13.4: Аналіз впорскування потоку

Last updated
Save as PDF

Page ID: 24840

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Основна увага в цій главі приділяється методам, в яких ми вимірюємо сигнал, залежний від часу. Хімічні кінетичні методи та радіохімічні методи - два приклади. У цьому розділі розглядається методика аналізу нагнітання потоку, при якій ми впорскуємо зразок у проточний потік носія, що породжує перехідний сигнал на детекторі. Оскільки форма цього перехідного сигналу залежить від фізичних та хімічних кінетичних процесів, які відбуваються в потоці носія протягом часу між ін'єкцією та виявленням, ми включаємо аналіз нагнітання потоку в цю главу.

Теорія і практика

Аналіз потоку ін'єкцій (FIA) був розроблений в середині 1970-х років як високоефективна методика для автоматизованого аналізу зразків [див., наприклад, (а) Ruzicka, J.; Hansen, Е. Чим. Акт 1975, 78, 145—157; (б) Стюарт, К.К.; Бічер, Г.Р.; Заєць, П. Е. анальний. Біохім. 1976, 70, 167—173; (c) Валькарсель, М.; Луке де Кастро, M.D. Аналіз ін'єкцій потоку: принципи та застосування, Елліс Хорвуд: Чичестер, Англія, 1987]. На відміну від відцентрового аналізатора, описаного раніше в цьому розділі (див. Рис. 13.2.8), в якому кількість зразків обмежена розмірами передавального диска, FIA дозволяє проводити швидкий, послідовний аналіз необмеженої кількості проб. FIA є одним із прикладів аналізатора безперервного потоку, в якому ми послідовно вводимо зразки через рівні проміжки часу в потік рідинного носія, який транспортує їх до детектора.

Принципова схема з деталізацією основних компонентів аналізатора впорскування потоку показана на малюнку Template:index. Реагент, який служить носієм, зберігається в резервуарі, а гвинтовий блок підтримує постійний потік носія через систему трубок, яка містить транспортну систему. Ми впорскуємо зразок безпосередньо в потік потоку носія, де він проходить через одну або кілька зон змішування та реакції, перш ніж він досягне проточної комірки детектора. Рисунок Template:index є найпростішою конструкцією для аналізатора нагнітання потоку, який складається з одного каналу і одного резервуара реагенту. Можливі також багатоканальні інструменти, які об'єднують між собою окремі канали, кожен з яких вводить новий реагент в несучий потік. Більш детальне обговорення приладобудування FIA знаходиться в наступному розділі.

Реагент виходить з резервуара через прохідний блок, де він контактує зі зразком за допомогою ін'єкції. Після ін'єкції відбувається змішування та реагування зони і, нарешті, виявлення. — Рисунок Template:index. Принципова схема простого аналізатора нагнітання потоку, що показує його основні компоненти. Після його нагнітання в потік носія зразки змішуються і вступають в реакцію з реагентами потоку носія до досягнення детектора.

Коли ми вперше впорскуємо зразок у потік носія, він має прямокутний профіль потоку шириною w, показаний на рисунку Template:index a. Дисперсія виникає в результаті двох процесів: конвекції за рахунок потоку носія і дифузії за рахунок градієнта концентрації між зразком і потоком носія. Конвекція відбувається ламінарним потоком. Лінійна швидкість проби у стінок трубки дорівнює нулю, але зразок в центрі трубки рухається з лінійною швидкістю, вдвічі більшою від потоку носія. Результатом є параболічний профіль потоку, показаний на рисунку Template:index b. Конвекція є основним засобом дисперсії протягом перших 100 мс після введення зразка.

Рисунок Template:index. Вплив дисперсії на форму профілю потоку зразка, показаний синім кольором, у різний час під час аналізу нагнітання потоку: (а) при впорскуванні; (б) коли конвекція домінує над дисперсією; (c) коли конвекція та дифузія сприяють дисперсії; і (d) коли дифузія домінує над дисперсією. Червона лінія показує ширину, w, профілю потоку зразків.

Другим внеском у дисперсію зразка є дифузія за рахунок градієнта концентрації, який існує між зразком та потоком носія. Як показано на малюнку 13.20, дифузія відбувається паралельно (аксіально) і перпендикулярно (радіально) напрямку, в якому рухається носій. Тільки радіальна дифузія важлива в аналізі впорскування потоку. Радіальна дифузія зменшує лінійну швидкість зразка в центрі трубки, тоді як зразок на краю трубки відчуває збільшення його лінійної швидкості. Дифузія допомагає зберегти цілісність профілю потоку зразка (Figure Template:index c) і запобігає диспергуванню суміжних зразків в потоці носія один в одного. І конвекція, і дифузія вносять значний внесок у дисперсію приблизно через 3—20 с після ін'єкції зразка. Це нормальна шкала часу для аналізу впорскування потоку. Приблизно через 25 с дифузія є єдиним значним фактором дисперсії, в результаті чого профіль потоку, подібний до показаного на малюнку Template:index d.

Осьова дифузія поширює потік зразка назовні вздовж потоку потоку зразка, тоді як радіальна дифузія поширює зразок проти шляхів, що містять потік. — Рисунок Template:index. Ілюстрація показує осьову і радіальну дифузію Синій смуга - це профіль потоку зразка, а червоні стрілки вказують на напрямок дифузії.

Крива FIA, або фіаграма, - це графік сигналу детектора як функція часу. Рисунок Template:index показує типову діаграму для умов, в яких конвекція та дифузія сприяють дисперсії зразка. Також на малюнку показані кілька параметрів, що характеризують діаграму зразка. Два параметри визначають час переміщення зразка від інжектора до детектора. Час у дорозі, t _a, - це час між ін'єкцією зразка та приходом його передньої кромки на детекторі. Час перебування, T, з іншого боку, - це час, необхідний для отримання максимального сигналу. Різниця між часом перебування та часом подорожі полягає в тому\(t^{\prime}\), що наближається до нуля, коли конвекція є основним засобом розсіювання, і збільшується в цінності, оскільки внесок від дифузії стає більш важливим.

Рисунок Template:index. Типова діаграма для аналізу нагнітання потоку, що показує реакцію детектора як функцію часу. Дивіться текст для пояснення параметрів,\(t_a\),\(t^{\prime}\),\(\Delta t\)\(T^{\prime}\), і\(h\).

Час, необхідний для проходження зразка через проточну комірку детектора - і для повернення сигналу на базову лінію - також описується двома параметрами. Час від базової лінії до базової лінії - це час між приходом переднього краю зразка до відльоту його заднього краю.\(\Delta t\) Минулий час між максимальним сигналом і його поверненням до базової лінії - це час повернення,\(T^{\prime}\). Кінцевим характеристичним параметром фіграми є пікова висота зразка, h.

З шести параметрів, показаних на рисунку Template:index, найважливішими є висота піку і час повернення. Висота піку важлива, оскільки вона прямо чи опосередковано пов'язана з концентрацією аналіта. Чутливість методу FIA, таким чином, визначається висотою піку. Час повернення важливий, оскільки він визначає частоту, з якою ми можемо вводити зразки. Рисунок Template:index показує, що якщо ми введемо другий зразок за раз\(T^{\prime}\) після введення першого зразка, то дві криві FIA мало перекриваються. Вводячи зразки з інтервалами\(T^{\prime}\), ми отримуємо максимально можливу частоту дискретизації.

Рисунок Template:index. Вплив часу повернення\(T^{\prime}\), на частоту дискретизації.

Пікові висоти та час повернення впливають на дисперсію профілю потоку зразка та фізико-хімічні властивості системи впорскування потоку. Фізичні параметри, які впливають на h і\(T^{\prime}\) включають обсяг впорскуваного нами зразка, швидкість потоку, довжину, діаметр і геометрію зони змішування і реакційної зони, а також наявність переходів, де окремі канали зливаються воєдино. Кінетика будь-яких хімічних реакцій між зразком і реагентами в потоці носія також впливає на пікову висоту і час повернення.

На жаль, немає хорошої теорії, яку ми можемо використовувати для послідовного прогнозування висоти піку і часу повернення для заданого набору фізико-хімічних параметрів. Конструкція аналізатора нагнітання потоку для певної аналітичної задачі все ще відбувається в основному процесом експериментів. Проте, можна зробити деякі загальні спостереження щодо впливу фізико-хімічних параметрів. За відсутності хімічних ефектів ми можемо покращити чутливість - тобто отримати більші пікові висоти - шляхом впорскування більших зразків, збільшуючи швидкість потоку, зменшуючи довжину та діаметр труб у зоні змішування та реакційній зоні, а також шляхом об'єднання окремих каналів перед точкою, де вводиться зразок. За винятком обсягу вибірки, ми можемо збільшити частоту дискретизації, тобто зменшити час повернення - за допомогою тієї ж комбінації фізичних параметрів. Однак більші обсяги вибірки призводять до більш тривалого часу повернення та зменшення пропускної здатності вибірки. Ефект хімічної реактивності залежить від того, чи є вид, який ми спостерігаємо, є реагентом чи продуктом. Наприклад, якщо ми спостерігаємо за реагентом, ми можемо покращити чутливість, вибравши умови, що зменшують час перебування, T, або регулюючи склад потоку носія, щоб реакція відбувалася повільніше.

Контрольно-вимірювальні прилади

Основні компоненти аналізатора нагнітання потоку показані на малюнку Template:index і включають насос для руху потоку носія та потоків реагентів, засіб для введення зразка в потік носія та детектор для контролю складу потоку носія. Підключення цих агрегатів являє собою транспортну систему, яка об'єднує окремі канали і забезпечує час для змішування зразка з потоком носія і реагування з потоками реагентів. Ми також можемо включити розділові модулі в транспортну систему. Кожен з цих компонентів більш детально розглянуто в цьому розділі.

Рисунок Template:index. Приклад типового аналізатора впорскування потоку, який показує насос, інжектор, транспортну систему, яка складається з змішувальних/реакційних котушок і переходів, і детектор (мінус спектрофотометр). Ця конкретна конфігурація має два канали: несучий потік і лінію реагентів.

гребний агрегат

Прохідний блок переміщує потік носія через аналізатор нагнітання потоку. Хоча було використано кілька різних гребних агрегатів, найбільш поширеним є перистальтичний насос, який, як показано на малюнку Template:index, складається з набору роликів, прикріплених до зовнішньої сторони обертового барабана. Трубки з резервуарів реагенту укладають між роликами і нерухомою пластиною. У міру обертання барабана ролики здавлюють трубки, змушуючи вміст трубки рухатися в напрямку обертання. Перистальтичні насоси забезпечують постійну витрату, яка регулюється швидкістю обертання барабана і внутрішнім діаметром трубки. Можливі витрати від 0,0005—40 мл/хв, що більш ніж достатньо для задоволення потреб FIA, де поширені витрати 0,5-2,5 мл/хв. Одним з обмежень перистальтичного насоса є те, що він виробляє імпульсний потік, особливо при більш високих швидкостях потоку - що може призвести до коливань сигналу.

Перистальтичний насосскладається з нерухомої пластини з обертовим барабаном всередині неї. Барабан оточений роликами, які котяться по трубах навколо них. — Рисунок Template:index. Принципова схема перистальтичного насоса.

Інжектор

Зразок, як правило, 5-200 мкл, вводиться в потік носія. Хоча ін'єкції шприца через гумову перегородку можливі, більш поширеним методом, як показано на малюнку Template:index, є використання поворотного або петлевого інжектора, подібного до того, який використовується у ВЕРХ. Цей тип інжектора забезпечує відтворюваний обсяг вибірки і легко адаптується до автоматизації, що є важливою особливістю, коли потрібні високі частоти вибірки.

Детектор

Найпоширенішими детекторами для аналізу нагнітання потоку є електрохімічні та оптичні детектори, що використовуються у ВЕРХ. Ці детектори розглядаються в Главі 12 і не розглядаються далі в цьому розділі. Детектори FIA також були розроблені навколо використання іонно-селективних електродів та атомно-абсорбційної спектроскопії.

Транспортна система

Серцем аналізатора нагнітання потоку є транспортна система, яка об'єднує потік носія, зразок та будь-які реагенти, які реагують зі зразком. Кожен потік реагентів вважається окремим каналом, і всі канали повинні злитися до того, як потік носія досягне детектора. Повна транспортна система називається колектором.

Найпростіший многовид має єдиний канал, основний контур якого наведено на малюнку Template:index. Цей тип колектора використовується для безпосереднього аналізу аналіту, який не вимагає хімічної реакції. При цьому несучий потік служить лише засобом для швидкого і відтворюваного транспортування зразка до детектора. Наприклад, ця конструкція колектора була використана для введення зразка в атомно-абсорбційну спектроскопію, досягаючи швидкості вибірки до 700 зразків/год. одноканальний колектор також використовується для визначення рН зразка або визначення концентрації іонів металів за допомогою іонно-селективного електрода.

Одиночний колектор штовхає реагент через насос, потім контурний інжектор, до змішувальної/реагуючої котушки, потім до детектора і закінчуючи відходами. — Рисунок Template:index. Приклад одноканального колектора, в якому реагент служить носієм потоку і як вид, який вступає в реакцію зі зразком. Змішувальна/реакційна котушка обертається навколо пластикового циліндра.

Ми також можемо використовувати одноканальний колектор на рис. Template:index для аналізу, в якому ми відстежуємо продукт хімічної реакції між зразком і реагентом. У цьому випадку потік носія одночасно транспортує зразок на детектор і реагує зі зразком. Оскільки зразок повинен змішуватися з потоком носія, використовується менша витрата. Одним із прикладів є визначення хлориду у воді, яке засноване на наступній послідовності реакцій.

\[\mathrm{Hg}(\mathrm{SCN})_{2}(a q)+2 \mathrm{Cl}^{-}(a q) \rightleftharpoons \: \mathrm{HgCl}_{2}(a q)+2 \mathrm{SCN}^{-}(a q) \nonumber\]

\[\mathrm{Fe}^{3+}(a q)+\mathrm{SCN}^{-}(a q) \rightleftharpoons \mathrm{Fe}(\mathrm{SCN})^{2+}(a q) \nonumber\]

Потік носія складається з кислого розчину Hg (SCN) ₂ і Fe ³ ⁺. Введення зразка, що містить хлорид, в потік носія витісняє тіоцианат з Hg (SCN) ₂. Потім зміщений тіоцианат реагує з Fe ³ ⁺ з утворенням червоного кольору Fe (SCN) ²⁺ комплексу, поглинання якого контролюється на довжині хвилі 480 нм. Швидкість вибірки приблизно 120 зразків на годину була досягнута за допомогою цієї системи [Hansen, E. H.; Ruzicka, JJ Chem. Едук. 1979, 56, 677—680].

Більшість аналізів впорскування потоку, які включають хімічну реакцію, використовують колектор з двома або більше каналами. У тому числі додаткові канали забезпечує більший контроль над змішуванням реагентів і взаємодією між реагентами і зразком. Для двоканальної системи можливі дві конфігурації. Двоканальний колектор, такий як показано на малюнку Template:index a, використовується, коли реагенти не можуть бути попередньо змішані через їх реакційну здатність. Наприклад, в кислих розчинах фосфат вступає в реакцію з молібдатом з утворенням гетерополікислоти H ₃ P (Mo ₁₂ O ₄₀). У присутності аскорбінової кислоти молібден в гетерополікислоті відновлюється від Mo (VI) до Mo (V), утворюючи комплекс синього кольору, який контролюється спектрофотометрично при 660 нм [Hansen, E.H.; Ruzicka, JJ. Chem. Едук. 1979, 56, 677—680]. Оскільки аскорбінова кислота зменшує молібдат, два реагенти поміщаються в окремі канали, які зливаються безпосередньо перед контурним інжектором.

Перший приклад показує два реагенти, що з'єднуються на переході каналу, потім проходять через петлю інжектора, змішування/реагування котушки, детектор, потім відходи. У другому прикладі реагент 1 переміщається через петлю інжектора (реагент 2 не робить), потім два з'єднуються на стику каналу, переміщаються до змішування/реагування котушки, детектора і потім відходів. — Рисунок Template:index. Два приклади двоканального колектора для аналізу нагнітання потоку. В (а) два канали зливаються перед контурним інжектором, а в (b) два канали зливаються після контуру інжектора.

Двоканальний колектор також використовується для додавання другого реагенту після введення зразка в потік носія, як показано на малюнку Template:index b. цей стиль колектора використовується для кількісного аналізу багатьох аналітів, включаючи визначення хімічної потреби стічних вод в кисні (ХПК) [ Коренага, Т.; Ікацу, Н. Чим. Акт 1982, 141, 301—309]. Хімічна потреба в кисні - це міра кількості органічної речовини у зразку стічних вод. При звичайному методі аналізу ХПК визначають шляхом рефлюксу проби протягом 2 ч в присутності кислоти і сильного окислювача, такого як K ₂ Cr ₂ O ₇ або KMnO ₄. При повному рефлюксі кількість витраченого в реакції окислювача визначається окислювально-відновним титруванням. У проточному ін'єкційному варіанті цього аналізу зразок вводять в носій потік водного H ₂ SO ₄, який зливається з розчином окислювача з вторинного каналу. Реакція окислення кінетично повільна, і, як наслідок, змішувальна котушка та реакційна котушка дуже довгі - зазвичай 40 м - і занурені в термостатировану ванну. Частота дискретизації нижча, ніж для більшості аналізів впорскування потоку, але при 10-30 пробок/год вона значно більша, ніж окислювально-титриметричний метод.

Більш складні колектори, що включають три або більше каналів, є поширеними, але можлива комбінація конструкцій занадто численна для обговорення. Один із прикладів чотириканального багатоканального колектора показаний на малюнку Template:index.

Реагент 1 протікає через петлю інжектора і зустрічає інші три реагенти з трьома канальними переходами, кожен з яких слідує змішувальний/реагує змішувальний/реагуючий змішувач, потім проходить через детектор і потім на відходи. — Рисунок Template:index. Приклад чотириканального колектора для аналізу нагнітання потоку.

Модулі поділу

Включивши модуль поділу в колектор впорскування потоку, ми можемо включити поділ - діаліз, газоподібна дифузія та екстракція рідина-рідина - в аналізі впорскування потоку. Хоча ці розділення ніколи не є повними, вони відтворюються, якщо ми ретельно контролюємо експериментальні умови.

Діаліз та газоподібна дифузія здійснюються шляхом розміщення напівпроникної мембрани між потоком носія, що містить зразок, і потоком акцептора, як показано на малюнку Template:index. У міру проходження потоку зразка через модуль розділення частина тих видів, які можуть перетинати напівпроникну мембрану, робить це, потрапляючи в акцепторний потік. Цей тип модуля розділення поширений для аналізу клінічних зразків, таких як сироватка і сеча, де діалізна мембрана відокремлює аналіт від його складного матриксу. Напівпроникні газоподібні дифузійні мембрани використовуються для визначення аміаку і вуглекислого газу в крові. Наприклад, аміак визначається шляхом впорскування зразка в носій потоку водного NaOH. Аміак дифундує через напівпроникну мембрану в акцепторний потік, який містить індикатор кислотно-основи. Отриману кислотно-лужну реакцію між аміаком і індикатором контролюють спектрофотометрично.

Рисунок Template:index. Розділювальний модуль для аналізу нагнітання потоку з використанням напівпроникної мембрани. Менші зелені розчинні речовини можуть проходити через напівпроникну мембрану і потрапляти в потік акцептора, але більші сині розчини не можуть. Хоча поділ не є повним - зверніть увагу, що частина зеленого розчиненого речовини залишається в потоці зразків і виходить як відходи - вона відтворюється, якщо ми не змінимо експериментальних умов.

Рідинно-рідкі екстракції здійснюються шляхом злиття двох незмішуваних рідин, кожна з яких здійснюється в окремому каналі. В результаті виходить сегментований потік через модуль поділу, що складається з чергуються частин двох фаз. На виході з розділового модуля дві рідини відокремлюються, скориставшись різницею в їх щільності. Рисунок Template:index показує типову конфігурацію модуля розділення, в якій зразок вводять у водну фазу і витягують у менш щільну органічну фазу, яка проходить через детектор.

Рисунок Template:index. Модуль розділення для аналізу нагнітання потоку за допомогою екстракції рідини та рідини. Вставка показує реакцію рівноваги. Коли зразок рухається через зону рівноваги, аналіт витягується в органічну фазу.

Кількісні програми

У методі кількісного нагнітання потоку калібрувальна крива визначається шляхом введення ряду зовнішніх стандартів, які містять відомі концентрації аналіту. Формат калібрувальної кривої - приклади включають графіки поглинання проти концентрації та потенціалу проти концентрації - залежить від методу виявлення. Калібрувальні криві для стандартних спектроскопічних і електрохімічних методів розглядаються в Главі 10 і в главі 11 відповідно і не розглядаються далі в цьому розділі.

Аналіз потоку ін'єкцій був використаний для аналізу широкого спектру зразків, включаючи екологічні, клінічні, сільськогосподарські, промислові та фармацевтичні зразки. Більшість аналізів включають екологічні та клінічні зразки, що є фокусом цього розділу.

Для катіонних, аніонних та молекулярних забруднювачів у стічних, прісних, підземних водах та морських водах розроблено кількісні методи нагнітання потоку, три приклади яких були описані в попередньому розділі. Таблиця Template:index містить частковий перелік інших аналітів, які були визначені за допомогою FIA, багато з яких є модифікаціями стандартних спектрофотометричних та потенціометричних методів. Додатковою перевагою FIA для екологічного аналізу є можливість забезпечення безперервного, in situ моніторингу забруднюючих речовин у полі [Ендрю, К. Н.; Blundell, NJ; Price, D.; Worsfold, P J. Anal. Хім. 1994, 66, 916—922А].

Таблиця Template:index. Вибрані методи аналізу ін'єкцій потоку для екологічних зразків
аналіт	зразок	Обсяг зразка (мкл)	діапазон концентрації	частота дискретизації (ч ^—1)
Са ² ⁺	прісноводних	20	0,8-7,2 проміле	80
Cu ² ⁺	грунтових вод	70—700	100-400 проміле	20
Пб ²⁺	грунтових вод	70—700	0-40 проміле	20
Zn ² ⁺	морської води	1000	1—100 проміле	30—60
\(\text{NH}_4^+\)	морської води	60	0,18—18,1 проміле	288
\(\text{NO}_3^-\)	дощової води	1000	1—10 проміле	40
\(\text{SO}_4^{2-}\)	прісноводних	400	4—140 проміле	180
CN ^—	промислова	10	0,3-100 проміле	40
Джерело: Адаптовано з Valca'rcel, M.; Luque de Castro, M.D. Аналіз потоку ін'єкцій: принципи та практика, Елліс Хорвуд: Чичестер, Англія, 1987.

Як зазначається в розділі 9, кілька стандартних методів аналізу води передбачають кислотно-основу, комплексоутворення або окислювально-відновне титрування. Легко адаптувати ці титрування до FIA за допомогою одноканального колектора, подібного до показаного на малюнку Template:index [Рамзінг, А.У.; Ружицька, Дж.; Хансен, Е. Чим. Акт 1981, 129, 1—17]. Титрант, концентрація якого повинна бути стехіометрично меншою, ніж у аналіта, і візуальний індикатор розміщуються в резервуарі реагенту і безперервно перекачуються через колектор. Коли ми вводимо зразок, він ретельно змішується з титрантом у потоці носія. Реакція між аналітом, який знаходиться в надлишку, і титрантом виробляє відносно широкий прямокутний профіль потоку для зразка. При русі зразка до детектора зменшується додаткове змішування осередків і ширина профілю потоку зразка. Коли зразок проходить через детектор, визначаємо ширину його профілю потоку\(\Delta T\), контролюючи поглинання індикатора. Калібрувальну криву\(\Delta T\) versus log [analyte] готують за допомогою стандартних розчинів аналіту.

Аналіз потоку ін'єкцій також знайшов численне застосування при аналізі клінічних зразків, використовуючи як ферментативні, так і неферментативні методи. Таблиця Template:index узагальнює декілька прикладів.

Таблиця Template:index. Вибрані методи аналізу ін'єкцій потоку для клінічних зразків
аналіт	зразок	Обсяг зразка (мкл)	діапазон концентрації	частота дискретизації (ч ^—1)
*неферментативні методи*
Куб ²⁺	сироватка	20	0,7-1,5 проміле	70
Cl ^—	сироватка	60	50-150 ммоль/л	125
\(\text{PO}_4^{3-}\)	сироватка	200	10-60 проміле	130
Всього СО ₂	сироватка	50	10-50 мм	70
хлорпромазин	плазма крові	200	1,5-9\(\mu \text{M}\)	24
*ферментативні методи*
глюкоза	сироватка крові	26.5	0,5-15 мм	60
сечовина	сироватка крові	30	4-20 мм	60
етанолу	крові	30	5-30 проміле	50
Джерело: Адаптовано з Valca'rcel, M.; Luque de Castro, M.D. Аналіз потоку ін'єкцій: принципи та практика, Елліс Хорвуд: Чичестер, Англія, 1987.

Найкращий спосіб оцінити теоретичні та практичні деталі, розглянуті в цьому розділі, - це уважно вивчити типовий аналітичний метод. Хоча кожен метод унікальний, наступний опис визначення фосфату дає повчальний приклад типової процедури. Опис тут базується на Гаї, RD; Ramaley, L; Wentzell, P D. «Експеримент у відборі твердих речовин для хімічного аналізу», J.Chem. Едук. 1998, 75, 1028—1033. Як випливає з назви, основна увага цієї глави приділяється вибірці. Однак аналіз ін'єкцій потоку використовується для аналізу зразків.

Представницький метод 13.4.1: Визначення фосфату за допомогою FIA

Опис методу

Визначення FIA фосфату є адаптацією стандартного спектрофотометричного аналізу для фосфату. У присутності кислоти фосфат реагує з молібдатом амонію з утворенням комплексу жовтого кольору, в якому присутній молібден як Mo (VI).

\[\mathrm{H}_{3} \mathrm{PO}_{4}(a q)+12 \mathrm{H}_{2} \mathrm{MoO}_{4}(a q) \leftrightharpoons \: \mathrm{H}_{3} \mathrm{P}\left(\mathrm{Mo}_{12} \mathrm{O}_{40}\right)(a q)+12 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\mathrm{l}) \nonumber\]

У присутності відновника, такого як аскорбінова кислота, комплекс жовтого кольору зводиться до синього кольору комплексу Mo (V).

Порядок дій

Приготуйте наступні три розчини: (а) 5,0 мМ молібдат амонію в 0,40 М HNO ₃; (б) 0,7% в/в аскорбінової кислоти в 1% в/в гліцерині; і (в) 100,0 проміле фосфату стандарту з використанням KH ₂ PO ₄. Використовуючи стандарт фосфатів, підготуйте набір зовнішніх стандартів з концентрацією фосфатів 10, 20, 30, 40, 50 і 60 ppm. Використовуйте колектор, подібний до показаного на малюнку Template:index a, розмістивши змішувальну котушку 50 см між насосом та контурним інжектором та 50-сантиметрову реакційну котушку між контурним інжектором та детектором. Для обох котушок використовуйте трубки з ПТФЕ з внутрішнім діаметром 0,8 мм. Встановіть швидкість потоку на 0,5 мл/хв. Підготуйте калібрувальну криву, вводячи 50 мкл кожного стандарту, вимірюючи поглинання при 650 нм. Аналогічним чином аналізуються зразки.

Питання

1. Скільки часу потрібно пробі, щоб перейти від контурного інжектора до детектора?

Реакційна котушка довжиною 50 см при внутрішньому діаметрі 0,8 мм. Обсяг цієї трубки дорівнює

\[V=l \pi r^{2}=50 \mathrm{cm} \times 3.14 \times\left(\frac{0.08 \mathrm{cm}}{2}\right)^{2}=0.25 \mathrm{cm}^{3}=0.25 \mathrm{mL} \nonumber\]

При швидкості потоку 0,5 мл/хв потрібно близько 30 с, щоб проба пройшла через систему.

2. В інструкції до стандартного спектрофотометричного методу зазначено, що поглинання вимірюють через 5-10 хв після додавання аскорбінової кислоти. Чому цей період очікування необхідний в спектрофотометричному методі, але не необхідний в методі FIA?

Зведення комплексу Mo (VI) жовтого кольору до комплексу Mo (V) синього кольору є повільною реакцією. У стандартному спектрофотометричному методі важко відтворно контролювати час між додаванням реагентів до зразка і вимірюванням поглинання зразка. Для досягнення хорошої точності ми дозволяємо реакції перейти до завершення, перш ніж вимірювати поглинання. Як видно з відповіді на попереднє питання, в методі FIA швидкість потоку і розміри реакційної котушки визначають час реакції. Оскільки цей час контролюється точно, реакція відбувається в однаковій мірі для всіх стандартів і зразків. Більш короткий час реакції має перевагу в тому, що дозволяє більш високу пропускну здатність зразків.

3. Спектрофотометричний метод рекомендує використовувати норми фосфатів 2—10 проміле. Поясніть, чому метод FIA використовує інший діапазон стандартів.

У методі FIA ми вимірюємо поглинання до завершення формування комплексу Mo (V) синього кольору. Оскільки поглинання для будь-якого стандартного розчину фосфату завжди менше при використанні методу FIA, метод FIA менш чутливий і необхідні більш високі концентрації фосфату.

4. Як би ви включили порожній реагент в аналіз FIA?

Заготівлю реагенту отримують шляхом впорскування зразка дистильованої води замість зовнішнього стандарту або зразка. Поглинання заготовки реагенту віднімається з поглинань, отриманих для стандартів і зразків.

Приклад Template:index

Отримано наступні дані для набору зовнішніх стандартів при використанні репрезентативного методу 13.4.1 для аналізу фосфатів у пробі стічних вод.

[\(\text{PO}_4^{3-}\)] (проміле)	поглинання
\ (\ текст {PO} _4^ {3-}\)] (проміле) ">10.00	0.079
\ (\ текст {PO} _4^ {3-}\)] (проміле) ">20.00	0,160
\ (\ текст {PO} _4^ {3-}\)] (проміле) ">30.00	0,233
\ (\ текст {PO} _4^ {3-}\)] (проміле) ">40.00	0.316
\ (\ текст {PO} _4^ {3-}\)] (проміле) ">60.00	0,482

Яка концентрація фосфату в зразку, якщо він дає поглинання 0,287?

Рішення

Рисунок Template:index показує криву калібрування зовнішніх стандартів та рівняння калібрування. Заміщення в абсорбції зразка дає концентрацію фосфату в зразку як 36,1 проміле.

А = -0,0033+ (8,04х10 ^ -3) х (проміле PO4 (3-)). — Рисунок Template:index. Калібрувальна крива та рівняння для даних у прикладі Template:index.

Оцінка

Більшість застосувань аналізу ін'єкцій потоку є модифікаціями звичайних титриметричних, спектрофотометричних та електрохімічних методів аналізу; Таким чином, доцільно порівнювати методи FIA з цими звичайними методами. Масштаб операцій для FIA дозволяє проводити рутинний аналіз незначних та слідових аналітів, а також для макро, мезо та мікрозразків. Можливість роботи з мікролітровими обсягами ін'єкцій стане в нагоді при дефіциті зразка. Звичайні методи аналізу зазвичай мають менші межі виявлення.

Точність і точність методів FIA можна порівняти з conven-tional методи аналізу; однак на точність FIA впливають кілька змінних, які не впливають на звичайні методи, включаючи стабільність швидкості потоку і відтворюваність впорскування зразка. Крім того, результати FIA більш сприйнятливі до перепадів температури.

В цілому чутливість FIA менше, ніж у звичайних методів аналізу принаймні з двох причин. По-перше, як і при хімічних кінетичних методах, вимірювання в FIA проводяться в нерівноважних умовах, коли сигнал ще не досяг свого максимального значення. По-друге, дисперсія розріджує зразок у міру його переміщення через колектор. Оскільки змінні, які впливають на чутливість, відомі, ми можемо розробити колектор FIA для оптимізації чутливості методу.

Вибірковість для методу FIA часто краще, ніж для відповідного звичайного методу аналізу. У багатьох випадках це пов'язано з кінетичним характером процесу вимірювання, при якому потенційні перешкоди можуть реагувати повільніше, ніж аналіт. Забруднення від зовнішніх джерел також є меншою проблемою, оскільки реагенти зберігаються в закритих резервуарах і перекачуються через систему транспортних трубок, яка закрита для навколишнього середовища.

Нарешті, FIA є привабливою технікою, враховуючи час, вартість та обладнання. При використанні автопробовідбірника метод впорскування потоку може досягти дуже високих показників вибірки. Частота дискретизації 20—120 пробок/год не є незвичайною, і можливі частоти дискретизації до 1700 пробок/год. Оскільки обсяг колектора впорскування потоку невеликий, як правило, менше 2 мл, витрата реагентів значно менший, ніж для звичайного методу. Це може привести до значного зниження вартості одного аналізу. Аналіз впорскування потоку вимагає необхідності додаткового обладнання - насоса, контурного інжектора та колектора - що додає вартості аналізу.

Для огляду важливості аналізу ін'єкцій потоку див. Hansen, EH; Міро, М. «Як аналіз потоку ін'єкцій (FIA) за останні 25 років змінив наш спосіб виконання хімічних аналізів», TRAC, Trends Anal. Хім. 2007, 26, 18—26.