文档介绍：第七章
自动分析技术/微型全分析系统
导言
流动注射分析
微型全分析系统
微流控分析芯片加工技术
微流控分析芯片的应用
微流控分析芯片,方肇伦等编著, 科学出版社, 2003
导言
传统的化学分析方法是手工分析,至今仍被广泛应用。手工分析
的缺点是手续繁杂、速度慢,分析结果与分析人员的技术水平和
熟练程度有关,还不可避免地使分析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,人们根据不同的分析要求,模拟
手工分析的程序设计了各种各样的机械程序分析装置,用机械操
作代替手工操作,给分析工作者减轻了许多负担,分析速度、准
确度、精度也有了一定的提高。但这类程序分析器一般只适于分
析一两种特定组分,通用性差。
1950s,“连续流动分析”技术发展起来了。它的基本方法是把各
种化学分析所要用的试剂和试样按一定的顺序和比例用管道和
泵输送到一定的反应区域,进行混合,完成化学反应,最后经检
测器检测并由记录仪显示分析结果,实现了管道化的自动连续分
析。但这些分析仍建立在化学平衡的基础上,速度受到限制。
射分析(Flow Injection Analysis,FIA)的新概念。把试样溶液直
接以“试样塞”的形式注入到管道的试剂载流中,不需反应进行完
全,就可以进行检测。摆脱了传统的必须在稳态条件下操作的观
念,提出化学分析可在非平衡的动态条件下进行,从而大大提高
了分析速度。一般可达每小时进样100~300次。从样品注入到检
测器响应的时间间隔一般小于1 min。设备较简单并灵活,操作简
便,启动和关机时间仅需几分钟,因此FIA技术不仅适于大批量
的常规分析,也适于少量非常规样品的自动测定。
FIA是一种良好的微量分析技术,一般每次测定仅需25~100
L样品溶液。由于样品与试剂用量甚微,又在封闭系统中完
成测定,因此极大地降低了对人体的毒害和对环境的污染。
现代分析化学的发展趋势是向现场、实时、动态、
高灵敏度、高选择性、高通量的方向发展!
1990s初期发展起来的微全分析系统(微流控芯片、生
物芯片和芯片实验室)为实现上述目标提供了可能性。
流动注射分析
流动注射分析的基本原理
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的情况下进行。
当样品通过流通池时,检测器所记录的是连续变化的信号,可
以是吸光度,电极电势或其他物理参数,因而不需要达到化学
平衡。
对流和扩散作用
(a)无分散;(b)对流引起的分散;(c)对流和径向扩散引起
的分散;(d)径向扩散引起的分散
例如,以分光光度法测定Cl-,所基于的反应是:
流动注射测定Cl-
(a)流路设计图;(b)5-75 gmL-1的平行测定;(c) 30 gmL-1和75
gmL-1样品的快速扫描。
这些实验清楚地显示了FIA的基本特点:在样品通过分析流路
时,以完全相同的方法顺序处理所有的样品。即对一个样品如
何处理,对其他任何样品也以完全相同的方法进行处理。流动
注射体系中准确体积样品的注入、重现和精确的定时进样以及
从注入点到检测点体系的完全相同的操作(所谓控制或可控分
散),形成注入样品的浓度梯度,从而产生瞬间的、但可精确
重现的记录信号,使得流路中的任何一点都能像稳态一样准确
测量。一般用峰值作为分析信号,可以获得较高的灵敏度。
分散系数
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
器的途中稀释的程度,以及从样品注入到读数消耗了多长时间。
定义分散系数(dispersion coefficient, D)为
D= c0/c (D > 0) ()
式中c0为注入样品中分析物的浓度, c为检测器中分析物的浓度。
分散系数主要受三种相互作用且可以控制的变量的影响,即样品
体积、管的长度和流动速度。
设计FIA体系时,需根据实验目的综合考虑各种因素的影响,以
确定最佳流路。例如,建立的FIA系统是用于常规大批量分析的,
那么提高分析速度、增加进样频率就是要考虑的主要方面,就应
当减少进样体积,缩短管长,提高流速。
分散系数大致可分为4种情况:有限的(D=1~3)、中度的(D=3
~10)、高度的(D>10)以及减小的(D<1)。相应设计的FIA体
系已被用于各种各样的分析任务。当注入的样品以未被稀释的形
式被运载到检测器时,采用的是有限分散,也就是将FIA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)的工具。当待测物必须与载液混合