水质包括地表水、地下水、饮用水和污水,均具有对应的国家质量标准和检验标准[3]-[11]。在水质质量标准中,挥发酚、氰化物、阴离子表面活性剂等常规检测项目的检测均以化学方法为主,即手工分析。手工分析存在操作过程繁琐、分析速度慢、工作强度大、数据须人工计算、试剂的频繁操作对人体造成危害等缺点,鉴于此,自动化程度高、分析速度快、试剂消耗量少、可批量检测样品、具有高的灵敏度和低的检出限[12][13]的流动分析仪器应运而生,并快速发展,迄今,已成为多种常规项目的标准分析法。
目前,两种主流的流动分析技术分别为连续流动分析技术(CFA)和流动注射分析技术(FIA)。
当今市场上采用上述两种技术的仪器种类很多,各型号仪器性能也各有优缺点,而近年来文献资料中对于现存各型号流动分析仪器比较方面的文献较少。笔者通过市场调研、样品分析等方法对流动分析技术的特点、应用进行了比较,发现连续流动分析技术不仅自动化程度高、分析速度快、试剂消耗量少、可批量检测样品、具有高的灵敏度和低的检出限,而且,该类仪器的反应管路管径较大,更适用于基体复杂的、有絮状物或颗粒物的污水检测,其将具有更广阔的市场前景。
2.流动分析技术的发展
20世纪50年代,在各种各样自动分析仪发展的同时,出现了一种性能更为优越的溶液化学分析技术——空气间隔连续流动分析。它的基本方法是把各种化学分析所需用的化学试剂和样品按一定的顺序和比例用管道和泵输送到特定反应区域进行混合和反应,待反应达到平衡后再使产物流经检测器检测并由记录仪显示分析结果。
连续流动分析技术最早于1954年被提出,并由美国TECHNICON公司于1957年生产出第一台连续流动分析仪[14]。该类型仪器是将试剂及样品通过泵抽到一个连续流动的流路中,同时将每个样品/试剂/混合液用气泡加以隔开,样品和试剂通过流经反应混合圈后加以充分混合,如果需要加热以加快反应时还需要流经一个加热槽,最后流到流通池中进行检测。
连续流动分析技术的创新之处在于试样与试剂在蠕动泵的推动下进入化学反应模块,在密闭的管路中连续流动,被气泡按一定间隔规律地隔开,并按特定的顺序和比例混合、反应,显色完全后进入流动检测池进行光度检测[15]。该技术实现了管道化的自动连续分析技术,克服了手工分析法的操作过程繁琐、分析速度慢、工作强度大、样品和试剂消耗量大、数据须人工计算、试剂的频繁操作对人体造成危害的缺点,同时克服了程序分析器分析速度慢、样品和试剂消耗量大的不足,具有通用性强、分析速度快、自动化程度高等优点,因而该技术得以迅速发展,目前已广泛应用于医学检验、水质、土壤、烟草、食品、质检等行业[16][17]。
流动注射分析技术是20世纪70年代由丹麦学者Ruzika和Hansen提出的,该技术是在样品量少、试剂昂贵、快速分析的特定领域的市场要求背景下,在连续流动分析基础上,提出的一种湿法微量分析技术[18]。
流动注射分析技术原理是在封闭的管路中,将一定体积的试样注入连续流动的载液中,试样与试剂在化学反应模块中按特定的顺序和比例混合、反应,在非完全反应的条件下,进入流动检测池进行反应[19]。不同于传统的气泡间隔法,它是将一定体积的样品以“塞”的形式逐个注射到一定流速的载液中,由于对流扩散和分析扩散作用,被测样品在载流中分散成具有一定浓度梯度的试样带,在流动中与试剂发生非平衡化学反应。
3.连续流动和流动注射技术特点比较
以下从六个方面比较一下连续流动与流动注射两种技术的特点:
1)灵敏度
有以下两个因素决定了反应的灵敏度:a)样品与试剂完全反应;b)测量最大浓度液体的吸光度。
完全反应的优点是:
i)灵敏度达到最大;
ii)微小的反应条件变化不会影响灵敏度。
Figure1.Completereaction(CFA)andincompletereaction(FIA)
2)样品浓度
在进入流动检测池时,样品浓度是否已经达到稳定的最大值是反应稳定性的关键,即稳态检测。稳态代表浓度达到最大值,测量稳态的平均高度即可获得其吸光度,计算获得浓度值。
稳态从两个方面保证了最大灵敏度。
a)样品浓度在流动检测池中达到最大;
Figure2.Steadystate(CFA)andunsteadyabsorptionpeaks(FIA)
3)稳定性
Figure3.EffectofreactiontimechangesonCFAandFIA
b)测试结果是几个最大浓度值的平均值:干扰能很容易地被辩别出来,并被分离。连续流动的吸收峰在最大浓度时能达到稳态,在最大浓度处形成一平台,结果是最大浓度值的平均值。
c)反应模式不会影响结果
Figure4.EffectofreactionratechangeonCFAandFIA
4)复杂的反应过程也可自动完成
5)非常容易判断系统工作是否正常
6)气泡不会对系统产生干扰
Figure5.EffectofbubblesonCFAandFIA
7)检测下限
Figure6.LowerlimitofdetectionforCFAandFIA
8)分析速度
连续流动和流动注射的分析速度均远比手工法快的多,一般每小时可分析至少20个样品,是手工法的20倍左右。对于简单的化学反应,由于流动注射是非完全反应,依据的是受控制的扩散原理,反应一般在1分钟内完成,所以分析速度比较快,而连续流动是完全反应,分析速度比流动注射稍慢,但是对于复杂的反应,流动注射前处理不充分,测试结果不准确。
9)样品和试剂消耗量
10)方法标准
4.主要品牌仪器比较
目前,国内外采用连续流动技术和流动注射技术的品牌有十多家。连续流动代表厂家与型号有荷兰SKALARSAN++、英国SEALAA3、法国ALLIANCEFUTURAII、意大利SYSTEALOWSYS、北京海光仪器有限公司HGCF系列等;流动注射代表厂家及型号有美国HACHQC8500、美国OIFS3700、北京吉天IFIA7、北京宝德BD8000等。
Table1.ComparisonofCFAinstrumentsandFIAinstruments
5.结语
1)流动分析技术可自动完成复杂的工作程序,比如在线加样、混合、加热、蒸馏、萃取、透析等过程,自动化程度高,分析速度快、样品和试剂用量少、重复性好、检出限低、且设备易于操作。
3)连续流动分析仪器可以在实验室条件恶劣的环境中使用,仪器故障率低,易于维护。
4)不可将分析方法特色与仪器制造特点相混淆,如进样精度高是仪器性能表述,并不是分析方法特色。