（分析化学专业论文）顺序注射阀上实验室微型化分子光谱分析系统研究及应用.pdf

t，理*函孵譬“f 务。t蜃谭g譬i- j ad i s s e r t a t i o ni na n a l y t i c a lc h e m i s t r y tj j j l- l n v e s t l g a t l o n s0 nm i c r o - s e q u e n t i a li n l -_- 一 - e c t i o n l ab - o n - v a l v ei n t e g r a t i n gm o l e c u l a r s p e c t r o s c o p y 承 a n di t sa p p l i c a t i o n s b yy a n gm e i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw a n gj i a n h u a n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y 2 0 0 8 ，j u l y r ， 0 ； yp。o器惫荸，|， -曹，誓oxn 2 l 叶 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除 加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人 为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 日期：溯7 。矽 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交 流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年r i一年半r l 两年r l 学位论文作者签名：榭 签字日期：刀防，厂可 导师签名： 签字日期： 一妒j i f l q ie 气、； 东北大学博士学位论文 摘要 微型化分子光谱分析系统研究及应用顺序注射阀上实验室 ， 摘要 基于微顺序注射的阀上实验室将流动分析系统的集成化、微型化、自动化程度提高 到一个新的水平，已成为分析检测及样品预处理的理想前端。 为建立多功能微型光谱分析系统，我们设计加工了一种新型的阀上实验室单元。阀 主体内只包含中心通道和进样通道，在其侧面附加一个可拆卸的z 型流通池( 内径11 1 1 1 1 1 ， 检测体积为2 4 山) ，这样的几何构型具有如下特点：( 1 ) 能够进行各种精确的液流操控， 同时可拆卸流通池允许更方便地进行各种柱前柱后衍生反应，有利于复杂反应体系的在 线完成；( 2 ) 在易于加工的条件下，最大程度地增加了通道路径的变形性，有利于多个 试剂试样区带在单线路通道内的高效混合及充分反应；( 3 ) z 型池共有四个端口，三条 通道。在中心通道两端各连接一光导纤维，可实现分子吸收检测；z 型池中三条通道的 共平面性为光电倍增管p m t 提供了与其光窗面积相匹配的发光检测面积，可直接将 p m t 的光窗贴近z 型池进行化学发光检测；电极也可以从z 型池的四个端口任意接入 三条通道内，以执行电化学及电化学发光检测。上述结构特点，决定了该新型阀上实验 室单元与微顺序注射技术和各种检测手段的高度相容性，从而为发展和完善阀上实验室 联用技术提供了必要的硬件保证。 围绕着上述阀上实验室单元，我们开展了以下几方面工作： 一、建立了基于微顺序注射阀上实验室的现场铬形态分析系统。利用所设计单元 与分子吸收光谱检测手段高度相容的特点以及优良的液固操控性能，用二苯胺卡巴肼 显色法，通过光纤传导由便携式分光光度计在线检测了原始样品中c r ( v i ) 及c r ( i i i ) 氧化 后总铬的含量，一个固定化n a b i 0 3 微柱结合于阀单元内首次实现了c r ( i i i ) 的高效非均 相定量氧化。系统整体尺寸为3 0c r u x 2 0c m x 2 0c i i l ，总重量约2k g ，其小型化、便携式 的特点为突发性的铬环境污染事件提供了方便、快捷、准确的现场分析手段。 二、建立了微顺序注射阀上实验室固相氧化器化学发光一体化分析系统，证实了 n a b i 0 3 微柱是不稳定氧化试剂初生态b r 2 在线生成的有效手段，并首次发现了能量转移 化学发光反应体系在阀上实验室系统内独特的时间分辨效应。在所建立的系统内，利用 b r 2 四环素h 2 0 2 能量转移化学发光体系，对牛奶中四环素残留进行了测定，结果表明该 系统的性能指标如试剂消耗、稳定性、灵敏度等均优于流动注射分析系统；在该系统内， 利用多区带流体在单线路通道内特殊的区带重叠和混合模式，结合能量转移化学发光多 ，i 参， t ， l ：|审- l氢甏 7 ，、 i 5 、 东北大学 i n v e s t h ed e v e l o p m e n to fm i c r os e q u e n t i a li n j e c t i o nl a b o n - v a l v e ( 邮i - l o v ) s y s t e mp r o v i d e s v a s tp o t e n t i a l sf o ri n s t r u m e n tm i n i a t u r i z a t i o n ，i n t e g r a t i o na n da u t o m a t i o n ，w h i c hh a sb e e n d e m o n s t r a t e dt ob eas u p e r bf r o n t e n df o rv a r i o u sa n a l y s i sa n ds a m p l ep r e t r e a t m e n t i nt h ep r e s e n tt h e s i s ，w e d e s i g n e dan o v e lc o n f i g u r a t i o no fl o vs y s t e m az - t y p e m u l t i - p u r p o s ef l o w - t h r o u g h c e l lw i t hac h a n n e li n n e rd i a m e t e ro f1 0m ma n dac h a n n e l l e n g t ho fc a 3 0t o n ia l o n gw i t hac a p a c i t yo fc a 2 4 z li sd e s i g n e dt ob ed e m o u n t a b l ef r o mt h e m a i n b o d yo ft h el o v w h e n e v e rn e c e s s a r y t h i sc o n f i g u r a t i o nn o to n l yf a c i l i t a t e sas e r i e so f m i n i a t u r i z e df l u i d i co p e r a t i o n s ，i n c l u d i n gm i x i n ga n dd i s p e r s i o no ff l u i d i cz o n e s ，b u ta l s o o f f e r sv a s tp o t e n t i a l sa n dv e r s a t i l i t i e si ni t sc o m p a t i b i l i t yw i t ha v a r i e t yo fd e t e c t i o nm o d e s ， e g ，s p e c t r o p h o t o m e t r y ，c h e m i l u m i n e s c e n c e ( c l ) ，e l e c t r o c h e m i s t r y a n de l e c t r o c h e m i l u m i n e s c e n c e ( e c l ) f u r t h e r m o r e ，t h ep r e s e n tc o n f i g u r a t i o na l l o w st h ei n t e g r a t i o no fa ne x t r a e n t i t y ，e g ，ap a c k e dm i c r o - c o l u m nr e a c t o r , w h i c hf a c i l i t a t e sv a r i o u sd e r i v a t i v er e a c t i o n sa n d p o s t - c o l u m nd e t e c t i o n s a d d i t o n a l l y ，t h i sc o n f i g u r a t i o no fl o v i sm u c he a s i e rt of a b r i c a t e c o m p a r e dt ot h o s ei n t e g r a t i n gt h ef l o wc e l li n t oo n eo fi t ss i xp o r t s g e n e r a l l y ，e x t e n s i v ea t t e n t i o n sh a v eb e e nf o c u s e do nt h es e l e c t i v i t ya n ds e n s i t i v i t yi n s p e c i a t i o na n a l y s i s p r a c t i c a l l y ，i ti s m o s ti m p o r t a n tt oa v o i da n yc h a n g eo ft h ec h e m i c a l f o r m so ft h es p e c i e so fi n t e r e s t h o w e v e r , t h ec u r r e n t l ya v a i l a b l es p e c i a t i o ns y s t e m sc a n h a r d l yf u l f i lt h er e q u i r e m e n t so fe a s eo fo p e r a t i o n ，p o r t a b i l i t ya n di n - s i t ua n a l y s i s t h i sw o r k d e v e l o p e dap o r t a b l ea n a l y z e rf o rf i e l ds p e c i a t i o no fi n o r g a n i cc h r o m i u mb ye m p l o y i n ga n o v e lc o n f i g u r a t i o no f 茚i l o vs y s t e m t h es y s t e mi n c o r p o r a t e sam i c r o - c o l u m nr e a c t o r p a c k e d w i t hb i s m u t h a t ei m m o b i l i z e ds i l i c a b e a d s ，w h i c he n t a i l s o n - l i n e q u a n t i t a t i v e c o n v e r t i o no ft r i v a l e n tc h r o m i u mv i ah e t e r o g e n o u so x i d i z i n gr e a c t i o n ap o r t a b l ec h r o m i u m s p e c i a t i o na n a l y z e rw a st h u sd e v e l o p e d ，w i t hd i m e n s i o n so f3 0c r u x 2 0c r u x 2 0c ma n d at o t a l w e i g h to f r i om o r et h a n2k g t h ea f o r e m e n t i o n e d 邮i l o vs y s t e mh a sa l s ob e e ne m p l o y e df o rc h e m i l u m i n e s c e n c e v g e n e r a l l y , t h i s t h e s i sd e m o n s t r a t e dn e wf u n c t i o n so fm i c r o s e q u e n t i a l i n j e c t i o n l a b - o n - v a l v es y s t e m ，i n c l u d i n gi t s h y p h e n a t i o nw i t hv a r i o u sd e t e c t i o nt e c h n i q u e s ，i e ， m o l e c u l a ra b s o r p t i o n ，c h e m i l u m i n e s c e n c ea n de l e c t r o - g e n e r a t e dc h e m i l n m o n e s c e n c e t h e p r a c t i c a la p p l i c a b i l i t i e so fm i n i a t u r i z e dl a b - o n - - v a l v em o l e c u l a rs p e c t r o c o p i cs y s t e mo na v a r i e t yo ff i e l d s h a v eb e e nw e l ld o c u m e n t e d ，i n c l u d i n gs p e c i a t i o na n a l y s i s ，f o o ds a f e t y c o n t r o l ，e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g , b i o l o g i c a la n a l y s i sa n dm a c h n i s ms t u d i e so fc h e m i c a l r e a c t i o n k e yw o r d s ：s e q u e n t i a li n j e c t i o n ；l a b - o n - v a l v e ；i n t e g r a t i o n ；f i e l da n a l y s i s ；s p c c i a t i o n ；c h e m i l u m i n e s c e n c e ； t i m e - r e s o l v e d ；e l e c t r o c h e m i l u m i n e s c e n c e ，摹 l ，1 、弘陟 i 墨 r一 东北大学博士学位论文 ， 7 摘要。 目录 v 第1 章顺序注射阀上实验室：相关理论与方法 1 1 1 流动注射分析技术的发展1 1 1 1 流动注射分析1 1 1 2 顺序注射分析2 1 1 3 微顺序注射阀上实验室4 1 2 微顺序注射阀上实验室理论基础6 1 2 1 通道内液流的分子行为扩散与分散6 1 2 2 通道尺寸与几何构型：。7 1 2 3 通道内的携出效应8 1 2 4 通道内的区带重叠9 1 3 微顺序注射阀上实验室方法技术1 0 j 1 3 1 样品预处理方法1 0 1 3 2 操作技术。1 6 1 4 微顺序注射阀上实验室与各种分离检测技术的联用1 9 1 5 本论文工作选题思路及研究目标2 1 参考文献。2 2 第2 章便携式顺序注射固相氧化器一阀上实验室铬形态分析系统2 9 2 1 引言2 9 2 2 实验部分3 2 2 2 1 试剂3 2 2 2 2 铋酸钠的固定化及微型氧化反应器的制备3 3 2 2 3 便携式铬形态分析仪3 3 2 2 4 实验步骤3 4 2 3 结果与讨论3 5 2 3 1 阀单元构造3 5 2 3 2 微反应器的寿命及效能评价3 6 目录 3 6 3 9 4 3 4 4 4 5 4 6 4 6 ：；】【 5 】【 5 5 5 6 5 9 6 8 6 9 7 1 8 2 参考文献。8 2 第4 章阀上实验室电致化学发光系统研究8 9 4 1 前言8 9 4 2 实验部分9 2 4 2 1 试剂9 2 4 2 2 仪器9 3 4 2 3 微顺序注射阀上实验室电化学发光分析系统9 3 4 2 4 实验步骤9 4 4 3 结果与讨论9 4 4 3 1 电解池构型及特点9 4 4 3 2 电化学发光行为研究9 5 4 3 3 电化学发光机理探讨9 7 4 3 4 配位比和k o h 浓度对电化学发光性质的影响。1 0 1 4 3 5 连续流动模式定量测定c a 2 + 参数优化1 0 3 4 3 6 共存物质的影响1 0 6 - 、， 声、 哆 j 东北大学博士学位论文 4 3 7 方法的分析性能1 0 7 4 3 8 样品测定j ：。1 0 7 ， i， 4 4 结论1 0 8 参考文献1 0 9 攻读博士学位期间发表论文目录 致 射。 1 1 5 1 1 7 ，拳q 。 ，；妒 事叁e 膏l 。v fy 东北大学博士学位论文第1 章顺序注射一阀上实验室：相关理论与方法 第1 章顺序注射阀上实验室：相关理论与方法 0 - - f 、 微电子工业、大规模集成电路、微处理器和微型计算机的发展，使现代仪器分析进 入了自动化和智能化的新阶段。自动化的分析系统应该包含一个或多个能够自动操纵分 析过程、严格控制测定条件的器件，并且相对于手工操作，可以节省人力、物力消耗， 在较长的时间内能够提供良好的分析性能和稳定的重现性。流动注射、顺序注射分析技 术及最近发展起来的微顺序注射阀上实验室技术为分析仪器的自动化、智能化、微型 化提供了强有力的技术保证，不仅在常规体积样品在线预处理方面引起了革命性的变 化，而且极大地提高了整个分析过程的效率、可靠性和分析速度，减少了样品污染，也 降低了样品及试剂消耗和废液产量。更重要的是，这些流动分析技术可以有效实现某些 手工操作难以进行或无法实现的分析任务。流动注射分析技术自1 9 7 5 年引入以来，在 自动分析和联用技术中发挥着不可替代的重要作用。到目前为止，该领域中发表的研究 论文已超过1 6 5 0 0 篇，出版相关专著2 0 余部【1 1 。本章将在流动注射技术发展的历史背景 下，着重介绍微顺序注射一阀上实验室的理论基础、技术方法以及与各种检测技术联用 方面的最新进展。 1 1 流动注射分析技术的发展 1 1 1 流动注射分析 传统的溶液化学分析基于溶液间充分、均匀的混合及在此基础上达到的物理广化学平 衡状态。1 9 7 5 年r u z i c k a 和h a n s e n 摆脱了以往观念的局限，提出了流动注射分析( f l o w i n j e c t i o na n a l y s i s ，f i a ) 这一概念【2 1 。f i a 是采用一定体积的试样注入到无气泡间隔的流 动试剂( 载流) 中，混合的过程与反应时间高度重现，在非平衡状态下高效率地完成试 样的在线处理与测定。这次变革打破了几百年来分析化学反应必须在物理化学平衡条件 下完成的传统，使非平衡条件下的分析化学成为可能，从而开创了流动分析的新时代1 3 】。 基本的f i a 实验装置非常简单。如图1 1a 所示，用液流驱动装置( 蠕动泵) 把载 流和试剂溶液泵入反应管道并流过检测器；通过注入阀将一定体积的试样注入到载流 中：试剂与载流中的试样在反应管道内按照图1 1b 所示的混合模式发生化学反应；反 应产物通过流通池并被检测。 东北大学博士学位论文 第1 章顺序注射一阀上实验室：相关理论与方法 图1 1 流动注射系统流路示意图( a ) 和通道内液流混合模式0 3 ) f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo ff i as y s t e m ( a ) a n dm i x i n gm o d ei nt h ef l u i dc h a n n e l ) f i a 的突出特点是适应性广、样品预处理能力强、试剂试样消耗低、设备简单价廉， 特别是在分离与预浓集技术、固定化酶技术和利用不稳定反应和中间产物分析等方面发 挥着其它分析方法所不能比拟的作用。 尽管f i a 技术是非常有效的进样手段，但也存在一定的局限性。f i a 分析中多使用 采样环，其体积固定不易变动，且使用蠕动泵难以灵活地控制液流流速；f i a 使用的泵 管易磨损，影响了长期应用的稳定性；复杂分析任务引起流路的复杂化进而带来更多的 不确定因素，影响测定结果的可靠性。受这些因素制约，f i a 系统至今未能成为大规模 商品化的常规分析系统。 1 1 2 顺序注射分析 为促进f i a 技术的普及与发展，满足过程分析对分析方法的更高要求，1 9 9 0 年 r u z i c k a 和m a r s h a l l 提出了顺序注射分析技术( s e q u e n t i a li n j e c t i o na n a l y s i s ，s i a ) 1 4 】。 s i a 更新了仪器装置，采用了程序化操作系统，从而达到了自动化与智能化的新水平。 作为第二代流动注射分析技术，其在十几年内得到迅速发展，目前已成为流动分析领域 的重要组成部分【5 ，6 1 。 如图1 2 a ，s i a 分析系统的核心部件是一个多位选择阀，阀的各个通道位置分别与 1 _ l 毫 各； ： q r 9 p 套 l 4 _”j _ ， i 东北大学博士学位论文 ： 。r ， ， 。 第1 章顺序注射一阀上实验室：相关理论与方法 检测器、样品、试剂等相连，中心通道与一个可以双向运动的注射泵相联通。通过泵的 一，、j ， 往复运动，顺序地从不同通道将一定体积的溶液区带吸入泵与阀之间的储存管中，在这 一过程中样品和试剂区带之间由于径向和轴向的分散作用互相渗透形成试剂样品重叠 区带而发生化学反应，反应产物被转移入检测器，在检测器中可以得到与常规流动注射 分析中类似的峰型信号。s i a 通道内程序化试剂试样混合模式如图1 2b 。 图1 2 顺序注射系统流路示意图( a ) 和通道内混合模式( bo 飞 f i g 1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fs i as y s t e m ( a ) a n dm i x i n gm o d ei nt h ef l u i dc h a n n e l0 3 ) s i a 除了具有f i a 的优点外，与f i a 技术相比还有以下特点：( 1 ) 系统硬件简单可 靠，样品和试剂的混合程度、反应时间可完全通过计算机程序控制，最大程度地减少了 操作中的人为干预，操控的方便程度和精确程度比流动注射分析有大幅度的提高，容易 实现集成化和微型化；( 2 ) 可以用同一装置完成不同项目的分析而无需改变流路设置， 特别适用于过程分析和复杂体系中多组分同时检测；( 3 ) 样品和试剂的消耗量很小，适 于长时间监测和试剂比较昂贵、样品来源受限制的分析。 顺序注射分析与流动注射分析类似，可以同各种检测器【8 】以及高效液相色谱、毛细 管电泳等分离手段联用【9 l ，从而完成不同的分析任务，尤其是生物过程检测、药物动力 学研究等复杂体系分析1 6 ，1 m 1 2 1 。 每 t 赫 东北大学博士学位论文第1 章顺序注射一阀上实验室：相关理论与方法 1 1 3 微顺序注射阀上实验室 分析系统的集成化、微型化一直是分析化学的发展方阿，其总体目标是仪器整体尺 寸的小型化、试剂及试样消耗的微量化、使用便捷的传感器化等。自九十年代中期以来， 这方面的工作更多地集中于微流控分析的研究。微流控分析以分析化学为基础，微机电 加工为依托，核心是将分析实验室的功能集成在厘米尺度的微芯片即芯片实验室 ( 1 a b o n - c h i p ，l o c ) 上，实现流体在微通道中的流动、混合、反应、分离和在线检测。 这样不仅可使珍贵的生物试样与试剂消耗降低到微升甚至纳升级，而且使分析速度上百 倍提高，测试费用大大降低，充分体现了当今分析设备微型化、集成化与便携化的发展 趋势。 + 在实际样品分析中，大多数的分析对象组成复杂且时常含有不溶性微粒，导致芯片 内微通道的堵塞及通道内表面的污染，从而限制l o c 系统的广泛应用。此外，纳升级 试剂及样品用量有可能带来较大的取样误差而影响整个测定的准确度。从大多数的实际 分析任务来看，设计简单、紧凑、能将试剂及样品消耗降低至微升水平的耐用型分析系 统在现阶段具有重要意义。 基于以上考虑，2 0 0 0 年r u z i c k a 等提出了基于s i a 的微型化系统一阀上实验室 ( m i c r os e q u e n t i a li n j e c t i o ni nl a b o n v a l v e ，邮i l o v ) ，即第三代流动注射分析技术【1 3 l 。 其基本思想是通过将多功能样品检测池集成于一个安装在多位选择阀顶端的多通道模 块中，从而进一步降低s i a 系统的通道尺寸。在这样的微分析系统中，所有必要的单元 操作，如样品的稀释、试剂试样的加入混合以及阀内反应、阀内样品塞停流、微珠注射、 阀内微型反应柱的填充以及阀内分子光谱实时检测等，都能够高效、可控地进行。 如图1 3 所示，r u z i c k a 等报道的第一个“阀上实验室”系统是一个由系列微管道组成 的硬聚氯乙烯( p v c ) 集成块，将该集成块安装在一个6 位自动选择阀上。集成块上包 含中心控制管道、不同用途的工作管道以及微型流通池等。中心控制管道分别与6 个出 口位相连通，并通过该中心位与作为液流驱动的高精度注射泵相连构成流动分析系统。 在位于2 号出口的多功能流通池中可以进行一系列流控操作以及分子吸收光谱荧光光 谱的阀内实时监测。管道内径尺寸约为1 6t o n i ，这样的设计不仅能满足未经处理的实 际样品流控要求，同时也能够在通道内直接进行微珠注射和填充剂可更新表面操作，为 原位反应、实时监测提供了有效的技术保障。 1 ， 垂 - 夺i 弗 i 毫 、 l ? 宁 ，f p p ( i 东北大学博士 图1 3 微顺序注射阀上实验室系统流路示意图r 7 】 f i g 1 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fam i c r o - s e q u e n t i a li n j e c t i o nl a b - o n v a l v es y s t e m 在顺序注射基础上发展起来的s i l o v ，在以下几方面具有较突出的优势： ( 1 ) 优良的操控性能：系统的程序化控制不仅允许所有的单元操作灵活、方便、 ? 精确定时地进行，而且连接于系统中的外围设备如附加的检测器、泵、阀也都能被整体 控制。 ( 2 ) 测定参数的自动优化：在系统内可以自动稀释样品，也可以将样品试剂混合 物自动分割成一系列不连续的区带从而优化测定参数。 ( 3 ) 微通道设计的多样性：可以缩短流通路径、任意改变通道尺寸及内部通道的 ! ： 几何形状，使一些在f i a 和s i a 中无法进行的操作技术得以有效执行。 ( 4 ) 元件组装的自由化：允许所需要的外围设备自由地与核心部件组合，为联用 技术的创新性发展提供了可能。 ( 5 ) 操作模式灵活多样：可以根据反应的动力学过程进行连续流动或停流的液流 输送模式，从而使液液反应、液固反应、阀内分离富集等各种物理化学过程得以有效控 制。 流动注射技术经过三十多年的发展，第一代流动注射、第二代顺序注射由于优良的 操控能力以及与各种检测及分离技术的高度相容性，已经成为样品前处理的主要手段之 一，在环境科学、生命科学、临床医学、材料科学等领域中得到了广泛应用。第三代顺 序注射阀上实验室技术从提出到现在只有不到十年的时间，涉及的应用范围还比较有 限，但从其目前表现出的整体性能来看，茚1 l o v 在分析领域将有巨大的发展空间。为 了有效地发展邮i l o v 技术，有必要对其理论基础进行讨论。 流动路径 图1 4 直形通道内样品区带分散行为 f i g 1 4t h ed i s p e r s i o np a t t e r no fs a m p l ez o n ei nas t r a i g h tf l o wc h a n n e l 分散则是一种动力学行为。如图1 4 ，初始浓度为。的样品被注入固定流速的载流 中后沿着载液方向运动，大体积的载液介质在流动过程中向样品区带中分散，形成分散 区带，这一区带的轮廓决定于通道的几何形状以及载液的流速。即便在最简单的直线形 通道中注入样品后得到的响应曲线也有一个拖尾峰。曲线的峰值可以反映浓度梯度大 小，峰值处的样品浓度用g 槲表示。根据分散前后样品浓度比值，可以定义分散系数d 为： d ；乒 ( 1 - 2 ) c 懈 k 上z ， 聿 l i 笆 p j 、f 事 0 谚 譬 i ) 、 噜 8 尊 t 】 r - l ，； ，二 。、，o o 。：0 。 东北大学博士学位论文 第1 章顺序注射一阀上实验室：相关理论与方法 分散系数d 的物理意义是注入样品区带被载液稀释的倍数【3 1 。当d = 2 时，说明试 样中待测组分被载液稀释了2 倍。如果载液就是试剂，d 值大小则表明试样与试剂混合 的比例。 分子的扩散和分散行为决定反应产物的形成以及反应的完全程度。扩散由分子的内 在因素决定；分散与分子本身的性质如分子量、分子结构均没有关系，但是它却强烈地 依赖于外部物理因素；分散行为形成了样品与试剂比较大的接触表面，有利于分子之间 的扩散、渗透以及相互反应。相比于扩散，液流的分散行为发生的速度更快一些，因此， 通道内液流分子可控的分散是流动分析技术的核心。在f i a 、s i a 及心1 l o v 系统中， 各液流区带都经过严格控制的分散，形成高度重现的反应产物带，并输送至流通式检测 池对其物理或化学信号进行检测。 1 2 2 通道尺寸与几何构型 根据流体力学理论【1 5 l ，流体在管路中有多种运动方式，其中层流和湍流是最主要的 两种，这两种流动类型对物质混合过程的影响极不相同。层流是一种流线式流动，而湍 流的特征是流体中形成许多离散的小漩涡，这些漩涡相互作用导致流体有效的混合。由 于这种混合是由流体旋转引起的，因此在物体的边界处混合作用尤其明显。至于流体是 层流还是湍流状态，界定的准则是雷诺系数恐。胎定义为 r e 旦( 1 3 ) 栅 式( 1 3 ) 中q 为体积流速( m 3s 1 ) ，d 为管道直径( m ) ，曲流体运动粘度( m 2 s - 1 ) 。 当r e 2 0 0 0 时，为湍流状态，r e + 1 8v 。尽管铋酸钠具有非常强的氧化性，能够氧化许多无机化合物和有机化合物 6 1 ，但因为其非水溶性的特点在分析化学中一直没有得到足够的重视。近几年来，随 着固相反应器与流动技术的发展，铋酸钠逐渐引起分析工作者的关注。i j 等【4 7 】将n a b i 0 3 粉末固定于海绵中并制成固相反应器。铋酸钠在酸性介质中可以氧化亚硫酸钠产生弱化 学发光，而吡哌酸可使该体系的发光信号显著增强，结合流动注射技术建立了吡哌酸药 物制剂的化学发光测定方法。k a r g o s h a 4 8 j 在红外振动下将铋酸钠粉末吸附在预先经高温 处理的硅胶表面，然后将固相反应器用于流动注射体系，用光度法测定了水样中的m n 2 + 含量。s o r o u r a d d i n 掣4 9 j 利用固定化n a b i 0 3 氧化儿茶酚胺类药物生成有色化合物，建立 了肾上腺素、去甲肾上腺素的流动注射分析法。 最实用的形态分析系统应该是一种操作简单、分析速度快、能够在现场进行准确测 定的便携式微型化设备。第一章详细讨论过邮i l o v 的工作原理、系统构造以及操控特 征，不难看出这种高度集成化、智能化、微型化的微分析系统为便携式、适用于现场测 定的分析仪器研究开辟了一条新的途径。 本实验旨在设计一种新型的多功能阀上实验室单元，以期与各种分子光谱检测技术 高度相容，为顺序注射阀上实验室微型光谱分析系统的建立提供必要的硬件设备。 在此基础上，本实验将以铬形态分析为目标，以l o v 为核心部件，用国标方法一 二苯胺卡巴肼( d p c ) 显色法，通过光纤传导由便携式分光光度计在线检测原始样品中 c r ( w ) 及c r ( i i i ) 氧化后总铬的含量，从而研制一种便携式分析仪器，以实现冶金、皮革、 电镀等铬化合物相关产业排放废水中c r ( i i i ) c r ( v i ) 的现场监控。 至于c r ( i i i ) 的氧化，拟利用邮i l o v 优良的液固操控性能，在阀内结合一固定化 铋酸钠微柱，通过非均相氧化反应在线完成。 2 2 实验部分 2 2 1 试剂 实验中所用化学试剂均为分析纯；所用水为超纯水( 1 8mqc m ) ；所有的玻璃仪 器使用前需用2 5 ( v ) 硝酸浸泡，然后用水冲洗干净备用。 1 0 0 0m gl c r ( i i i ) 、c r ( v 1 ) 储备液：分别准确称取0 5 3 7gc r c l 3 6 h 2 0 ( 北京恒业中 远化工有限公司，北京) 和0 2 8 3g 烘干的k 2 c r 2 0 7 ( 天津砚桥化工有限公司，天津) 于 i i 东北大学博士学位论文第2 章便携式顺序注射固相氧化器阀上实验室幸各形态分析系统 小烧杯中，用水溶解后移至1 0 0m l 容量瓶中，定容备用。工作溶液用0 5t o o ll d 磷酸( 天 河化学试剂厂，天津) 通过逐级稀释储备液得到。 l ，5 - 二苯胺卡巴肼( 1 , 5 - d i p h e n y l c a r b a z i d e ，d p c ) 储备液( o 0 1m o l1 - 1 ) ：将0 2 4 2g d p c ( 上海第三化学试剂厂，上海) 溶于5 0m l 丙酮( 天津科密欧试剂研发中心，天津) 中，用脱气后的超纯水稀释至1 0 0m l ，得一无色透明溶液，贮存于棕色瓶中，4 c 避光 保存。一旦溶液颜色发黄，则需重新配制。各种浓度的工作溶液用0 6m o ll d 硫酸( 沈 阳化学试剂厂，沈阳) 稀释储备液而得。实验中用超纯水作为载液。 2 2 2 铋酸钠的固定化及微型氧化反应器的制备 铋酸钠的固定化：商品化铋酸钠一般为超细粉末，如果直接装柱，在流动体系中会 产生较大的流动阻力，同时铋酸钠的流失亦会导致较大的分析误差，因此必须选用适当 的载体来固定铋酸钠。常用的固定化载体有离子交换树脂、凝胶、微( 多) 孔玻璃、硅 胶等，主要的固定化方法包括物理吸附、聚合包埋、化学沉积、化学键合等。考虑到离 子交换树脂对反应体系中的某些试剂离子也会产生吸附，适用范围较窄；而微孔玻璃和 凝胶作为载体固定化程序相对复杂，所以本实验选用廉价、性质稳定的硅胶通过物理吸 附法固定铋酸钠。称取约5 og 硅胶( 6 0 一8 0 目，五四化学试剂厂，上海) 置于马弗炉中， 在1 0 0 0 * c 高温下处理三小时；冷却后，加入1 og 铋酸钠( n a b i 0 3 ，默克公司，德国) 粉末；将两种固态混合物搅拌约3 0r a i n ，使细小的n a b i 0 3 粉末吸附于硅胶表面，形成 浅黄色的固定化n a b i 0 3 微粒。，： 微型氧化反应器制备：称取上述固定化的n a b i 0 3 微粒约5 0m g ，将其填充入一段 长3c m 的聚四氟乙烯( p 硼m ) 管内( 2 0m m i d 3 2m m o d ) ，用玻璃棉堵塞两端以防 试剂流失。将微填充柱连接于实验流路中。使用前，微柱须经过平衡处理，即用0 5m o l l 1h 3 p 0 4 和超纯水以1 8m lm i n 1 的流速正反两个方向交替冲洗微柱，直到流出液无色、 透明为止，以保证完全去除固定化微粒表面与载体硅胶结合松散的n a b i 0 3 粉末，同时 使n a b i 0 3 微氧化柱处于酸性工作状态。 2 2 3 便携式铬形态分析仪 为了满足现场铬形态分析的需要，本实验设计了一种便携式的微型分析仪，其流路 如图2 1 所示，一个2 5m l 双向注射泵( c a v r o ，s u n n y v a l e ，加拿大) 用于液流的驱动； 一个新设计加工的阀上实验室单元作为整个系统的核心部件执行所有必要的反应；一个 固定化n a b i 0 3 硅胶微柱结合在l o v 的通道3 内，用于c r ( m ) 的在线氧化；位于阀主体 侧面的z 型流通池与l o v 端口5 相连，流通池中心通道的两端分别连接石英光纤 东北大学博士学位论文第2 章便携式顺序注射固相氧化器阀上实验室铬形态分析系统 ( i d = 4 0 0 岬，0 5m ，o c e a n o p t i c s ，美国) 。检测光纤再与微型u s b2 0 0 0 分光光度计 ( o c e a n o p t i c s ，美国) 的检测端口相联。所有实验步骤的控制和实验数据的采集均由 、 j w i n d o w s2 0 0 0 操作系统下的f i a l a b3 0 0 0 软件( f l m a bi n s t r u m e n t s ，美国) 完成。 所有外部通道均用内径为0 8n l n l 的f i f e 管连结；阀与注射泵之间的储存管的容 积约为2 4 m l 。 射光纤 图2 1 顺序注射阀上实验室便携式铬形态分析系统结构示意图 f i g 2 1s c h e m a t i cs e t u po ft h es i - l o vp o r t a b l ea n a l y z e rf o rc h r o m i u ms p e c