（分析化学专业论文）在线分离富集系统设计及分析应用.pdf

摘要 本文利用t e f l o n 毛细滤管结合流动注射( f i a ) 提出了一种新的在线富集方 法。本方法基于t e f l o n 毛细滤管对大分子的吸附作用。另外，通过使用强碱对 t e f l o n 毛细滤管内表面进行碱性处理使带负电荷，从而对阳离子产生吸附而达到 富集检测的目的。运用本体系对苯酚、二氧化氯、青霉素、高铁离子以及铜离子 进行了富集，效果良好。 4 氨基吡唑啉酮衍生物在铁氰化钾存在下和苯酚存在显色反应。利用这些显 色反应生成的化合物在t e f l o n 毛细滤管内的吸附，我们实现了苯酚的在线富集。 测定苯酚的灵敏度比常规的光度方法提高了2 个数量级，可实现p p b 级苯酚的定 量测定，而且方法简便可行、重现性好。文章还讨论了不同氨基吡唑啉酮衍生物 对在线分离富集的影响。 ， 依据在二氧化氯存在下，4 一氨基安替比林和苯酚的显色反应所生成的有色络 合物与二氧化氯的量成正比且能被有效地富集在t e f l o n 毛细滤管内，使用洗脱剂 洗脱进入流通池被检测。经富集后，方法灵敏度的提高也有近二个数量级，可测 定痕量水平( p p b 级) 的二氧化氯，是目前测定二氧化氯最灵敏的方法之一。其 它氯化物和金属离子的干扰可通过聚四氟乙烯滤膜处理而得以除去。 利用青霉素在稀酸室温条件下会发生分子内重排而生成其具有类似。一氨基 酸结构的青霉胺的特性，与茚三酮显色，将有色物质富集在毛细滤管内，用混和 溶剂洗脱进入流通池被检测。建立了测定痕量青霉素药物的方法。 我们对t e f l o n 毛细管进行了碱性处理，建立了一个高灵敏和高选择性的测 定痕量铁的方法。高铁离子与2 一( 2 - 羟基4 吡啶偶氮) 聚氧乙烯醚( p e h p a b ) 在碱性条件下( p h = 1 0 ，o ) 因形成带正电的络合物而被带负电的毛细管内壁吸附。 相同情况下，常见的二价金属离子因生成中性络合物而可与高铁离子分离，从而 消除了常见基质中金属离子的干扰。即在富集高铁离子的同时，有效地提高了选 择性。 使用被碱性处理的毛细滤管直接富集铜离子，利用2 一( 5 一溴一2 一吡啶偶 氮) 一5 一二乙氨基苯酚( 5 一b r p a d a p ) 在酸性条件下对c u ( ii ) 的良好显色效果，使 用加入5 一b r p a d a p 的酸性缓冲液作为洗脱液，进行在线检测。对毛细滤管在线 富集结合流动注射体系的同时洗脱显色方式进行了有益的尝试。结果令人满意。 a b s t r a c t an e wo n 1 i n ec o n c e n t r a t i o nm e t h o di sp r o p o s e db yu s e dt e f l o nc a p i l l a r yf i l t e r t u b ec o u p l e dw i t hf l o wi n j e c t i o ns y s t e m ( f i a ) t h i sm e t h o db a s e do nt h ea d s o r p t i v e c a p a c i t yo ft e f o nc a p i l l a r yf i l t e rt u b ef o rm o l e c u l e i na d d i t i o n ，t h i st e f l o nc a p i l l a r y t u b ec a na d s o r bp o s i t i v ei o na f t e ra l k a l it r e a t m e n tb ys o d i u mh y d r o x i d e i nt h i sp a p e r , w ee n r i c ha n dd e t e r m i n et r a c ep h e n o l ，c h l o r i n ed i o x i d e ( e 1 0 2 ) ，p e n i c i l l i n ，i r o n ( i i i ) a n d c o p p e r ( i i ) t h ed e t e r m i n a t i o no f p h e n o l i so nt h e b a s eo ft h er e a c t i o n sb e t w e e n 4 - a m i n o p y r a z o l o n e d e r i v a t i v e sa n d p h e n o lu n d e rp o t a s s i u mf e r r i c y a n i d e t h ec o l o r e d c o m p l e x w e r ee n r i c h e di nt e f l o nf i l t e rt u b e a n de l u t e di n t of l o we e l lf o rm e a s u r e m e n t t h es e n s i t i v i t yo ft h i sm e t h o di n c r e a s e s10 0t i m e s i tc a nb eu s e dt od e t e r m i n et r a c e l e v e l p h e n o l( h g l )c o n v e n i e n t l y a n d c r e d i b l y t h e e f f e c to fd m 奄r e n t 4 - a m i n o p y r a z o l o n e o no n l i n ee n r i c h m e n ta n dd e t e r m i n a t i o n p h e n o lw a sd i s c u s s e d c h l o r i n ed i o x i d e ( c 1 0 2 ) c a nb eo n l i n ee n r i c h e da n dd e t e r m i n e db a s e do nt h e c o l o rr e a c t i o no f 4 - a m i n o a n t i p y r i n ef 4 一a a p ) w i t hp h e n o li nt h ep r e s e n c eo fc h l o r i n e d i o x i d e t h er e s u l t a n tc o l o r e dc o m p l e x w h i c hj sj np r o p o r t i o nt oa m o u n to fc h l o r i n e d i o x i d e ，c a nb ee f f i c i e n t l yc o n c e n t r a t e di nt h et e f l o nc a p i l l a r yf i l t e rt u b e ，t h e e n h a n c e m e n to f s e n s i t i v i t yf o rt h i sm e t h o di sa b o u tl0 0t i m e sa f t e rc o n c e n t r a t i o na s o n eo fm o s ts e n s i t i v em e t h o d s ，i tc a nb eu s e dt od e t e r m i n et r a c ea m o u n t so fc i o ， ( p p b ) t h ei n t e r f e r e n c e so f o t h e rc h l o r i n a t e ds p e c i e sa n dm e t a li o n sa r ee l i m i n a t e db y u s i n gp o r o s i t yp o l y t e t r a f l u o r o e t h y l e n e ( p t f e ) m e m b r a n ef o rp r e t r e a t m e n t an o v e lm e t h o df o rd e t e r m i n a t i o no f p e n i c i l l i ni sd e v e l o p e do nt h eb a s eo fc o l o r r e a c t i o no fn i n h y d r i nw i t hp e n i c i l l a m i n et h a td e r i v a t e df r o mp e n i c i l l i nu n d e ra c i d c o n d i t i o n t h et e f l o nf i l t e rt u b ei su s e dt oo n - l i n ee n r i c hc o l o r c o m p l e x f r o m n i n h y d r i na n dp e n i c i l a m i n e t h i sm e t h o d c a nb eu s e dt od e t e r m i n et r a c ep e n i c i l l i n w eh a v et r e a t e dt h ei n n e rs u r f a c eo ft e f l o nc a p i l l a r yt u b eb ys o d i u mh y d r o x i d e t h ep o s i t i v ec h a r g e df e r r i cc o m p l e xw i t ht h em a c r o m o l e c u l ec h r o m o g e n i cr e a g e n t 2 - ( 2 - h y d r o x y l 4 一p y r i d i n ea z o b e n z 0 1 ) p o l y e t h e n o x ye t h e r ( p e h p a b ) i st r a p p e do n t h e i n n e rs u r f a c eo ft e f l o nc a p i l l a r y ，a n i o na n dc o m p l e x e so fl o w e rc a t i o ns u c ha s b i v a l e n tm e t a li o n sc a nn o ta d s o r b e db e c a u s eo fe l e c t r i cn e u t r a l i t yo re l e c t r o s t a t i c e x c l u s i o ni n t e r a c t i o n t h e p r o p o s e d f i am a n i f o i dw a s a p p l i e d t ot h ed i r e c t d e t e r m i n a t i o no fi r o ni nw a t e rs a m p l e sw i t hs a t i s f a c t o r yr e s u l t s 5 - b r p a d a pi sas e n s i t i v ed e v e l o p e rf o rc o p p e ri o ni na c i dc o n d i t i o n w et r yt o b u i l dan e ws i m u l t a n e o u se l u t i o na n dc o l o r a t i o nm e t h o db yu s ea c i d i c5 - b r - p a d a p s o l u t i o nt oe l u t e c o p p e r i o nt h a te n r i c h e do nt e f l o nf i l t e rt u b e ，t h er e s u l ti s s a t i s f a c t o r y 致谢 y6 1 5 9 0 5 本文是在导师金谷副教授的精心指导下完成的。三年的学习生活，使我对金 老师有了深入的了解，金老师的严谨治学，诚恳的处事态度使我肃然起敬。在此 向金老师表示深深的敬意和谢意 非常感谢周俊英老师、江万全老师、邵利民老师、周恒珍老师、姚奇志老师、 郑化桂老师、顾洪举老师对我的关心和帮助 感谢实验室的李吉峰同学、张蕾同学、李懋同学、范燕苏同学、王吉同学以 及同寝室的韩开震同学、马超雄同学、胡斌同学在三年里所给予的帮助 感谓，所有关心和帮助过我的人! 谨以此文献给我的母亲，谢谢她无私的母爱，感谢她将我养育成人 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章前言 1 流动注射分析( f i a ) 简介 1 1f i a 前的溶液自动分析 西方国家远在4 0 年代就有人试图通过机械手和传送带的技术路线来解决实 验室中溶液处理的低效率。其结果总是形成的设备价格昂贵，又容易出现机械故 障。由于在观念上没有超越手工间歇式操作的模式，即使工作正常，效率的提高 也十分有限。这一途径从未得到真正的推广与普及。在5 0 年代后期，在溶液自 动分析领域出现了一次重要的变革。美国的t e c h n i c o n 等公司在s k e g g s 1 提出 的空气泡间隔式连续流动分析( 分割了连续的流程分析，s c f a ) 的基础上大力发展 了名为a u t o a n a l y z e r 的溶液处理自动分析仪，第一次把分析试样与试剂从传统 的试管，烧杯容器中转入管道中。试样与试剂在连续流动中完成物理混合与化学 反应。这一新技术在6 0 与7 0 年代的西方得到了一定程度的普及，对化学实验室 中溶液处理的基本操作的变革起到了推动作用。 1 2f i a 的创立 间隔式连续流动分析仍然推迟了传统操作最终都要达到物理与化学平衡的 观念。实际上，之所以在液流中加入气泡也正是为了利用其搅拌与壁垒的双重功 能来创造实现两种平衡的条件。这一措麓虽然有效，却从另一方面，即平衡条件 的制约，限制了其进一步提高效率。1 9 7 5 年由丹麦学者r u z i c k a 与h a n s e n 2 首次命名的流动注射分析( f l o wi n j e c t i o na n a l y s i s ，f i a ) 摆脱了上述观念上的 局限，采用把一定体积的试样注入到无气泡间隔的流动试剂( 载流) 中的办法， 保证混合过程与反应时间的高度重现性，在非平衡状态下高效率地完成了试样的 在线处理与测定，从而触发了化学实验室中基本操作技术的又一次更大，更根本 的变革。这次变革的根本性质在于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，从而开发出分析 化学的一个全新领域。 1 3 f i a 在近代分析化学发展中的地位 f i a 的出现是现代科学技术发展过程中对化学信息的质量与数量要求不断 提高的结果。f i a 正是从实验室操作中的最基础部分入手来提高整个化学分析过 程的效率及改善提供信息的能力。一般说，f i a 只有同特定的检测技术结合才能 中国科学技术大学硕士学位论文 形成一个完整的分析体系。但也正因此它才有几广泛的适应性；而一旦实现了这 种结合就会使一些传统的检测方法( 其中包括如原子吸收光谱分析那样本来就效 率不低的方法) 分析性能有着显著的提高，甚至飞跃。 1 4 流动注射分析的特点 f i a 的主要特点可以概括为： ，广泛的适应性：f i a 可与多种检测手段联用，既可完成简单的进样操作又可实 现诸如在线溶剂萃取，在线柱分离及在线消化等较复杂的溶液操作自动化。它 还是一种比较理想的进行自动监测与过程分析的手段。 高效率：一般分析速度可达1 0 0 3 0 0 样h ，包括较复杂的处理。如萃取，吸 着分离等过程的测定也可达4 0 6 0 样h 。 r 低消耗：f i a 是一种微量分析技术：一般消耗试样为1 0 一1 0 0 l n 定；试剂消 耗水平也大体相似。与传统手工操作相比，可节约试剂与试样9 0 - 9 9 ，这对 于使用贵重试剂的分析有重要意义。 ，高精度：f i a 的测定精度可达到0 5 一i r s d ，多数优于相应的手工操作。即使 是很不稳定的反应产物或经过很复杂的在线处理，测定精度仍可达1 5 一3 r s d 。 r 设备简单、廉价。 2 流动注射分析基本原理 2 1f i a 的定义 r u z i c k a 等 3 1 9 8 8 年在其专著第二版中对流动注射分析作的定义为：向流路 中注入一个明确的流体带，在连续非隔断载流中分散而形成浓度梯度，从此浓度 梯度中获得信息的技术。尽管此定义包含范围较宽，但仍不足以反映有关文献中 出现的各种新技术，此后的发展再次使f i a 的定义出现疑难。其中包括如何定义 注入过程本身，因为当前多数试样实际上是“插入”载流中，而在f 1 分离体系中 常常试样是从保留介质中“洗入”载流之中。除此之外，f i 的非空气间隔特点也 时常被突破。为了不过分强调f i 的硬件特征，以致在进一步发展中再次被迫修改 定义，方肇伦曾在1 9 9 2 年提出如下定义；“在热力学非平衡条件下，在液流中重 现地处理试样或试剂区带的定量流动分析技术” 4 ，该定义将f i a 与连续流动分 析( s c f a ) 从样品或试剂带的处理方式上加以区别，并强调t f i a 是在非平衡的状 中国科学技术大学硕士学位论文 态下进行操作和测定的虽然某些其他牵涉流动的分析技术女f f h p l c 有时也未必达 到完全平衡，但它们不以非平衡操作为体系的设计思想，从而可加以区别。 2 2 基本f i a 系统 f i a 基本流路系统一般包括： - 载流( c a r r i e r ) 驱动系统。当前最常用的为蠕动泵( p e r i s t a l t i cp u m p ) ，载流 为用来载带试样的流动液体，最简单的是蒸馏水，也可以是与试样反应的试剂。 - 注样器( s a m p l ei n j e c t o r ) 或注样阀( s a m p l ei n j e c t i o nv a l v e ) 。用于向流动 的载流中注入一定体积的试样。 ，微型反应器( r e a c t o r ) 。由细管道构成的盘管。 ，流通式检测器( f l o w t h r o u g hd e t e c t o r ) 。用于检测在反应器中形成的供检测 的反应产物。( 折光计、比色计、紫步f - i 见分光光度计、离子选择电极、原子 吸收光度计、荧光计等) 。 ，信号记录装置长图记录仪 其中蠕动泵驱动载液以恒定流率流过细微的管路；注入阀将一定体积的样品 溶液重现地注入载液中：微型反应器则使注入的样品带在其中适当地分散，并与 载液( 或试剂) 中某些组分进行反应，生成能使检测器产生适量响应值的产物；检 测器和信号记录装置测量和记录下响应值数据。图1 1 是f i a 的基本流路图。 c r 图1 1f i a 基本流路图 c ，载液；r ，试剂；p ，蠕动泵：s ，试样 r c ，反应器；d ，检测器；w ，废液 当装入注样阀中一定体积的试样被注入以一定流速连续流动的载流中后，在 流经反应器时与载流在一定程度上相混，与载流试剂反应的产物在流经流通式检 测器时得到检测，记录仪读出为一峰形信号。典型的f i a 峰如图1 2 所示，一般以 中国科学技术大学硕士学位论文 峰高为读出值绘制校正曲线及计算分析结果。图中s 为注样点，t 为试样在系统中 的留存时间一般为数秒至数十秒钟。 扫描时闻 图l f2 典型的f i a 记录峰 s ，注样点：t ，留存时间：a 峰顶读出位：b ，峰坡读出位 2 3 试样区带的分散过程 f i a 诸多优点之根源在于其注入试样的特殊方式及这种方式所导致被注入的 试样区带在流动载流中的特殊状态。 当把一个试样以塞状注入到连续流动的载流( 试剂) 中的一瞬间，其中待测物 的浓度沿着管道分布的轮廓呈长方形( 见图1 3 ) 。试样带注入后立即从载流获得 一定的流速而随其向前流动。在f i a 中所惯用的管道孔径( 0 5 - l m m ) 及流速 ( o 5 - 5 m l m i n ) 条件下，流体处于层流状态，因此，管道中心流层曲线速为流体 平均流速的二倍。越靠近管壁的流层线流速越低，因而，在流动中形成了抛物线 形的截面a 随着流过管道距离的延长此抛物线更加发育。由于此对流过程与分子 扩散过程同时存在，试样与载流之间逐渐相互渗透，出现了试样带的分散。待测 物沿着管道的浓度轮廓逐渐发展为峰形，峰的宽度随着流过的距离的延长而增 大，峰高则越低。由此可见，在f i a 中试样与载流( 试剂) 的混合总是不会完全的， 然而，对一个固定的实验装置来说，只要流速不变，在一定的留存时间的分散状 态都是高度重现的。这就是用f i a 可以得到重现良好的分析结果的根据。 中国科学技术大学硕士学位论文 l 八八八 圈1 3f i a 体系中注入载流中的试样区带的分散过程 2 4 区带分散的影响因素 试样和试剂的分散是所有f i a 方法的核心问题，通常用分散系数d 来描述试样 的分散状态。d 的定义 5 是：决定分析读数的流体微元组分在扩散过程发生前( c o ) 与发生后( c ) 的浓度比值，即d = c o c 一。f i a 体系中的分散过程是许多不同因素 6 ( 包括流速、管道长度、管径、试样体积与检测方式等) 的复杂函数。主要影 响有：试样的进样体积越大，d 越小。反应器管长度越大，d 越大。管路集合 形状越复杂，试样在其中流动方向改变越多，d 越大。如：直管反应器的d 最小，盘管 与编织管( 3 d ) 反应器的d 较大。流速对d 的影响与反应器的管径大小有关，关系 较为复杂。 2 5 流动注射分散过程中的化学反应 f i a 中待测反应产物的峰形信号是其经过流通检测器时物理分散状态与化学 反应状态的综合反映。如图1 4 所示，随着所流经管道的延长，试样区带分散度 增大( 曲线d ) ，待测物浓度下降，而试剂与试样的反应趋向完全( 曲线p ) ，两过程 通过检测信号反映出的检测效果相反，其综合效果如曲线a 所示。为求得最高检 测灵敏度，在建立f i a 方法时需优化反应管道长度或载流速度使体系处于曲线a 最高处。 中国科学技术大学硕士学位论文 图1 4f i a 体系中试样分散过程中分散系数d ，反应率p 及响应值随反应管道长度l 的变化 3 流动注射分析迸展 由于流动注射分析技术具有适应性广泛，分析效率高，试样和试剂消耗量少， 检测精度高，设备简单，国产f i a 产品价格低廉的特点，所以发展迅速，它已被广 泛应用于很多分析领域。目前。应用的主要领域有：水质检测、土壤样品分析、农 业和环境监测、科研与教学、发酵过程监测、药物研究、禁药检测、血液分析、 食品和饮料、分光光度分析、火焰光度分析、质谱分析、原子光谱分析、荧光分 析、生物化学分析等等。 3 1 流动注射一光度法 分光光度法是最早与f i a 联用的检测方法，由于方法简便、仪器结构简单、 价格低廉，至今仍然是应用最广泛的检测方法。近几年的流动注射一光度法应用见 表1 1 。 表1 1 流动注射一光度法应用实例 中国科学技术大学硕士学位论文 3 2 流动注射一原子吸收光谱法 f i a 与原子光谱法联用，最初f i a 只是作为原子光谱仪的进样系统。后来， 由于发现联用系统可大大节省试剂，并且进样之前样品经过分离富集等预处理， 提高了测定的选择性和灵敏度，因此得到广泛应用。表1 2 列出了部分应用。 表1 2 流动注射一原子吸收光谱法应用实例 待测物方法 线性范围，样品文献 检测限 痕量镍 流动注射在线离子交换预富集一火焰原子吸收光谱法0 5 p g l水样 1 7 铜、铅、 流动注射在线离子交换树脂富集火焰原于吸收光谱法44 1 03 1 0 头发、桃1 8 镉 f 1 4 p g i m l叶及水样 国产d 41 2 螯台树脂作柱材料的流动注射在线微柱富集火0 5 0m g m l ， 水1 9 焰原于吸收光潜法0 4 m g m l 痕量铅 在线流动注射螯台树脂预富集石英缝管增敏火焰原子吸0 2 0 0 l a g 几水2 0 收光潜系统 l 几 痕量铁 邻菲罗啉( p h e n ) 为配合剂，以c - a 键合硅胶为固相富集材 3 p g l 和6 吣几生物样， 2 1 和钻料流动注射在线固相萃取富集一火焰原子吸收光谱法 镍 丁二酮肟为络合剂以c 。键合硅胶为富集材料，流动注射 在线固相萃取预富集一火焰原子吸收光谱法 钢样 生物样， 2 2 合金样 c r ( v d 二乙基硫代氨基磺酸钠( n d d t c ) 作为螯含剂的流动注射4 9 2 盹几环境水2 3 7 中国科学技术大学硕士学位论文 在线配合c ，阍相萃取预富集联用火焰原于吸收测定体系 痕量制流动注射一蒸气发生原子吸收光谱法 汞流动注射一氢化物技生原子吸收光谱法 痕量硒流动注射氢化物发生一原子吸收光谱法 和锡 铅 流动注射氯化物发生一电加热石英管一原子吸收光潜法 痕量铜 流动注射在线液一液萃取火焰原子吸收光谱法 样，废水 0 一1 5 0 l ，大米粉和 2 4 1 8 “g 几头发 卜2 0 心几，底泥2 5 0 ，0 0 5m g x g 1 l o n g g 和高温镍基2 6 1 1 8 # g g 合金 0 2 l u g l血清2 7 9 i i 1 0 1 心地表水2 8 l 3 3 流动注射一荧光法 选择性较好的荧光法与流动注射联用，因整个过程在一个密闭体系中完成， 避免了氧的荧光淬灭，提高了定量分析的准确度。表1 3 列出了部分应用。 表1 3 流动注射一荧光法部分应用实例 待测物方法 线性范围，检测限样品义献 无机汞和 流动注射在线氢化物发生一原子荧光光谱法01 9 n g m l 水样2 9 有机汞 a s ( 1 i d 和 流动注射一氯化物发生一非色散原子荧光光谱法0 0 8 n g m l海水3 0 a s ( v ) 苯胺 用荧光分光光度计作为流动注射分析的检测器0 0 7 0 5 m g l 垃圾潘3 1 0 0 5 m g l出液 3 4 流动注射一化学发光法 化学发光分析是近年来获得迅速发展的一种高灵敏的微量和痕量技术。化学 发光持续时间般较短，发光强度随时间变化很大，使用传统的检测方法精确度 往往较差。化学发光法与f i a 联用，方法的灵敏度和线性范围都得到了改善。 8 中国科学技术大学硕士学位论文 微量硅流动注射停流技术实现硅磷共存时不经分离4 0 x1 0 + - 6 0 x永3 2 测定水中微量硅 头孢氨苄 头孢氨苄在硫酸溶液中降解产物可在酸性条 件下与c e ( i v ) 产生化学发光反应 0 。g m l 。20 1 0 4 9 m l 0 1 0 1 0 0m g l ，药物3 3 钒光泽精与钒( i i ) 化学发光反应l 1 05 一l 1 02 9 l 化搛样3 4 3 x 1 0 i g l 品 3 5 流动注射一电化学分析 采用电化学检测，f i a 流路简单，没有光度法检测中可能存在的折射光的干扰。由 于载流对电极表面的不断冲洗，样品与电极表面接触时间很短，所以电极寿命 般较长。 表1 5 流动注射一电化学分析应用实例 待测物方法 线性范围，捡测限样品文献 铝离子氟离子选择性电极停流动力学方法5 - 5 0 咖 糖精管状离子选择性电极流动注射电位分析法0 1 2 0 m m o l l8 0u 食品3 6 m o l 儿 葡萄糖 固体支撑双层类脂膜喷壁式检测器用于f i a 系统0 3 m m 0 1 l 乙酰水杨畦流动注射电位检测体系 溴离了 钙、氟 h c i o 尉f 流动注射溴离子选择性电极1 l o m m o l l 钙、氟离子选择性屯极 3 7 药品3 8 3 9 1 9 4 x i o6 m o l l 和 井水4 0 4 8 4 x 0 + o m o l l自来 水 流动注射循环伏安法0 0 5 z 5 m g l 4 1 用经普鲁士蓝( pb ) 修饰过的玻璃碳电极( g e e ) 对06 n g4 2 肼进行了循环伏安法 n o z 依据n q 对i 。一e d t a 光化学反应的抑制作用1 o x1 0 4 0 天然 4 3 1 0 + l n o l l水 9 - 中国科学技术大学硕士学位论文 3 6 顺序注射分析 顺序注射分析( 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 ) 是1 9 9 0 年由r u z i c k a 榔l a r s h a l l 4 6 提出来的。作为新一代流动注射分析技术，顺序注射分析在短短 的十年内得到了迅速发展。顺序注射分析系统如图1 5 n 示。 c 0 喇k r 图1 5 顺序注射分析系统 h c ，储存管；t c ，转移管：r 1 ，试n 1 ：r 2 ，试剂2 a w ，标液或洗液：d ，检测器：w ，废液 s i a 的核心是一个多通道选择阀。阀的各个通道分别与检测器、样品、试剂 等通道相连，公共通道与一个可以正反抽吸的泵相连。通过泵从不同通道顺序地 吸入一定体积的溶液，送到泵与阀之间的储存管中。在这一过程中，由于样品和试 剂之间径向和轴向的分散作用而互相渗透和混合，发生化学反应，反应产物被推 送到检测器中进行检测。顺序注射分析除具有一般f i a 的优点外，还在解决复杂 分析任务时简化了流路，无需改变流路，用同一装置就可以完成不同的分析项目， 具有装胃简单、使用方便等特点。 中国科学技术大学硕士学位论文 3 7 流动注射一可更新表面技术 基于液一固两相的化学反应，一般是通过试样、试剂、缓冲液等液相进行控制。 固相被看作是系统的组成部分，通常使用多次后，会出现表面官能团损失或表面 活性下降的问题，因此需要更换。近年来，流动注射一可更新表面技术( f l o w i n j e c t i o n r e n e w a b l es u r f a c et e c h n i q u e ，f i r s t ) 或微珠注射技术( b e a d i n j e c t i o n ，b i ) 的发展，为固相的更新提供了新的途径。f i r s t 的主要特点是固定 相是一次性使用。9 0 年代初p o l l e m a 等 4 7 ，4 8 提出了基于磁性原理的可更新固定 化酶反应器，固定化酶磁珠在磁铁的作用下附着于反应管道内壁上。试样通过反 应器与固定化酶磁珠发生反应。测定结束后，线圈通电，形成反向磁场，抵消磁铁 磁场，使磁珠脱落，流出反应器。下次测定时再注入新磁珠。顺序注射分析系统的 建立推动了f i r s t 的进一步发展。r u z i e k a 等 4 9 ，5 0 设计了一种喷流环池，可以 截留引入官能团的微珠，其结构见图1 6 。 图1 6 微球注射分析系统 1 ，注射泵：2 ，载液；3 ，储存管：4 试样：5 ，蠕动泵 6 ，悬浮微球：7 ，j r 流通池：d ，检测器：w ，废液 喷流环池的环隙小于微珠直径，注入微珠悬浮液后，液体流过环隙，而微珠被 截留。检测结束后由顺序注射系统的反向流将微珠排出流通池，或增大环隙将微 珠冲出流通池。f i r s t 可与多种检测方法联用，包括吸收光谱 5 l 5 4 、电化学 5 5 ，5 6 、荧光 5 7 ，5 8 检测等。检测器与流通池耦合，反应产物在流通池中得到 检测。当试样区带通过微珠层时，在微珠表面发生反应，这样既可直接在微珠层上 进行测定，也可在微珠洗脱液中测定。这种技术有望在生物医学等研究领域得到 广泛应用。 中国科学技术大学硕士学位论文 4 流动注射在线分离富集技术 在线分离富集是流动注射分析领域中发展最快的技术之一。它可使许多分 段、费时的手工传统溶液处理技术得以在线、快速、微量、密闭、自动地完成， 有利于痕量物质的分析。与各种经典的分离富集技术相比，具有显著的优越性。 常用的f i 在线分离富集技术主要为：在线离子交换、溶剂萃取、沉淀分离、气 液分离等。 4 1 流动注射溶剂萃取分离 在线溶剂萃取是f i a 常用的分离和预富集方法，需要建立重现地混合和分离 两种互不相溶的液体体系。液一液萃取装置比较简单，主要由相间隔器，萃取管 道和相分离器组成。主要有两种常用的流路：重力分相流路和夹膜分相流路。f i 液一液萃取很容易实现自动化，而且密封的萃取系统可大大减少沾污及避免溶剂 挥发。与其它f i 在线分离富集技术( 如f i 在线气体扩散) 相比较，在线溶剂萃取技 术最突出的优点就是容易达到高的相转移率( 即高的萃取效率) 。这对于要求达到 高灵敏度、样品低消耗及好的精度来说是非常重要的。因此，与手工溶剂萃取相 比较，自动的溶剂萃取是非常有效的和经济的。由于溶剂蒸汽不会从密闭的f i a 系统逸出到实验室的空气中，而有利于保护实验室环境。又由于所用试液很少一 每次不足i m l ，使得在用易燃溶剂时减少了危险性。s z p u n a r l o b i n s k a 5 9 研究 了b i 与各种二硫氨基甲酸盐的反应，用三氯甲烷在线萃取了b i 和四甲撑二硫代氨 基甲酸盐的络台物，并用分光光度法测定了硅酸盐岩石d o b i 。当结合使用e d t a 和氰化物作掩蔽剂时，方法显示出对b i 的高选择性及较好的准确度和精密度，检 出限为o i m g l ，线性范围为o 5 m g l ，分析结果与i c p a e s 分析结果一致。 4 2 沉动注射在线沉淀分离富集 沉淀分离富集方法在化学分析中是最经典的分离富集技术之一。随着其他更 有效的分离富集技术的自动化，沉淀分离富集技术在现代分析化学中的重要地位 有所下降。通常的手工操作沉淀、溶解费时费力，需要熟练的操作技术，引入沾 污也是难以克服的a 作为f i 在线分离富集技术的最新发展，使原来手工操作需要 几小时，试样和试剂消耗需几百毫升的沉淀分离富集过程，在自动f i 系统中，一 中国科学技术大学硕士学位论文 分钟内就可完成，而试样和试剂的消耗仅几毫升，并大大减少了沾污的危险，反 过来又改进了测定的可靠性和精确度。 在线沉淀、溶解分离富集方法分有过滤器和无过滤器两种，目前多与原子吸 收光谱法联用。该系统中最重要的部分是沉淀收集装置，它的设计和几何构型是 完成整个分析过程的关键因素，要求收集沉淀几毫克而不减少试样和试剂的流 速，几何构型应使沉淀易被洗涤液洗涤、溶解试剂溶解以及能够收集不同类型的 沉淀。 方肇伦 6 0 利用编结反应器( k n o t t e dr e a c t o r ，k r ) 做沉淀收集器，首次将共 沉淀分离富集应于用f i 在线操作。这种技术利用沉淀在流动过程中产生的离心 力，将沉淀收集予k r 器壁，由于不需要过滤器，从而大大消除了沉淀堵塞过滤器 造成泄漏的现象，减少了死体积。 4 3 流动注射吸者分离与预富集 与溶剂萃取及沉淀分离相比，以离子交换和分子吸附为主要内容的吸着分离 实现连续流动化要容易很多。这是因为传统的离子交换或吸附操作多数是在填充 柱中完成的，而试样与洗脱剂均需流过柱子。实现f i 在线操作仅需把柱子微型化、 在线化，再用泵去驱动试剂与试样，而无需特殊的分离器。在f i a 诞生不久，1 9 8 0 年b e r g a m i n 6 1 等即已将微型离子交换柱用在f i 光度系统中用于富集铵离子。但 发展最快的还是在1 9 8 3 年之后，当把在线预富集与原子光谱分析联用时 6 2 。由 于在线柱预富集系统常较手工操作的效率提高数十倍，比较耐用，易于组装，操 作也易于掌握，因此在o l s e n 等 6 2 发表其首篇论文后有关论文数急剧增加。 4 3 1 填充柱 微型填充柱是f i 在线吸着系统中分离的最常用手段，与脱线的间歇操作使用 的填充柱相比在设计上有如下持点： - 柱体积较小，一般容量仅数百微升，报道的最小体积仅9 虬 6 3 。 柱两端备有出入管道可与溶液驱动系统连接提供进样动力。不靠重力使试样经 过填充柱。 - 柱内体积始终全部填满吸着剂，避免出现空段，因此操作中显著缩胀的吸着剂 中国科学技术大学硕士学位论文 不能做为填充剂。 f i 柱分离所用的填充剂也不同于色谱中所使用的填充剂。虽然f i 在线柱分离 与h p l c 均使用填充柱进行分离，但其目的性不同，后者的目的是在柱上分离多种 组分使其各自达到分辨，而前者目的是分离两类组分，即被吸留的和不被吸留的， 不追求吸留组分问的分辨。 柱中填充的吸附介质有离子交换树脂，螯合树脂，c 。硅胶吸附剂，x a d 系列 吸附树脂等。值得提出的是由p t f e 和m i c r o l i n e 等反应管制作的编结反应器( k r ) 也可作为吸附介质 6 4 ，将待测组份与络合试剂形成的络合分子吸附在k r 的管内 壁上得以分离和富集，由于内部阻力比填充柱小得多，可以较高的流速富集而得 到较高的富集效率。在f a a s 、v g 从s 和e t a a s 中均有报道 6 5 6 9 。 4 3 2f i 在线吸着分离及预富集系统流路 典型的流路分为串联柱单线流路和环内柱复线流路。 串联柱单线流路如图1 7 所示。此流路的特点是流路简单，柱子直接连接检 测器。其缺点是： - 进样体积受限制 - 效率较低 - 单向流动使核内填充物越压越实，使柱内反压逐渐增大，而影响流速。 - 柱流出废液全部流入检测器，当试样基体浓度较高时可能影响检测器正常工 作。 se c p 图1 7 串联柱单线流路 p ，泵；c 载流( 缓冲液) ：s ，试样；e ，洗脱剂 p c ，填充柱；d ，检测器；w ，废液 w 中国科学技术大学硕士学位论文 水 w ( ) 水 v ( m 图i 8 环内柱复线流路 a ，装样阶段：b ，洗脱阶段：s ，试样：b ，缓冲液；e ，洗脱剂： c ，锥形填充柱：p i ，p 2 ，泵；v ，阀：d ，检测器：w ，废液 环内柱复线流路如图1 8 所示，特点是效率较高，且避开了前述单线流路的 所有缺点。此流路因其多项优点现应用较多，其缺点是连接点较多，组装需要一 定经验。由于人工控制定时装样可靠性较差，所以系统的操作必须由电子或微机 控制，对流速稳定性也较定容系统要求高。 4 3 3f i 在线吸着预富集系统的洗脱剂 当在线吸着系统用于预富集目的时，被吸留的待测组分一般需从吸着介质上 洗脱下来进行在线检测。洗脱剂的某些性能对最终检测灵敏度及分析速度有重要 影响。归结起来，对沈脱剂性能的要求有以下方面： - 由于在线预富集中均以洗脱峰最高点作为检测时读出位，因此洗脱越快，峰越 窄，峰值越高，富集系数也越太；这就要求洗脱剂迅速从吸着介质上解吸待测 物。 洗脱剂在连续多次洗脱中不可对吸着介质的吸留及解吸性能有明显不良作用。 在脱线操作中有时甚至可将吸着剂全部溶解，但在线操作则要求吸着剂可循环 使用数百次、上千次无明显变化。 - 在采用分光光度检测时，洗脱剂与装样后的吸着介质中残留试样之间的界面折 率差异可能对检测信号产生严重干扰：为此应使洗脱剂折射率尽可能与先导溶 中国科学技术大学硕士学位论文 液介质的折射率相近，以减少干扰。 - 在以原子吸收光谱为检测器时，洗脱剂可产生有利于灵敏度的溶剂效应，在可 能的情况下应加以利用。 4 3 4f i 在线吸着预富集系统的参数选择 f i 在线预富集系统的硬件确定后，主要需要优化的实验参数是装样( 试样流 经柱子的过程) 流速及洗脱流速。 为了取得更高的富集系数( e f ) ，在装样阶段吸着介质上留存的待测物越多越 好，即似乎处理的试样体积越大越好：为了达到更高的富集效率( c e ) ，装样速度 也越快越好，即似乎流速越高越好。然而为取得良好效果，无论装样体积还是流 速均受其他因素的制约，主要在以下三方面： - 装样量受柱吸着容量限制。这里，并非指对痕量待测物的吸留容量，主要是指 能同时吸留的较高含量基体组分或试剂的吸留容量。 - 装样流速受吸着剂的动力学特性制约，流速增高虽然单位时间迸样量增大，但 因平衡时间不足，超过一定限度后反而使吸留量，即实际装样量下降。 装样流速受填充柱形成的反压制约。在使用常用的蠕动泵情况下，当背压超过 一定限度后流速精度将难以保证，流路系统的连接处也会出现渗漏。 洗脱流速在线柱预富集系统中却是需要优化的重要参数。洗脱流速直接影响 待测物在洗脱液中的浓度分布，以至c e 与e f 值。最佳流速既受制于吸着一洗脱系 对待测物的解吸特征又受制于流通式检测器对输入溶液的流速要求，往往是二者 的折衷化反映。对流通有要求的检测器主要为以气动雾化为基础的原子光谱检测 器，如火焰光度、原子吸收及感耦等离子体发射光谱等。洗脱流速的选择应尽可 能满足检测器提升量的需要。使用其他检测器时一般可只考虑吸着一洗脱系统的 需要。视不同情况和需要，洗脱流速可选在1 0 - 6 o m l m i n 之间。 4 4 在线气液分离富集方法 在f i a 体系中，以在线气体扩散法通过液一气一液的相转移途径可以将一种液 体介质中的挥发性的待测物气相分离后转入另一种受体液相中，从而摆脱原介质 中非挥发性基体的干扰。待测物在原介质中的存在形态不一定具有挥发性，但只 要在适当条件下可转为具有挥发性即可用该法分离。在酸化条件下可分离的有二 氧化碳、氢化氰、二氧化硫等，在碱性条