Analiz prin injecie n flux (FIA)
Analiza de injeie n Fux (FIA -Flow -Injection -Analysis)
reprezint o tehnic analitic ce const n injectarea a unor specii
chimice reactante ntr-un flux de materie de analizat n curgere, n
care are loc dispersia acestora i producerea stoechiometric a unor
reacii specifice , urmat de analiza calitativ i cantitativ la
trecerea amestecului rezultat prin dreptul unui detector. Aceast
tehnic prezint urmtoarele avantaje:
principiul de funcionare este uor de neles i de transpus n
practic,
structura de analiz este modular, format din elemente clasice ,
uor de asamblat ,
satisface o diversitate mare de problematici analitice
O aplicaie important pentru FIA este analiza apei, metoda fiind
folosit ns i pentru analiza altor lichide n curgere.
Sistemul de detecie este de regula unul fotometric sau
electrochimic . Sistemul de detecie fotometric este folosit cu
precdere la analiza apei n domeniul vizibil substanele injectate,
bine dozate, fiind reactivi chimici ce dau reacii de culoare cu
diferite specii chimice ( anioni, cationi) din ap. Sistemul de
detecie electrochimic este folosit pentru detecia speciilor ce se
oxideaz sau se reduc la electrozii unei celule electrochimice.
Un sistem FIA este un sistem de analiz format obligatoriu
dintr-o pomp peristaltic 3 de propulsare a reactivilor , solvenilor
sau a altor substane, un sistem de transport format din conducte
subiri inoxidabile sau furtune siliconice transparente , o pomp sau
un sistem manual de dozare i injecie 4 , un minireactor 6,6 pentru
amestecarea i reacia fluidelor, un detector 7 i un sistem 8 de
achiziie, prelucrare, afiare date sub form de peak-uri.
Fig. Schema de principiu a sistemului de injecie n flux. 1-
lichid purttor, 2- reactiv , solvent, 3-pomp, 4-prob ce va fi
injectat, 5- sistem de injecie , 6,6-zon de amestecare - reacie,
7-detector, 8 - informaii grafice sub form de peak-uri , 9-produse
de reacie I.-etapa de procesare, II.-etapa de msurare i de
injectare a probei, III.-etapa de procesare a probei, IV.-etapa de
detecieAnaliza FIA se mparte n patru etape principale:
1. Etapa de propulsare
2. Injectarea probei
3. Procesarea probei
4. Detecia i obinerea datelor
Etapele I, II, i IV snt considerate n mare parte aplicaii ale
stiinelor tehnice convenionale , etapa a III a este considerat
inima FIA i are ca scop transformarea analitului n specii ce pot fi
msurate de detector i aducerea concentraiilor n domeniile
compatibile cu detectorul utiliznd una sau mai multe operaii de
procesare, cele mai comune operaii de procesare fiind : diluia,
concentrarea, amestecarea, extracia cu solvent, schimbarea mediului
. De exemplu prin FIA se poate dilua pn la un factor de 104 se
poate concentra pn la un factor de 102, se pot provoca reacii
pentru a rezulta specii chimice detectabile, se poate transfera un
analit dintr-un mediu n altul , de ex . gaz in lichid sau invers,
se poate utiliza extracia cu solveni.
Nr.
Crt.Denumire i schema de principiuDescrierea
1Schema de principiu a sistemului de injecie n flux cu injecie
simpl (injecie normal)
1- lichid purttor, 2- reactiv , solvent, 3-prob injectat,
4-pomp, 5-zon de amestecare - reacie, 6-detector, 7-produse de
reacie, 8- informaii grafice sub form de peak-uri ,
2Schema de principiu a sistemului de injecie n flux cu injecie
simpl cu reactiv (injecie invers)
1- lichid purttor, 2- reactiv , solvent, 3-prob injectat,
4-pomp, 5-zon de amestecare- reacie, 6-detector, 7-produse de
reacie, 8- informaii grafice sub form de peak-uri ,
3Schema de principiu a sistemului de injecie n flux cu injecie
periodic
1- lichid purttor, 2- reactiv , solvent, 3-prob injectat,
4-pomp, 5-zon de amestecare- reacie, 6-detector, 7-produse de
reacie, 8- informaii grafice sub form de peak-uri , T-temporizator
pentru pomp.
4Schema de principiu a sistemului de injecie n flux cu gradient
multiplu
1- lichid purttor, 2- reactiv , solvent, 3-prob injectat,
4-pomp, 5-zon de amestecare- reacie, 6-detector, 7-produse de
reacie, 8- informaii grafice sub form de peak-uri , 9-camera de
amestecare, t-timpul de reacie
5Schema de principiu a sistemului de injecie n flux ce utilizeaz
extracia cu solveni
1- lichid purttor, 2-faz organic, 2- dispozitiv de segmentare a
fazei organice, 2 - dispozitiv de separare a fazelor, 3-prob
injectat, 4-pomp, 5-serpentin de extracie, , 6-detector, 7,7 -
produse de reacie, 8- informaii grafice sub form de peak-uri
6Schema de principiu a sistemului de injecie n flux cu
dispozitiv de separare a fazelor inclus
1- lichid purttor, 2- reactiv , solvent, 3-prob injectat,
4-pomp, 5-dispozitiv de separare a fazelor , 6-detector, 7,7 -
produse de reacie, 8- informaii grafice sub form de peak-uri
7Schema de principiu a sistemului de injecie n flux legat n
linie cu un reactor cu umplutur sau cu o coloan de separare
1- lichid purttor, 2- reactiv , solvent, 3-prob injectat,
4-pomp, 5-zon de amestecare- reacie, 6-detector, 7-produse de
reacie, 8- informaii grafice sub form de peak-uri , 9-reactor cu
umplutur sau coloan de separare
8Schema de principiu a sistemului de injecie n flux cu ocoloan
de concentrare
1- lichid purttor, 2- reactiv , solvent, 3-prob injectat,
4-pomp, 5-zon de amestecare- reacie, 6-detector, 7-produse de
reacie, 8- informaii grafice sub form de peak-uri , 9-coloan de
concentrare
9Schema de principiu a sistemului de injecie n flux cu reactor n
care se produc modificri ale probei
1- lichid purttor, 2- reactiv , solvent, 3-prob injectat,
4-pomp, 5-zon de amestecare- reacie, 6-detector, 7-produse de
reacie, 8- informaii grafice sub form de peak-uri ,
10Schema de principiu a sistemului de injecie n flux cu detecie
multipl n serie
1- lichid purttor, 2- reactiv , solvent, 3-prob injectat,
4-pomp, 5-zon de amestecare- reacie, 6,6,6,detector, 7-produse de
reacie, 8- informaii grafice sub form de peak-uri ,
11Schema de principiu a sistemului de injecie n flux cu sistem
de divizare i un singur detector
1- lichid purttor, 2- reactiv , solvent, 3-prob injectat,
4-pomp, 5,5-sistem de divizare, serpentine de reacie, 6-detector,
7-produse de reacie, 8- informaii grafice sub form de peak-uri
12Schema de principiu a sistemului de injecie n flux cu injecie
multipl
1- lichid purttor, 2- reactiv , solvent, 2-reactiv injectat,
3-prob injectat, 4-pomp, 5-zon de amestecare- reacie, 6-detector,
7-produse de reacie, 8- informaii grafice sub form de peak-uri
Sisteme de dozare Sistemele de dozare au rolul unei injecii
uniforme i exacte a probei in fluxul lichidului purttor. Sistemul
prezentat este de tip manual destinat dozarii speciilor analtice la
analiza n flux dar i dozrii bicomponent la diferite aplicaii
analitice clasice la analiza apei sau la cea a altor specii chimice
necolorate.
La injecia in flux se injecteaz ntr-un flux lichid anumite
specii chimice ce provoac fie reacii de colorare specifice cu o
anumit specie de determinat din lichidul n curgere fie alte tipuri
de reacii ale cror produi snt detectabili prin senzori . Metota
reaciilor de culoare este pe departe mijlocul cel mai utilizat la
injecia n flux, mai ales la lichide care nu prezint absorbie n
domeniul vizibil , aa cum este de exemplu apa, intensitatea
colorrii rezultate fiind n raport stoechiometrice cu concentraia
speciei urmrite, ea determinndu-se pe cale fotometric prin msurarea
absorbanei i convertirea valorii acesteia n valori de concentraie
prin intermediul unei curbe de etalonare memorat electronic. In
domeniul analizei rapide i avansate a compoziiei apei metoda
injeciei n flux se impune tot mai mult la analiza anionilor i
cationilor. In acest scop se extrage cu o pomp peristaltic continuu
ap din rezervor care este transportat prin intermediul unor furtune
siliconice subiri transparente. Prin intermediul unor racorduri
speciale se injecteaz manual sau automat specia chimic ce provoac
reacia de culoare n furtunul siliconic de transport . La trecerea
segmentului de lichid colorat prin dreptul unei fotobariere are loc
fotometrarea acestuia cu determinarea profilului concentraiei
speciei chimice urmrite, profil din care, folosind valoarea
statistic medie a absorbanei, calculat dintr-un numr foarte mare de
valori de absorban msurate pe toat perioada trecerii coloanei de
lichid colorate prin dreptul fotobarierei, se calculeaz automat
concentratia real a speciei .
Majoritatea substantelor chimice de colorare snt de tip
bicomponent fiind necesar amestecarea acestora scurt inainte de
injecie. Pentru analiza in situ a anumitor specii chimice n ap dar
i alte specii chimice necolorate se folosesc aa numite Chituri de
colorare la care cele dou componente, folosite pentru o singur
determinare, se gsesc ambalate n fiole de plastic, de sticl, sau n
pungue etane fiind necesara decapsularea i amestecarea rapid a
acestora urmat de absorbia intr-un dispozitiv de presare i injecia
in flux cu acesta . Pe lng operaiile multe i productivitatea sczut
folosirea chiturilor de tipul celor descrise este neeconomic n
cazul analizei cu injecie n flux din cauza consumului mare de
chituri i a preului relativ mare a acestora, motiv pentru care
soluiile pentru realizarea amestecului bicomponent snt pstrate in
recipiente de volum mai mare de unde snt dozate individual i pe rnd
ntr-un recipient de unde snt reabsorbite ulterior i injectate n
flux ns cu aceleai proleme privind numrul mare de operaii i de
productivitate sczut enunate deja.
Problema tehnic pe care o rezolv sistemul descris const n
realizarea unui dozator volumetric manual pentru realizarea rapid i
economic a amestecrii i reacionrii amestecurilor bicomponent
formate din dou soluii de compoziie i concentraie cunoscute i
destinate determinrii pe cale fotometric a concentraiei speciilor
chimice ce dau reacii de culoare n ap sau n alte substane lichide
necolorate folosind n acest scop fie injecia n flux fie
determinarea individual in situ . Dozatorul volumetric este
realizat dintr-un ansamblu de dou seringi de dozare montate pe un
corp n care care se gsete un distruitor manual pentru trei ci i un
ac lung de sering. Dozarea, urmat de amestecarea componentelor i
injecia acestora n flux sau n cuva de fotometrare reprezint o
succesiune de operaii manuale efectuate rapid.
Prin folosirea sistemului se obin urmtoarele avantaje:
- crete productivitatea operaieiei de dozare amestecare- reacie
pentru producerea reaciilor de culoare la determinarea concentraiei
speciilor lichide necolorate pe cale fotometric
- la analiza cu injecie n flux preul de cost scade mult n
comparatie cu folosirea chiturilor chimice unice
- este posibil, n condiii de productivitate ridicat, a analizei
cu injecie n puncte multiple
Se d n continuare un exemplu de realizare pentru sistemul de
dozare n legtura cu figura 1, care reprezint o seciune prin
dozatorul volumetric. Dozatorul este format dintr-un corp 1 n care
se gsete un distribuitor 2 manual pentru trei ci , o sering 3 de
dozare pentru un component 4 i o alt serig 5 de dozare- amestecare
- reacie, pentru speciile chimice 6, format la rndul ei dintr-un
cilindru 7 de sticl gradat interschimbabil, o piuli de presare 8 o
garnitur 9 de etansare , un piston 10, o tij 11, un mner 12 de
presare, dou piulite 13 i 14 cave n care se gsete un arc 15 de
compresie , pe Sistemul de dozare poate fi folosit n urmtoarele
situaii i are modul de lucru urmtor:
a. la analiza cu injecie multipl n flux pe calea traseului de
curgere al substanei de analizat snt cuplate concomitent mai multe
sisteme de injecie ceea ce permite operativitate i productivitate
mai mare
- se introduce acul 16 de sering n recipientul rezervor ce
conine unul din componentele amestecului de dozat dup care
distribuitorul 2 pentru trei ci se comut manual n pozitia 2b i se
apas mnerul 12 pn la limit dup care se elibereaz lent apsarea, cu
urmrirea volumului aspirat, ceea ce face ca arcul 13 de compresie s
duc prin destinderea lui la aspirarea componentului de reacie
corespunztor n cavitatea cilindrului 7 al seringii 5 de dozare-
amestecare - reacie. Valoarea volumului absorbit se urmrete pe
scara gradat a seringii, iar la atingerea valorii prescrise se
scoate acul de sering din recipientul rezervor , se elibereaz n
totalitate apsarea pe minerul 12, se rotete ntregul sistem de
dozare cu 1800, dup care se rotete distribuitorul manual 2 pentru
trei ci n poziia 2a. i se nurubeaz seringa 3, preumplut cu al
doilea component 4 de dozare , pe corpul 1 al dozatorului.se mai
gsesc montate un ac lung 16 de sering , o piuli 17 de racordare, un
furtun 18 siliconic i un surub 17 de curire.
- se rotete din nou cu cu 1800 sistemul de dozare dup care se
preseaz din cilindrul seringii 3 volumul de component de dozat
prescris n cavitatea cilindrului 7 de sticl gradat al seringii 5 de
dozare- amestecare reacie - se comut manual dozatorul 2 pentru trei
ci n poziia 2c i se preseaz manual amestecul celor dou componente
de dozare din cilindrul seringii 5 de dozare- amestecare- reacie n
furtunul 18 siliconic i de aici ajunge n fluxul de curgere al
substanei lichide necolorate de analizat unde provoac, n perioada
ct dureaz injecia, reacia de colorare specific a acesteia, coloan
colorat fiind fotometrat ulterior la traversarea unei fotobariere
Fig.1 Seciune prin dozatorul volumetric. 1- corp, 2- distribuitor
pentru trei ci , 3- sering de dozare, 4-component lichid, 5-sering
de dozare-amestecare-reacie, 6-componente lichide amestecate,
7-cilindru de sticl gradat, 8-piuli de presare , 9-garnitur de
etansare , 10-piston , 11-tij, 12 -mner de presare, 13,14-piulite ,
15 -arc de compresie , 16-ac de sering, 17- piulita de racordare,
18-furtun siliconic, 17-urub de curire.
legat la rndul ei la o parte electronic de achiziie - prelucrare
i afiare date.
b. la analiza cu injecie simpl n flux pe calea traseului de
curgere a substanei de analizat este cuplat individual, la anumite
intervale de timp, un sistem de injecie folosit de fiecare dat fie
pentru determinarea aceleiai specii chimice fie pentru determinarea
a altei specii chimice.
- se introduce acul 16 de sering n recipientul rezervor ce
conine unul din componentele amestecului de dozat dup care
distribuitorul 2 pentru trei ci se comut manual n pozitia 2b i se
apas mnerul 12 pn la limit dup care se elibereaz lent apsarea, cu
urmrirea volumului aspirat, ceea ce face ca arcul 13 de compresie s
duc prin destinderea lui la aspirarea componentului de reacie
corespunztor n cavitatea cilindrului 7 al seringii 5 de dozare-
amestecare - reacie. Valoarea volumului absorbit se urmrete pe
scara gradat a seringii, iar la atingerea valorii prescrise se
scoate acul de sering din recipientul rezervor , se elibereaz n
totalitate apsarea pe minerul 12, se rotete ntregul sistem de
dozare cu 1800, dup care se rotete distribuitorul manual 2 pentru
trei ci n poziia 2a. i se nurubeaz seringa 3, preumplut cu al
doilea component 4 de dozare , pe corpul 1 al dozatorului.
- se rotete din nou cu cu 1800 sistemul de dozare dup care se
preseaz din cilindrul seringii 3 volumul de component de dozat
prescris n cavitatea cilindrului 7 de sticl gradat al seringii 5 de
dozare- amestecare reacie
- se introduce acul 16 de sering n dopul de cauciuc siliconic al
racordului de dozare dup care se comut manual dozatorul 2 pentru
trei ci n poziia 2b i se preseaz manual amestecul celor dou
componente de dozare din cilindrul seringii 5 de dozare-
amestecare- reacie n acul 16 de sering de unde ajunge n fluxul de
curgere al coloanei substanei de analizat unde provoac, n perioada
ct dureaz injecia, reacia de colorare specific a acesteia, coloan
colorat fiind fotometrat ulterior la traversarea unei fotobariere
legat la rndul ei la o parte electronic de achiziie - prelucrare i
afiare date.
c. la analiza cu injecie ntr-o cuv fotometric amestecul celor
doi componeni pentru reacia de culore este injectat n final intr-o
cuv de fotometrare clasic n vederea msurrii absorbanei speciilor
colorate i a determinrii din valoarea acesteia a concentraieie
speciei urmrite. La acest tip de analiz se procedeaz ca la punctul
b cu deosebirea c la sfritul succesiunii de operaii i se preseaz
manual un anumit volum din amestecul celor dou componente de dozare
din cilindrul seringii 5 de dozare- amestecare- reacie ntr-o cuva
fotometric din sticl optic sau sticl de cuar.
2.3.1.2. Celule de curgere cu detector fotometric multiplu.
Echipamentul este destinat determinrii rapide in situ, online i
n acelai loc a concentraiei mai multor specii chimice dintr-o
soluie, ce se poate gsi n tuburi cilindrice din sticl de tip
eprubet, n tuburi cilindrice de curgere din sticl din sisteme de
analiz n by-pass sau n tuburi cilindrice de curgere din sticl din
sisteme de analiz a injeciei in flux (FIA), pe cale
spectrofotometric cu eliminarea interferenelor spectrale prin
multiplexarea citirii semnalului. In acest scop este folosit o
structur,reprezentat n figurile 1,2,3. Celula de curgere cu
detector fotometric multiplu reprezint un asamblu monobloc format
dintr-un corp 1 din material plastic prevzut o cu nite orificii
cilindrice n care se gsesc un anumit numr, de exemplu ase, de
LED-uri L1-L6 emitoare i ase fotodiode F1-F6 receptoare distribuite
radial, sub forma unor fotobariere, n jurul unui tub 2 din sticl n
care se gsete sau curge soluia s de analizat, un canal C pentru
firele de conexiune electric, un capac 3 din oel inoxidabil, trei
uruburi 41-3 de fixare, un element 5 de conectare electric, un
cablu 6 electric de legtur, o unitate 7 electronic pentru
multiplexare, achiziie, prelucrare i afiare date.
a)
b)
c)
Fig.1. Vederea detectorului fotometric multiplu (a), seciune
vertical prin detectorul fotometric multiplu (b), seciune orizontal
prin detectorul fotometric multiplu (c). 1-corp din material
plastic, L1-L6 LED-uri emitoare, F1-F6 fotodiode receptoare, 2-tub
din sticl, S-soluia de analizat, C -canal pentru firele de
conexiune electric, 3-capac din oel inoxidabil, 41-3 -uruburi de
fixare, 5-element de conectare electric, 6-cablu electric de
legtur,
Fig.2 Schema de principiu i de msurare cu detectoru fotometric
multiplu
1-corp din material plastic, L1-L6 LED-uri emitoare, F1-F6
fotodiode receptoare, 2-tub din sticl, S-soluia de analizat,
6-cablu electric de legtur, 7-unitate electronic pentru
multiplexare, achiziie, prelucrare i afiare date.
Prin utilizarea celulei de curgere la aplicaii specifice se obin
urmtoarele avantaje:
se realizeaz determinarea rapid i n aceeai zon a concentraiei
unei probe de soluie
Se elimin influena radiaiilor parazite prin multiplexarea
aprinderii LED-urilor i activrii citirii fotodiodelor
corespunztoare LED-ului aprins
Detectorul fotometric reprezint un mijloc de msurare universal
ce poate fi folosit pentru determinarea concentraiei din tuburi de
sticl cilindrice de tip eprubet, n tuburi de curgere din sticl din
sisteme de analiz n by-pass sau n tuburi de curgere din sticl din
sisteme de analiz a injeciei in flux FIA (
Flow-Injection-Analysis)
PAGE 5