流動注射分析

流動注射分析(Flow Injection Analysis，FIA)，是由丹麥技術大學的J.Ruzicka 和E.H.Hansen於1975年提出了的新概念，即在熱力學非平衡條件下，在液流中重現地處理試樣或試劑區帶的定量流動分析技術。它是近20年來才出現的一項分析技術，它與其它分析技術相結合極大地推動了自動化分析和儀器的發展，成為一門新型的微量、高速和自動化的分析技術。流動注射分析發展迅速，它已被廣泛套用於很多分析領域。

基本介紹

• 中文名：流動注射分析
• 外文名：Flow Injection Analysis
• 簡寫：FIA
• 提出時間：1974年
• 套用領域：水質檢測、土壤樣品分析等
• 主要特點：結構較簡單、緊湊

起源由來

流動注射分析(Flow Injection Analysis，簡寫為FIA）是1974年丹麥化學家魯齊卡(Ruzicka J）和漢森（Hansen E H）提出的一種新型的連續流動分析技術。這種技術是把一定體積的試樣溶液注入到一個流動著的，非空氣間隔的試劑溶液（或水）載流中，被注入的試樣溶液流入反應盤管，形成一個區域，並與載流中的試劑混合、反應，再進入到流通檢測器進行測定分析及記錄。由於試樣溶液在嚴格控制的條件下在試劑載流中分散，因而，只要試樣溶液注射方法，在管道中存留時間、溫度和分散過程等條件相同，不要求反應達到平衡狀態就可以按照比較法，由標準溶液所繪製的工作曲線測定試樣溶液中被測物質的濃度。

套用領域

有：水質檢測、土壤樣品分析、農業和環境監測、科研與教學、發酵過程監測、藥物研究、禁藥檢測、血液分析、食品和飲料、分光光度分析等等。

主要特點

所需儀器設備結構較簡單、緊湊

特別是集成或微管道系統的出現，致使流動注射技術朝微型跨進一大步。採用的管道多數是由聚乙烯、聚四氟乙烯等材料製成的，具有良好的耐腐蝕性能。

操作簡便、易於自動連續分析

流動注射技術把吸光分析法、螢光分析法、原子吸收分光光度法、比濁法和離子選擇電極分析法等分析流程管道化，除去了原來分析中大量而繁瑣的手工操作，並由間歇式流 程過渡到連續自動分析，避免了在操作中人為的差錯。

分析速度快、精密度高

由於反應不需要達到平衡後才測定，因而，分析頻率很高，一般為60～120個樣品/小時。測定廢水中S2－時，分析頻率高達720樣品/小時。注射分析過程的各種條件可以得到較嚴格的控制，因此提高了分析的精密度，相對標準偏差一般可達1%以內。

試劑、試樣用量少，適用性較廣

流動注射分析試樣、試劑的用量，每次僅需數十微升至數百微升，

不但節省了試劑，降低了費用，對諸如血液、體液等稀少試樣的分析顯示出獨特的優點。FIA既可用於多種分析化學反應，又可以採用多種檢測手段，還可以完成複雜的萃取分離、富集過程，因此擴大了其套用範圍，可廣泛地套用於臨床化學、藥物化學、農業化學、食品分析、冶金分析和環境分析等領域中。

FIA儀

儀器組成

典型的FIA儀是由以下幾部分組成：

⒈泵：用於驅動載流通過細管。

⒉採樣閥：可重現地將一定體積樣溶液注入載流。

⒊反應器：

流動注射分析使用的反應器有一下三種：

⑴ 空管式反應器

這種反應器又可分為直管和盤管兩種。直管式的內徑為0.3～0.5mm，常以聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙稀等製成。載流在管內的流動屬層流，“樣品塞”在遷移過程中的展寬是縱向擴散和徑向擴散的綜合結果。盤管式又稱螺旋式。當載流在螺旋形管道內以較高速度流動時，由於離心力的作用，使“試樣塞”的縱向擴散減小，展寬程度下降，因而提高了進樣頻率。展寬程度下降，檢測靈敏度自然提高。當盤管圈直徑與盤管內徑之比為10時，“樣品塞”的展寬程度比直管小三倍。盤管材料可用聚四氟乙烯、聚乙烯或聚丙烯等，內徑在0.5mm左右。內徑過大，展寬加劇；內徑過小，易堵塞。

⑵ 填充床反應器

這種反應器類似於色譜分析中的填充柱。管中填充惰性顆粒填料，如玻璃珠，一般說，填料直徑越小，“試樣塞”展寬程度越小。採用填充床反應器的優點是，在反應器內接觸充分，反應時間延長，易獲得較高靈敏度，但是載流通過的阻力大，需採用高壓泵。

⑶ 單珠串反應器

在管內，填充顆粒直徑約為管子直徑60～80%的大粒填料，因此極易得到規則的填充結構。這種反應器的展寬程度比空管式小10倍，進樣頻率高。反應器內徑約0.5mm左右。單珠串反應器中的載流流動阻力大，仍可採用普通蠕動泵作載流動力。

⒋檢測器：

流動注射分析中常用的檢測手段有吸光光度法、濁度法、化學發光法、螢光法、原子吸收光譜法、火焰光度法、離子選擇電極電位法和伏安法等。檢測方法所用的檢測器基本上分為光學檢測器和電化學檢測器兩大類。

在光學檢測器中，套用最多的是帶有流通池的分光光度法計。常見的流通池如圖17.37所示，在保證一定光路長度（一般為10～20min）的透光面積的前提下，它的容積應儘可能小，以減小載流量和試樣量，並維持試劑－試樣界面的原有擴散模式，以提高分析精度。這就要求光電檢測系統靈敏、穩定。此外，流通池的設計應沒有死角和稍有傾斜，以利於偶然帶入的氣泡排出。

在電化學檢測器中，套用較多的是流通式離子選擇電極檢測器（見圖17.38）離子選擇性電極檢測器採用“梯流”式電勢流通池。這種流通池有一定角度的傾斜，使載流流向相對於敏感膜表面的方向處於最佳位置。注入的試樣帶首先與離子選擇性電極接觸，然後再與參比電極接觸，在它們之間產生一個電動勢。

流出液的液面通過排液管保持恆定。這種檢測法與普通電極法不同之處在於：流動注射分析法並不需要電極電位達到穩定數值後才測定。由於流過電極表面的試液與流過的時間可以準確地控制，因此仍然可以得到與靜態測定時完全一致的結果，並能大大地提高分析速度。

在試劑套用中，流動注射分析儀可以自行組裝，也可以選擇各廠家製造的流動注射分析儀。

儀器套用

鑒於其操作的方便性和微通道設計的多樣性，可以預期這種流控技術將在生命科學分析和複雜基體樣品超微金屬的分離富集中得到廣泛套用。在超微分離方面，主要套用尚局限於閥內超微型填充柱固相萃取分離，聯用的檢測器也僅為ETAAS和ICPMS。實際上，SI-LOV流控系統可與各種檢測器聯用，尤其適合於與微量連續進樣檢測器結合。目前所見的主要分離、富集方式均可在該系統中進行超微分離富集操作，包括閥內液-液萃取，閥內微滲析，沉澱/（共）沉澱及氫化物發生等。另外，SI-LOV的流控特徵使其十分適合於在生命科學分析中套用，包括閥上酶聯免疫分析、生命代謝過程中的無損原位分析、活體分析和單細胞分析等。將分析所需要的檢測器集成在閥上，則可實現真正意義上的“閥上實驗室”分析。在分析儀器的微型化中，SI-LOV還將是對晶片實驗室（lab-on-a-chip）或微全分析系統（μTAS）有關技術平台的重要補充。巨觀試樣的引入與前處理仍然是μTAS發展中的瓶頸和薄弱環節。這主要源於巨觀處理技術（包括傳統的流動注射分析系統）與μTAS在樣品和試劑處理規模上相差五、六個數量級（前者多為0.01～1mL，而後者常僅為1～100nL水平）。由於SI-LOV可有效地進行微升水平的液流流控，因此可能成為μTAS解決試樣引入與處理的理想手段，並成為其重要的組成部分。為區別於μTAS中的核心技術——— 微流控分析系統認為：明確提出以LOV為核心，在0.1～10（100）μL水平上發展介觀流控分析系統）將進一步促進這一介觀分析領域的發展並最終促進分析系統的微型化及其在生命科學中的套用。

故障來源

在實驗中，可能遇到三種來源的故障，一種是源於試樣材料的性質；另一種源於流動注射分析設備性能不佳；第三種是源於化學過程的設計欠妥。

在把試樣注入到流動注射分析體系之前，有時可能需要進行某種前處理，如稀釋、中和、過濾等，即使是高濃度、高酸（鹼）度或高粘度的試樣，也可以通過把數微升試樣注入到匯合式流路中直接進行稀釋。如果一開始就有懸浮固體，過濾當然是不可避免的，但是分析過程中也可能形成沉澱，固體顆粒不僅可能堵塞管路，也同樣可能對感測器產生干擾，尤其是在光學體系中。通常可以經過濾或離心來保證試樣的清潔，但防止由於化學反應而產生的固體顆粒就更要困難些，然而可以通過加入適當的的表面活性劑雙洗滌劑來防止生成沉澱物。

故障分析

儀器故障可以通過記錄的峰形進行診斷。這可以在進行化學分析或分散係數測定的過程中來觀察：

⒈重複進樣時重現性不佳：先檢查攜出，這可很容易地通過交替注入高濃度與低濃度的試樣來完成。消除攜出的方法是降低採樣頻率或增載入流泵速，也可以同時採取這兩項措施。還要檢查一下閥是否有漏泄，如果用自動的流動注射分析體系，還應檢查一下試液杯中的試液是否充足。

⒉記錄峰在返回基線的過程中回響遲鈍。體系中死體積過大（接頭不良，流通池體積或其接口處體積太大），起到一個或若干個小“混合室”的作用，必須縮小或消除這些死體積。

⒊基線漂移：在光學檢測系統中，其原因可能某些物質在流通池視窗上的澱積，通常可注入一種能溶解該澱積物的試劑來除去，也可用適當的洗液或洗滌劑沖洗整個系統，在電位檢測系統中，漂移可能來自標準電池電位的變化（可能為指示電極或（和）參比電極的E0值漂移的結果）也可能來自接界電位的變化。

⒋氣泡。載流液未經脫氣處理，化學反應產生氣體（如CO2生成節）或由於在流通池中產生突然壓降（流通地接頭內徑大於接入管道的內徑得起Venturj效應所致。欲消除此種效應可把連結管深插到接頭中，使管口儘可能接近池腔，並在流通池的出口處連線一段長20cm，內徑0.5mm的管路，讓廢液經此管流向下一段廢液管。

⒌峰上突發噪聲：檢測器中有小氣泡流過，出現氣泡可能是由於上面已提到的各種原因，也可能是採樣閥試樣孔（或環）未能全部充滿所致（檢查一下採樣閥）

⒍信號噪聲顯著，基線雖然穩定，但記錄筆的動作不太平滑，記錄峰呈鋸齒狀。泵的脈動過大，可能是泵結構的缺點．也可能是泵管壓得不夠緊，還可能是泵管已舊，應當更新（當不工作時．應該鬆開泵管以延長其使用壽命）如果使用的是電位流通池．則噪聲可能來自靜電，欲消除這種噪聲，可在緊靠滾槓的泵管兩端各插入一小段金屬管，並將兩者短路後接地。

⒎雙峰。由試樣和試劑混合不完全造成的試劑不足所引起。雖然在多數情況下觀察到的是峰上出現的噪聲，但在極端的情況下也可遇到雙峰，增加留存時間（降低泵速），增強混合（用匯合法），或減少試樣體積都可以消除這種現象。

⒏在低濃度是峰的重現性良好但在高濃度時變壞。造成此現象的原因是在試樣濃度高的情況下試劑不足。糾正的方法是增大試劑的濃度，或將濃度較高的試樣稀釋，亦可同時採用這兩項措施。

⒐負峰。當載流溶液有色而被注人的試樣無色且濃度低時，可造成載流液的局部稀釋而產生負峰。當試樣

與載流的粘度或化學組成差異較大時也會產生這種現象。採用基體和試樣組成類似的溶液作載流可有效地消除這種基體效應。先把試樣注入到惰性載流中，然後再與試劑匯合。

最後還應指出：當使用有電機控制的閥來進行自動注入時，如果能在一段選定的時間內使注入閥從注入位回復到充樣位，則可以用來減少峰寬從而擴大採樣頻率。可以讓閥在注入位停足夠長的時間或使定量孔中的試樣全部排出，但也可令其在注入位停留較短的時間，而僅排出部分試樣，不過如果注入時間過短，則可能使峰高降低，重現性變差。

分析方法

單道流動注射分析法

這種方法是最簡單，也是較常用的FIA方法。

多道流動注射分析法

當兩種以上的試劑混合後會發生化學變化時，可採用這種方法。

各種試劑可以在不同時間，不同合併點加入到管路中，最後進入流通流進行檢測。

圖17.39多道流動注射分析法

合併帶法

合併帶法是採用多道注射閥同時分別注入試劑和試樣，使試劑和試樣在各自的管道中，由同速的載流推進，並在適合電匯合成兩者的合併帶。在這個方法中，所使用的載流為蒸餾水或緩衝溶液，大大的節省試劑。

還可以採用斷續流動法的合併帶體系。當試樣從S注入載流時（載流為水和緩衝液），啟動泵為I，停閉泵Ⅱ，載流把試樣帶推進到距合併點某一位置上，由計時器T停閉泵I，並啟動泵Ⅱ，繼續推進載流，並同時加入試劑R，當試樣帶全部通過合併點後，又啟動泵I，停閉泵Ⅱ。

圖17.40 17.41

雙注樣法

雙注樣法是利用雙通道同步注入閥將試樣溶液分別同時注入到兩種不同流路的載流中。

注入的試樣塞可以一前一後地通過同一檢測器。也可以通過兩個相同或不同的檢測器分別檢測。該法主要用於同一試樣中兩種不同物質的流動注射分析。

圖17.42 雙柱樣法示意圖

流動注射溶劑萃取法

該法擺脫了傳統的手工萃取操作，實現了溶劑萃取自動化，提高了功效。

流動注射萃取裝置如圖17.43所示。含待萃取祖份的試樣從進樣器注入到水相載流中，到達某一點時，用相分隔器a把有機溶劑按比例，有規則的插入到水相載流中，形成有規則的水相和有機相互相間隔的區段，經過在萃取冠D中萃取後，由相分析器C將有相同和水相分開，有機相進入檢測器。

流動注射萃取裝置如圖17.43所示。src=&quot

停流法

在FIA中，反應盤管不宜過長，要求反應速度要比較快，對於反應速率較慢地體系則有一定的局限性。採用流停法，可以有效地適用於化學反應緩慢地分析體系。該法是在試樣分散帶進入流通檢測器的某適當時間內準確停泵（包括停泵時刻及停泵的時間長度），記錄反應混合液在靜止狀態下進一步反應過程中發生的變化（如吸光度的變化等）使反應逐漸趨於完全，提高測定的靈敏度。它已套用於測定反應常數、研究反應機理、慢反應分析和有色試樣分析等。

填充反應器

在FIA中，有時需用固態試劑，如作為還原劑的Zn粒Cd粒、不溶性酶或離子交換樹脂等。這時必須把試劑的固體顆粒裝入柱中並與反應管路相連，構成填充反應器。目前這種反應器主要有填充還原反應器、固定化酶反應器和離子交填充反應器等。圖17.44為帶預濃集柱的FIA流程圖。

此外流動注射梯度技術也已得到不少套用。在FIA中，注入到流動體系中的試樣經分散後形成具有連續濃度梯度的分散試樣帶。在嚴格控制的條件下，分散試樣帶的任何一點都能提供確切的濃度信息。這種依靠準確控制條件來開發試樣帶濃度梯度中所包含的信息的技術稱為梯度技術，如梯度稀釋、梯度校正、梯度掃描、梯度滴定及梯度滲透等。此處不作進一步敘述。讀者可參閱有關資料。

圖17.44帶預濃集柱的流動注射分析流程

套用舉例

流動注射分析套用非常廣泛，它與許多檢測技術及分離富集技術結合，已用於數百種有機或無機的分析，以及一些基本物理化學常數的測定。在環境、臨床、醫學、農林、冶金地質、工業過程監測、生物化學、食品等許多領域中都得到廣泛的套用，特別是環境科學和臨床醫學這兩方面套用更多。下面扼要列舉幾種組份的分析，供參考。

土壤中有效鋅的測定

採用流動注射萃取分析法可以測定土壤中有效鋅，其裝置如圖17.45所示。萃取裝置由相間隔器、PTEE萃取管道（內徑0.8mm，長2m），相分離器和節流管（內徑0.5mm，長1m的PTEE管）組成。採用置換排出法輸入法輸入有機相。兩個出入口玻璃瓶分別裝入雙硫腙四氯化碳溶液和蒸餾水，通過調節a，b瓶中水量的增減使有機相不通過泵管進出萃取管道；萃取劑為0.002%的雙硫腙四氯化碳溶液；載流（含有掩蔽劑）為1%二乙基二硫代氨基甲酸的0.85mol/LNH4OH溶液；土壤浸提劑為0.05mol/L二乙三胺五醋酸——0.1mol/LcaCl2——1.0mol/L三乙醇胺，調節PH為7.3，使用前用水稀釋10倍，鋅系列標準溶液用浸提劑稀釋。　 25g通過1mm篩孔的風乾土樣，加入50ml浸提劑，振盪2h後過濾。分析流程及各項參數如圖所示。採樣體積240uL。使用8uL流通池，於535nm處測定吸光度。分析速率為60個樣/h。

圖17.45流動注射萃取分析裝置

水中某些組分的測定

雨水中F－離子含量的檢測，可以用F－選擇電極作為流動注射分析的檢測器，檢測限為15ng/mL，標準偏差小於3%，分析速度為每小時60次。河水、海水及井水中的PO4 3－離子可藉助於磷鉬藍分光光度法作為檢測手段進行流動注射分析法，檢測限達0.01ug/mL，分析速度每小時30次。水樣中的砷含量的分析，可以預先用硫酸肼將As(V）還原成As（Ⅲ），再用小型陽離子交換柱將過量肼除去，然後用流動注射分析－安培檢測器檢測，檢測限為0.4ppb。

血清中某些組份的測定

為了測定血清中的Ca2+離子含量及PH值，可將血清樣品注入載流中，“樣品塞”首先通過毛細管玻璃電極以測定PH值，隨之再流經Ca2+選擇電極，測得pCa值。若藉助於固定化葡萄糖氧化酶柱和安培法，就可以間接測定血清中葡萄糖含量。葡萄糖流經酶柱時發生以下反應：

葡萄糖+O2+H2O———葡萄糖氧化酶→H2O2+CO2

生成的H2O2用Pt電極即可以進行安培法檢測，也可以採用三管路流動注射分析法，各管路試劑分別為脲酶、次氯酸及苯酚溶液。脲先經酶降解生成NH3，再被次氯酸氧化成氯胺，然後與酚反應生成靛酚藍，在620nm處進行分光光度測定，檢測限達2mmol/L。還可以利用毛細管玻璃電極進行電位法測量，由PH值改變來間接定量脲含量：

NH2CONH2+H2O———尿素酶———→2NH3+CO2

將流動注射分析技術與原子吸收光譜法結合來測定接受鋰治療的病人血清中的鋰含量。流動注射分析法也可以與電感耦合電漿發射光譜法聯用。

FIA螢光法及動力學分析法結合

將流動注射分析法與螢光光度法相結合，大大提高分析靈敏度。利用鋱與EDTA、磺基水楊酸反應生成三元配合物，可以用螢光法測定礦石中鋱含量。激發波長為320nm，測定波長545nm。對80pg含量的鋱，其測量的相對標準偏差為4%，且各種金屬離子不受干擾。

催化分析法的最大優點是靈敏度比一般化學分析法高得多，其檢測極限可達10^-9 mol/L左右。根據以下催化反應可以測定痕量I－離子：

可以採用三流路流動注射分析法，其中一流路為二次蒸餾水作載流會，以便將樣品塞帶入，另外兩個流路分別為Ce（Ⅳ）溶液和As（Ⅲ）溶液，它們的流量都可以進行調節。檢測手段可用分光光度法。

催化反應式可以推定痕量I-離子