2. Проточно-инжекционный анализ (пиа)

Дальнейшим развитием проточных методов явилось создание в 1974 г. Пунгором и, независимо, Ружичкой метода проточно-инжекционного анализа. В этом методе определенный объем пробы, около 100 мкл, вводят в ламинарный несегментированный непрерывный поток жидкости (носителя или раствора реагента) и осуществляют детектирование приблизительно через 30 с. Первоначально поток жидкости создавали самотеком, под действием силы тяжести. Затем для этой цели стали применять высокоэффективные жидкостные насосы. По своему устройству проточно-инжекционный анализатор сходен с высокоэффективным жидкостным хроматографом без разделяющей колонки (рис. 7.6).

Рис. 7.6. Схема жидкостных потоков в одноканальном gроточно-инжекционном анализаторе.

В ПИА обычно используют перистальтические насосы с круговым движением прижимных роликов (см. рис. 7.5). Они позволяют регулировать скорость потока в пределах от 0,0005 до 40 мл/мин. Для ввода пробы используют вентили, аналогичные применяемым в ВЭЖХ. Объемы вводимого раствора пробы обычно составляют от 10 до 30 мкл.

Перемешивание растворов реагентов и пробы происходит под действием конвекции и диффузии. Полного перемешивания при этом обычно не достигается, и сигнал имеет форму пика, а не плато (рис. 7.7).

Обычно детектирование осуществляют фотометрическим методом. Определять содержание вещества можно как по площади, так и по высоте пика. Соответствующим способом необходимо проводить и градуировку. В методе ПИА не требуется полного завершения реакции, поэтому производительность метода очень высока — до 100 и более анализов в час (рис. 7.8).

Рис. 7.7. Влияние объема пробы на форму и величину сигнала в ПИА.

В жидкостных системах для ПИА используют очень узкие трубки с диаметром, обычно не превышающим 0, 5 мм. Скорость потока необходимо устанавливать очень точно, чтобы обеспечить воспроизводимое размывание зон вследствие диффузии. Размывание зон характеризуют величиной дисперсии D. Она равна отношению концентрации анализируемого раствора cq к концентрации с в максимуме пика:

(7.1)

Рис 7.8. Сигналы детектора дисперсия, равная единице, соответствует сигналу, имеющему форму плато -при ПИА проб возрастающей концентрации. Каждую пробу анализируют трижды. (рис. 7.7). Это возможно лишь в случае, если в потоке не происходит ни перемешивания зоны продукта реакции с окружающей жидкостью, ни разбавления анализируемого раствора. Однако, если реагент не содержится в потоке носителя, а вводится дополнительно, то разбавление оказывается неизбежным. Поэтому величины дисперсий в ПИА всегда больше единицы.

При увеличении как длины смесительной спирали, так и скорости потока дисперсия возрастает. При этом вследствие конвекции и диффузии изменяется также форма пика(из исходной прямоугольной она становится размытой) и увеличивается его ширина (рис. 7.9).

Рис. 7.9. Влияние конвекции и диффузии на концентрационный профиль зоны определяемого вещества и форму сигнала детектора.

В ходе дальнейшего развития ПИА стало возможным дополнительно уменьшить объемы вводимой пробы. Получили распространение и другие методы детектирования — потенциометрический с использованием ИСЭ, атомно-эмиссионный с ИСП, атомно-абсорбционный. Перенесение обычной методики химического анализа в проточно-инжекционный вариант, как правило, требует специального дополнительного исследования. Непосредственно в ходе проточно-инжекционного анализа можно осуществить множество видов пробоподготовки (табл. 7.2). В табл. 7.3 указаны некоторые стандартизованные методики анализа, осуществляемые при помощи ПИА.

Таблица 7.2. Виды пробоподготовки, осуществляемые в ходе ПИА.

Вид пробоподготовки	Применение
Установление рН Разложение под действием УФ-или микроволнового излучения Диализ Отгонка Экстракция, ионный обмен Разбавление	как правило, требуется всегда определение цианидов, фосфатов анализ окрашенных растворов, отделение матрицы отделение определяемого компонента или матрицы отделение матрицы, концентрирование анализ концентрированных растворов

В качестве примера рассмотрим определение анионных поверхностно-активных веществ (ПАВ) — сульфонатов и сульфатов — при помощи красителя метиленового голубого (хлорида метилтиониния). Эта методика используется для оценки эффективности био логической очистки сточных вод на очистных сооружениях. Катионный краситель метиленовый голубой (рис. 7.10) образует с анионными ПАВ ионный ассоциат, экстрагируемый хлороформом. Его концентрацию можно определить фотометрически при 650 нм.

Рис. 7.10. Одна из мезомерных форм метиленового голубого - реагента для определения анионных поверхностно-активных веществ

Таблица 7.3. Методики проточно-инжекционного анализа, включенные в стандарты Германии.

Определяемый компонент	Диапазон концентраций, мг/л	Метод, реагенты	Стандарт
Аммиак	0, 1-10	Бертло (газовая диффузия)	DIN 38406	Е23
Нитриты	0,01-1	реакция Грисса	DIN 38405	D 28
Нитраты	0, 1-15	Cd-редуктор, реакция Грисса	DIN 38405	D 28
Общий азот	0, 02-4	восстановление/	ISO CD 11905
		окисление, реакция Грисса
Хлориды	10-500	ИСЭ, тиоцианат	готовится
Фенольный индекс	0, 01-1	4-аминоантипирин	готовится
Цианиды	0,01-1	хлорамин Т, барби-	готовится
		турат

На рис. 7.11 схематически изображена проточно-инжекционная установка для определения анионных ПАВ. Пробу вводят в поток носителя, представляющего собой дегазированную воду. Раствор реагента (метиленовыи голубой в метаноле при рН 7 — фосфатный буфер) подается отдельным потоком. Органическую фазу (хлороформ) закачивают в поток воды и приводят к равновесию с водно-метанольной фазой, содержащей пробу и реагент, в экстракционной спирали. Органическую фазу отделяют в сепараторе и измеряют сигнал при помощи фотометрического детектора.

Часто возникает вопрос, какой из двух проточных методов — НПА или ПИА — использовать для решения той или иной задачи. Как правило, выбор определяется лишь необходимым числом анализов и временем, отводимым для них. Некоторую роль может играть и природа определяемого вещества, а также состав матрицы. В целом метод ПИА предпочтительнее для выполнения небольших серий анализов, поскольку в ПИА перенастроить оборудование для выполнения другой методики проще, чем в НПА. Для выполнения же большой серии стандартных анализов, а также достижения максимально возможной автоматизации процесса лучше использовать НПА. Этот метод более производительный ввиду возможности выполнения одновременных параллельных анализов при помощи многоканальных анализаторов. Часто метод НПА оказывается и чувствительнее, чем ПИА, поскольку сегментация потока пузырьками воздуха уменьшает дисперсию и размывание пиков. Однако при использовании предварительного концентрирования, применяемого, например, в виде экстракции хлороформом при определении фенольного индекса, метод ПИА по чувствительности может превзойти НПА.

Рис. 7.11. Устройство для проточно-инжекционного определения анионных ПАВ при помощи метиленового голубого и экстракции хлороформом.