第七章 自动分析技术微型全分析系统 71导言 72流动注射分析 73微型全分析系统 74微流控分析芯片加工技术 75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
第七章 自动分析技术/微型全分析系统 7.1 导言 7.2 流动注射分析 7.3 微型全分析系统 7.4 微流控分析芯片加工技术 7.5 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
71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
7.1 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。 丹麦技术大学的 J Ruzicka和 E.H. Hansen于1975年提出了流动注 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1min。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
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。 丹麦技术大学的J.Ruzicka 和E.H.Hansen于1975年提出了流动注 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,一般毎次测定仅需25-100 μ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
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
7.2流动注射分析 721流动注射分析的基本原理 7.2.11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
7.2 流动注射分析 7.2.1 流动注射分析的基本原理 7.2.1.1 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
流动方向 时间 时间 时间 (d) 图71对流和扩散作用 (a)无分徵;(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
图7.1 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C,所基于的反应是: Hg sCn), +2CIHgCl, +2SCN Fe+SCN、Fe(SCN)2 (b) 場动泵样品反应管光度计 0.6 mLmin 50 cm Hg (SCN)20.8 试剂一 废液 0.50mm 旁路 0. 时间 图72流动注射测定C (a)流路设计图;(b)575μgmL的平行测定;(c)30gmL和75 μgmL样品的快速扫描
例如，以分光光度法测定Cl-，所基于的反应是： - - Hg(SCN) +2Cl HgCl +2SCN 2 2 3+ - 2+ Fe + SCN Fe(SCN) 图7.2 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
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
7.2.12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=Co/C( D>0 式中c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
7.2.1.2 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) (7.1) 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FA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 作将样品严袼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并发生反 应,以形成要检测的产物时采用中度分散。只有当样品必须被稀 释到测量范围内时才应用高度分散。减小的分散意味着检测的样 品浓度高于注入的样品浓度,即发生了在线预浓缩(例如通过离 子交换柱或经过共沉淀等)
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并发生反 应，以形成要检测的产物时采用中度分散。只有当样品必须被稀 释到测量范围内时才应用高度分散。减小的分散意味着检测的样 品浓度高于注入的样品浓度，即发生了在线预浓缩（例如通过离 子交换柱或经过共沉淀等）