(duì)D的影響與反應(yīng)器的管徑大小有關(guān),關(guān)系較為復(fù)雜。圖1僅為FIA方法的基本流路圖,在具體應(yīng)用時(shí),則要根據(jù)所確定的具體分析方案調(diào)整流路設(shè)置,改變相應(yīng)部件的幾何尺寸。2fia儀器的發(fā)展目前FIA在國(guó)外的分析化學(xué)、分析儀器領(lǐng)域是一個(gè)熱門課題,近年來(lái)丹麥、德國(guó)、巴西、美國(guó)、日本、英國(guó)、瑞典等許多國(guó)家都在FIA分析方法和分析儀器領(lǐng)域里取得了豐碩的成果。就FIA分析方法來(lái)說(shuō),要使不同的待分析物在產(chǎn)生適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)值,通常所需發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)是不同的,所以沒有通用的分析方法,FIA方法也舉不勝數(shù)。在FIA儀器發(fā)展的早期,甚至是在微機(jī)化的FIA系統(tǒng)出現(xiàn)以后,儀器的調(diào)整、維護(hù)和使用都仍需要操作者具有較高的專業(yè)技能才能保證檢測(cè)具有較高的準(zhǔn)確性,一定程度上制約了FIA推廣。這就需要在提高FIA系統(tǒng)的穩(wěn)定性、耐用性和簡(jiǎn)易性方面努力,正如“傻瓜”照相機(jī)的出現(xiàn)使得照相機(jī)迅速進(jìn)入了千家萬(wàn)戶,要推廣FIA儀器也同樣需要其“傻瓜化”。方肇倫教授曾經(jīng)指出FIA儀器要實(shí)現(xiàn)“傻瓜化”的重要技術(shù)途徑應(yīng)包括以下幾方面:①補(bǔ)充比蠕動(dòng)泵更易掌握、性能更穩(wěn)定的液流驅(qū)動(dòng)手段;②研制更可靠耐用的抗多種溶劑腐蝕的注入閥;③實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)微機(jī)控制;④簡(jiǎn)化流路;⑤實(shí)現(xiàn)儀器專用化。李昌厚則認(rèn)為FIA的發(fā)展方向可能有三個(gè)方面:向多組分的同時(shí)測(cè)定方向發(fā)展;將新技術(shù)不斷引入FIA;FIA儀器向超小型化方向發(fā)展。1990年Ruzicka和Marshall提出了順序注射分析(SIA),由于它流路簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)化、容易實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制,就作為流動(dòng)注射分析的一個(gè)分支迅速發(fā)展起來(lái),目前已成為流動(dòng)注射分析研究最活躍的領(lǐng)域之一。從國(guó)外FIA系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀可以更清楚地了解FIA技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向,按照自動(dòng)化程度的高低,目前國(guó)外FIA儀器產(chǎn)品可以分為四代:流動(dòng)注射(1代)、順序注射(2代)、微珠注射(3代)和閥上實(shí)驗(yàn)室(4代)。嚴(yán)格講,微珠注射和閥上實(shí)驗(yàn)室都屬于順序注射,只是與傳統(tǒng)的順序注射相比它們的自動(dòng)化程度和集成度更高,這些系統(tǒng)在國(guó)外已經(jīng)有商品化的儀器出售,下面就分別簡(jiǎn)單介紹其基本流路及原理。2.1帶定量環(huán)的注入閥和測(cè)量條件傳統(tǒng)的流動(dòng)注射分析系統(tǒng)由一臺(tái)高性能的多通道蠕動(dòng)泵、一個(gè)注入閥、一個(gè)反應(yīng)管和一臺(tái)檢測(cè)器(如帶流通池的分光光度計(jì))組成,其基本流路與圖1所示流路相同。多通道蠕動(dòng)泵以恒定流率驅(qū)動(dòng)載液,并且脈沖響應(yīng)小;帶定量環(huán)的注入閥可每次向流路中注入精確體積的試樣。典型的載液流率為1ml/min,試樣體積為50μl,檢測(cè)速度為2～4樣/min。FI廣泛應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)(如檢測(cè)銨鹽、磷酸鹽、硝酸鹽和亞硝酸鹽)、土壤樣品分析、發(fā)酵過(guò)程監(jiān)測(cè)、藥物開發(fā)、科研和教學(xué)。如徐華華等采用在流動(dòng)注射體系中加氣體擴(kuò)散膜裝置的方法,讓水樣中的NH4+在NaOH載液中轉(zhuǎn)變成NH3后擴(kuò)散透過(guò)氣體分離膜,再在H2SO4吸收液中又重新轉(zhuǎn)變成NH4+,與苯酚試劑及次氯酸鈉試劑反應(yīng),在pH約為12條件下生成靛酚藍(lán),用靛酚藍(lán)光度法在625nm處進(jìn)行測(cè)定水中銨離子。2.2順序注射分析特點(diǎn)順序注射分析系統(tǒng)(圖2)包括一臺(tái)單通道高精度的雙向泵(如帶三通閥的注射泵)、一個(gè)儲(chǔ)存管、一個(gè)多通道選擇閥和一臺(tái)檢測(cè)器。系統(tǒng)的核心部件是一個(gè)多通道選擇閥,此閥的各個(gè)通道位置分別與檢測(cè)器、樣品、試劑等通道相連,公共通道與一個(gè)可以抽吸和推動(dòng)液體的注射泵相通,通過(guò)泵的作用,順序從不同的通道吸入一定體積的區(qū)帶到泵與閥之間的儲(chǔ)存管中,然后將這些溶液區(qū)帶推至檢測(cè)器,在這一過(guò)程中樣品和試劑的區(qū)帶之間在管道中由于徑向和軸向的分散作用而互相滲透引起試劑與樣品帶的重疊和混合,試劑與樣品發(fā)生化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)致反應(yīng)產(chǎn)物的形成。多通道選擇閥內(nèi)部有細(xì)微管道,管道的一端始終與閥中央的公共通道相聯(lián),另一端則可以在人為控制或計(jì)算機(jī)控制下切換到別的通道口,使公共通道與其互通,從而使注射泵能依次完成吸入試樣、試劑及推送液體到檢測(cè)器等動(dòng)作。在檢測(cè)器中可以得到與正常流動(dòng)注射分析中類似的峰型信號(hào)。與流動(dòng)注射分析相比,順序注射分析具有以下的特點(diǎn):①系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)單可靠,計(jì)算機(jī)控制方便,樣品和試劑的混合程度、反應(yīng)時(shí)間可完全通過(guò)軟件控制,最大程度減少了操作中的人為干預(yù)?？刂频姆奖愠潭群途_程度比流動(dòng)注射分析有大幅度地提高。容易實(shí)現(xiàn)集成化和微型化。②可以用同一裝置完成不同項(xiàng)目的分析而無(wú)需改變流路設(shè)置,特別適用于過(guò)程分析和多組同時(shí)分析。③樣品和試劑的消耗量很小,適于長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)和試劑比較昂貴、樣品來(lái)源限制的分析。SI廣泛應(yīng)用于質(zhì)譜分析、火焰溫度—紅外分析、熒光顯微術(shù)、流動(dòng)細(xì)胞計(jì)、熒光分析、電化學(xué)分析、化學(xué)傳感器技術(shù)。如武亞艷等根據(jù)四價(jià)鈰在酸性介質(zhì)中能氧化非那西汀產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光,建立了順序注射發(fā)光測(cè)量非那西汀的方法。2.3微珠注射分析微珠注射通常用于生物化學(xué)研究,與順序注射的操作方式相同,流路組成也基本相同(圖3),同樣有多通道選擇閥,只是用微珠作為試劑的載體,微珠可再生。在進(jìn)行微珠注射分析時(shí),微珠表面上固化了一層合適的反應(yīng)物,微珠被截留到JR流通池中,含有生物分子的溶液和載液以精確控制的流速流過(guò)微珠表面,進(jìn)入檢測(cè)器中檢測(cè),最后微珠自動(dòng)從JR流通池底部排放掉。微珠注射分析在紫外-可見-紅外光譜范圍進(jìn)行檢測(cè),微珠可以選擇性地捕獲所選生物分子。在整個(gè)光譜范圍內(nèi)實(shí)時(shí)收集到的檢測(cè)結(jié)果提供了生物分子的結(jié)合、解離和所捕獲的生物配位體的類型方面的信息。微珠注射分析操作成功的關(guān)鍵之處是要注入精確定量的微珠并且它們能在指定的區(qū)帶捕獲生物分子。微珠注射廣泛應(yīng)用于生物配體交互作用研究,Ruzicka等還預(yù)測(cè)微珠注射將會(huì)在細(xì)胞生物學(xué)和藥物檢測(cè)研究中發(fā)揮作用。2.4流動(dòng)注射分析系統(tǒng)閥上實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)是微型化設(shè)計(jì)的順序注射系統(tǒng)(所有的部件都集成在一個(gè)整體閥上),它是目前集成程度和自動(dòng)化程度最高的流動(dòng)注射分析系統(tǒng)。這種精密制作的儀器將試樣的注入口、反應(yīng)通道及多功能流通池以特別設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)集成在多通道選擇閥上,選擇閥各端口在閥內(nèi)部用微通道互相連接,可以在計(jì)算機(jī)控制下正向流動(dòng)/逆向流動(dòng)/停流,從而進(jìn)行樣品的稀釋、試劑的添加、混和、培養(yǎng)和反應(yīng)速率的測(cè)定。多功能流通池兩端用光纖與檢測(cè)器相聯(lián),進(jìn)行檢測(cè)。1、2、3代系統(tǒng)的分析應(yīng)用都可以使用閥上實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)(圖4)。值得一提的是,上面介紹的四代流動(dòng)注射分析系統(tǒng)都已實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)微機(jī)控制,我們也可以發(fā)現(xiàn)FIA系統(tǒng)正沿著微型化、簡(jiǎn)單化、智能化的方向發(fā)展?？梢灶A(yù)計(jì),隨著制造工藝的進(jìn)步,集成化程度的進(jìn)一步提高,分析方法的豐富,儀器的耐用性和易操作性的提高,制造成本的降低,FIA系統(tǒng)必將作為常規(guī)的分析測(cè)試手段進(jìn)入到眾多的實(shí)驗(yàn)室及工廠生產(chǎn)線上,為科研和生產(chǎn)服務(wù)。3微型化的實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)流動(dòng)注射、順序注射和微珠注射是反應(yīng)自動(dòng)分析領(lǐng)域相關(guān)的、主流的技術(shù)。其中順序注射和