литература для всех / zolotov_yu_a_red_osnovy_analiticheskoy_khimii_v_2_knigakh_kn

Проба

Рис. 16.6. Схема потокораспределительной схемы для последовательно-инжекци- онного анализа с возобновляемой колонкой (инжекция частиц):

1 — шприцевой насос; 2 — «удерживающая» спираль; 3 — многоходовой кран; 4 — проточный детектор со специальной конструкцией ячейки

аналитический сигнал. Отработанные частицы сорбента удаляются из потокораспределительной системы. Таким образом удается в неравновес­ ных условиях потока организовать сорбционное концентрирование и твердофазное детектирование, что приводит к значительному повышению чувствительности определения (рис. 16.7).

При реализации этих подходов сохраняются достоинства проточноинжекционного анализа, такие как низкий расход пробы, высокая произво­ дительность, возможность осуществления различных химических реакций и процессов в неравновесных условиях потока. Однако есть и существен­ ные достоинства. Главные из них — это универсальность и гибкость подхо­ да и простота оборудования: одна и та же система (по сути дела пластико­ вая трубка) может быть использована для определения различных компо­ нентов, для реализации различных химических реакций, в том числе и с участием большого числа необходимых реагентов. Для этого необходимо изменить лишь программу, управляющую работой прибора, и подключить с помощью многоходового крана дополнительные реагенты или узлы. Расход реагентов и сорбентов в последовательном инжекционном анализе и его варианте с инжекцией частиц минимален. Практическая реализация этих методов предполагает использование достаточно дорогого оборудования и специального программного обеспечения.

В рассмотренных методах, когда микрообъемы пробы вводятся в лами­ нарный поток носителя, предполагается, что химические реакции и физические процессы должны протекать достаточно быстро. Методы «остановленного по­ тока» и «замкнутой спирали» позволяют увеличил» время пребывания пробы в

410

I Суспензия j 1 частиц

Рис. 16.7. Процессы, происходящие при последовательно-инжекциоином анализе с возобновляемой колонкой (инжекция частиц):

1 — инжекция суспензии частиц; 2 — инжекция пробы (и, если необходимо, ин­ жекция реагента); 3,4 — взаимодействие по пути к детектору; 5 — детектирова­ ние, очистка измерительной ячейки

проточной системе. При методе «остановленного потока», выбирая определен­ ные момент и интервал остановки потока, можно задавать определенную ско­ рость и время протекания химической реакции в течение этой остановки. Обычно поток останавливают, когда зона образца или ее часть находятся в сме­ сительной спирали или реакторе, или в проточной ячейке детектора. В послед­ нем случае детектор регистрирует приращение сигнала во времени, что позво­ ляет не только повысить степень протекания реакции, но и оценить ее скорость. В методе «замкнутой спирали» поток циркулирует по замкнутому трубопроводу через детектор до полного равновесного смешивания пробы с реагентом, при этом детектор регистрирует серию аналитических сигналов, соответствующих изменению измеряемого параметра во времени.

К настоящему времени разработано большое число полностью авто­ матизированных систем для определения разнообразных неорганических и органических систем в различных объектах. Такие системы стабильно работают в автономном режиме под управлением компьютера. Системы пригодны для рутинного мониторинга, в том числе и контроля за содер­ жанием токсичных и радиоактивных компонентов.

411

Электроинжекционный анализ. В.П. Андреевым (1993) был предло­ жен новый вариант проточно-инжекционного анализа, названный электроинжекционным анализом (ЭИА). В ЭИА химическая реакция между определяе­ мым компонентом и реагентом реализуется в капилляре, аналогичном ис­ пользуемому в капиллярном электрофорезе. Капилляр заполняется буферным раствором и в нем создается продольное электрическое поле. Определяемый компонент и реагент вводятся электрокинетически с противоположных кон­ цов капилляра. Их зоны движутся в капилляре навстречу друг другу, проходят друг сквозь друга и вступают в химическую реакцию. Продукт взаимодейст­ вия детектируется непосредственно в капилляре.

В ЭИА в отличие от инжекционных методов происходит полное смешение зон определяемого компонента и реагента, при этом размыва­ ние их зон и продукта реакции существенно меньше, что повышает чув­ ствительность определения.

Другим важным преимуществом ЭИА перед инжекционными мето­ дами является одновременный электрофорез компонентов пробы: их раз­ деление за счет различия в электрофоретических подвижностях компо­ нентов. Это снижает влияние посторонних веществ и может бьггь полезно при проведении многокомпонентных определений. При реализации ЭИА нет необходимости использовать насосы, что определяет легкость реали­ зации метода в микромасштабе.

Существенным ограничением практической реализации ЭИА, по сравнению с другими проточными методами, является то, что реагент, который вводится против электроосмотического потока, должен иметь электроосмотическую подвижность противоположного знака и большую по величине, чем электроосмотическая, подвижность буферного раствора.

Размывание (дисперсия) зон в инжекционных методах. Аналити­ ческий сигнал в инжекционных методах измеряется в неравновесных ус­ ловиях, когда ни физические процессы разбавления пробы носителем, ни тем более химические реакции не завершаются. Получать хорошо вос­ производимые результаты позволяет строгий контроль времени пребыва­ ния пробы в системе и степени ее разбавления в потоке.

Наиболее важным физическим явлением при получении зон пробы и реагента в несегментированном потоке жидкости является их размывание в потоке носителя. Степень дисперсии вдоль зоны неодинакова. В двух крайних частях зоны на границах раздела с носителем она является ре­ зультатом молекулярной диффузии и конвекции, а в центральной части —■ только конвекции. При этом дисперсия может проходить как в радиаль­ ном, так и в аксиальном направлениях. Это приводит к изменению кон­ центрационных профилей зоны по мере ее продвижения в ламинарном потоке носителя (рис. 16.8). Общая дисперсия пика ( 0 ПИжг), определяю­

щая форму пика, складывается из дисперсии образца в процессе его дви-

412

гИ.. Хансен предложили использовать коэффициент дисперсии D, числен­ но равный отношению начальной концентрации пробы ( с0) к концентра-

жектированной пробы. Для большинства проточно-инжекционных систем объем инжектируемой пробы составляет 100—200 мкл. Длина и диаметр трубок, используемых для прокачивания растворов, суще­ ственно влияют на размывание зон. Обычно используют трубки с внутренним диаметром 0,35—0,9 мм, при этом их длина должна быть как можно меньше

Различают потокораспределительные системы с ограниченной, сред­ ней и большой дисперсией зон (табл. 16.2, рис. 16.9). Для обеспечения ограниченной дисперсии расстояние от инжектора до детектора должно быть минимальным. В таких системах дополнительные устройства, как правило, не используются и зона образца попадает в детектор практиче­ ски не разбавленной.

413

Т а б л и ц а 16.2. Различная дисперсия зоны: особенности потокораспределительиых систем и области их применения

В потокораспределительных системах, предназначенных для осущест­ вления различных химических реакций и процессов, как правило, наблюда­ ется средняя дисперсия. В таких системах с увеличением объема инжекти­ руемой пробы высота пика увеличивается до тех пор, пока не будет достиг­ нуто стационарное состояние. Увеличение длины коммуникаций приводит к увеличению дисперсии; так, например, при скорости 15 мкл/мин увеличе­ ние длины трубки от 20 до 250 см, приводит к увеличению D от 2 до 8 , и, следовательно, существенной потере чувствительности.

Потокораспределительные системы с большой дисперсией исполь­ зуются для анализа концентрированных растворов. Для обеспечения большой дисперсии инжектируют минимально возможный объем пробы.

Таким образом, если скорость потока достаточно велика, объем вво­ димой пробы достаточно мал и трубка очень тонкая, то можно выбрать условия, при которых пробы не будут смешиваться друг с другом, они будут перемешиваться только с той жидкостью, которая непрерывно те-

414

одно определение сосхавляют 10— 50 мкл. Работа в закрытой системе в автоматизированном режиме практически исключает контакт оператора с опасными (токсичными или радиоактивными) веществами и позволяет использовать peaicw% с неустойчивыми химическими соединениями. Строгое постоянство всех физических параметров систем дает возмож­ ность контролирован условия реакций. Минимизация ручного труда по­ зволяет достичь вы со^й воспроизводимости результатов: значения отно­ сительного стандартного отклонения составляют 0,01—0,05.

Успех использования Этнх методов существенно зависит от выбора методики анализа и конструкции потокораспределительной системы. Из-за универсальности подхода проточные методы охватывают многие

415

сферы приложения от массового лабораторного анализа до создания сис­ тем автоматизированного контроля технологических процессов.

Приборы для ПА. Развитие ПА базируется как на успехах собствен­ но аналитической химии, так и в значительной мере на достижениях ана­ литического приборостроения. Приборы для ПА позволяют осуществлять в потоке в автоматическом режиме многие операции химического анали­ за: отбор пробы, введение ее в поток носителя (реагента), физическую и химическую подготовку пробы, детектирование и запись сигнала, мате­ матическую обработку данных. Проточные системы обычно включают один или несколько насосов; устройство для отбора пробы и ее инжекции в движущийся поток жидкости; аналитический модуль, основу которого составляет потокораспределительная система — совокупность трубок, определенным образом соединенных между собой, с узлом ввода пробы и детектором, а также содержащая смесительные спирали, реакторы и дру­ гие устройства; детектор с проточной ячейкой. Функционирование про­ точных систем и сбор данных обеспечивает компьютер.

Наибольшее распространение получили многоканальные перисталь­ тические насосы с рабочим давлением не более 0,1 МПа. Они могут обес­ печить различную скорость в различных каналах системы за счет исполь­ зования трубок с разным внутренним диаметром, они недороги и удобны в эксплуатации. Успех развития новых вариантов проточных методов анализа в значительной степени был связан с созданием надежных шприцевых насосов и многоходовых кранов. Для выполнения различных опе­ раций подготовки пробы непосредственно в потоке потокораспредели­ тельной системы включают смесительные (реакционные) спирали, хими­ ческие реакторы различных типов (колонки с восстановителями или окислителями), иммобилизованными реагентами, в том числе фермента­ ми, устройства для осуществления диализа, жидкостной экстракции, сорбционного разделения и концентрирования и прочих методов. Для интенсификации процессов и химических реакций используют водяные бани, устройства для УФ-облучения и микроволновые печи.

Для детектирования в ПА используют самые разнообразные оптиче­ ские (спектрофотометрия, флуоресценция, пламенная атомно-абсорбци­ онная спектроскопия, атомно-эмиссионная спектроскопия с индуктивно связанной плазмой) и электрохимические (амперометрия, ионометрия и инверсионная вольтамперометрия) методы анализа (табл. 16.3).

На выбор метода детектирования ПА не накладывает каких-либо принципиальных ограничений. К идеальному детектору в ПИА предъяв­ ляются следующие требования: быстродействие (время отклика не более 5 с); низкий шум и высокая чувствительность; воспроизводимость и стабиль­ ность отклика; линейная зависимость сигнала от концентрации образца; селективность; миниатюрность и простота конструкции. Полностью всем

416

этим требованиям не отвечает ни один из известных детекторов, и выбор щетода детектирования зависит главным образом от аналитического на­ значения системы.

Т а б л и ц а 16.3. Способы детектирования в проточных методах анализа

О п т и ч е с к и е д е т е к т о р ы . Для селективного определения раз­ личных веществ можно применять фотометрические детекторы. Обычно перед детектированием в потоке проводят реакцию определяемого ком­ понента с одним или несколькими реагентами, приводящую к образова­ нию окрашенных соединений. Типичная проточная кювета имеет объем 8— 40 мкл и длину оптического пути 10 мм. При этом луч света может проходить через кювету как в аксиальном, так и в радиальном направле­ ниях. Первый вариант предпочтительнее и используется чаще (рис. 16.10, а).

Рис. 16.10. Принципиальная схема оптического детектирования в потоке:

а — спектрофотометрическое; б — флуориметрическое; в — пламенное атомно-абсорбционное; / 0 — падающее излучение; /, — прошедшее излуче­

ние; /ф,, — излучение флуоресценции

Описано применение одно- и двухлучевых фотометров, но наибольший интерес представляют детекторы на основе фотодиодной линейки. Для высокочувствительного определения органических веществ, в том числе биологически активных, часто используют флуоресцентные детекторы. Интенсивность люминесценции измеряется под прямым углом к направ­ лению движения потока (рис. 16.10, б). Для определения неорганических соединений часто используют ПИА в сочетании с пламенной атомно­ абсорбционной спектроскопией (рис. 16.10, в) и атомно-эмиссионной спектроскопией с индуктивно связанной плазмой. Такое сочетание позво­ ляет расширить область применения и улучшить метрологические харак­ теристики (воспроизводимость и правильность) таких спектрометриче­ ских определений. Разработаны специальные проточные ячейки для твер­ дофазно-спектрографического детектирования в варианте последова­ тельного анализа с инжекцией частиц.

Э л е к т р о х и м и ч е с к и е д е т е к т о р ы . Доля электрохимических методов детектирования в ПИА возрастает из-за достаточной простоты и надежности конструкции электрохимических детекторов, их быстродей­ ствия и широкого диапазона определяемых содержаний. Наибольшее распространение получили проточно-инжекционная вольтамперометрия, амперометрия и особенно ионометрия. Возможно использование элек­ трохимических ячеек различной конструкции: когда сенсорный слой яв­ ляется частью трубопровода (рис. 16.11, а); каскадного типа с чувстви­ тельной «отражающей стенкой» (рис. 16.11, б) и с проволочным электро­ дом (рис. 16.11, в). Возможность проведения операций пробоподготовки в процессе непрерывного движения зоны образца к детектору — одно из важнейших достоинств. Для повышения чувствительности и селективно-

418

Рис. 16.11. Принципиальная схема электрохимического детектирования в пото­ ке (S — чувствительный слой):

а — чувствительный слой является частью трубопровода; б — ячейки каскад­ ного типа; в — ячейки с проволочным сенсором

сти определения веществ в потоке реализованы различные методы кон­ центрирования и разделения. Их классификация по природе фаз, между которыми происходит массообмен, приведена в табл. 16.4.

Та б л и ц а 16.4. Классификация методов (приемов) разделения

нконцентрирования, используемых в проточных методах анализа