第二节 连续流动管路的特点及作用

连续流动分析在管路设计时，充分考虑了液体流动过程中产生的管路湍流现象，增加了空气气泡、润湿剂、透析净化技术，从而使管道液体快速均匀稳定流动。

一、管路湍流

流体在管内低速流动时呈现为层流，其溶液沿着与管轴平行的方向作平滑直线运动。根据流体力学原理，液体在管路中间的流速要快于管壁边缘的流速，即流体的流速在管中心处最大，其近壁处最小。如图2-3所示。

层流作用造成液体分散较慢，样品溶液浓度的差异会很难达到稳态，从而降低分析速度，甚至引起样品相互覆盖，如图2-4所示。

在连续流动分析管路中引入分割气泡形成管路湍流/片断流，如图2-5所示。湍流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动。在湍流中流体的各种物理参数，如速度、压力、温度等都随时间与空间发生随机的变化。片断流用气泡降低了扩散，且气泡必须填满管路以分割开气泡两边的溶液，每一片断通过系统时在同一环境状态下反应。湍流模式能够保证每一片断内的溶液快速混合均匀，还可保持管路表面的干净。

气泡分割的作用是短时间内达到稳定状态和较高的分析频率，如图2-6所示。

二、空气气泡的作用

连续流动分析过程中在管路中引入空气气泡，主要用以降低扩散和带过的影响。由于气泡与管壁之间还存在着空隙，还会有一层液膜，管壁本身也会粘住一定的液体，就造成扩散与带过的影响。因此需要在管路中添加一定量的润滑剂或表面活性剂能够使气泡与管壁贴住，不留空隙。同时控制一定的流速，选择合适的管径，通过这些措施使扩散和带过最小化。空气气泡不但能够降低扩散和内部带过，而且保证片段内部可以充分混合，可以实现完全反应。同时肉眼可以直接观察到流动形态是否正确，管路系统中的细微变化能够得到缓冲，如化学反应中产生的小气泡不会影响测定结果。连续流动分析的另一个重要特点是检测时反应流中物质浓度的稳定性，它不会随时间变化而改变，反应液内达到稳定态，即完全反应。另外，蠕动泵的输出是不稳定的，以脉冲的方式进行，在泵运转的同时打入空气气泡，可消除脉冲造成的影响。因此，引入气泡的6个作用为：（1）降低扩散与内部带过。（2）清洁管道内壁。（3）保证每一片断的完全一致。（4）保证片断内部可以混合。（5）使肉眼可以观察到流动形态是否正确。（6）容纳化学反应过程中产生的小气泡。（7）消除脉冲造成的负面影响。

CFA常用气泡将液流进行分割成片断流，具有以下显著的优点。

（1）减少试剂消耗、降低液体流速。

（2）可以获得足够长的时间以使反应完全。

（3）改善方法的重复性。

（4）降低方法的检测限。

（5）反应条件中的细微变化（如反应产生气泡）不会影响到结果。

（6）方法符合美国国家环境保护局（EPA）、美国分析化学家协会（AOAC）、德国标准化学会（DIN）的要求。

三、润湿剂

当气泡有规律地流过管路时，气泡有可能被管路表面上的一层薄的液体分割开。因此，管路必须被液体润湿。

所有的液体都能润湿玻璃，但是塑料管必须用含有润湿剂或者表面活性剂的液体来润湿。大多数的分析盒用的传输管是塑料管，所以大多数方法都用表面活性剂。气泡分割需要表面活性剂，对于只有液体（例如试剂管）是没有必要加表面活性剂的。当气泡通过未润湿的管路时，需要比较高的泵压，因此流动变得无规律。连续流动分析常用表面活性剂如下。

（1）阴离子表面活性剂，如：十二烷基硫酸钠，烷基磺化琥珀酰胺酸盐（Aerosol-22）。

（2）阳离子表面活性剂，如：甲基溴化铵。

（3）非离子型表面活性剂，如：十二烷基聚乙二醇醚（Brij-35）、聚乙二醇辛基苯基醚（Triton X-100）。

由于Brij-35低活性、低成本，可用于大多数方法测定，但与Brij-35反应的方法就不能使用该润滑剂，如：磷酸盐和硅酸盐的测定需要用钼酸盐试剂，钼酸盐易与Brij-35发生化学反应，就不能使用。

此外，管路润湿与否可以通过气泡的状态进行判断，如图2-7所示。润湿的管路中气泡两端为圆形，未润湿的管路中气泡两端平齐形。

四、透析技术

透析就是将样品流中干扰物或者大分子分离的一种常用方法，在CFA系统中透析膜通常为半透膜，膜厚度为12μm，孔径大约是4nm。

透析膜上层的液体是含有样品/标准品溶液和缓冲溶液/盐溶液的混合溶液，透析膜下层溶液通常是缓冲溶液、酸液或者盐溶液。两股液体通过透析混合到一起，自然地以相似的流速被透析膜分离。小的离子和大分子以透析膜为界从两个方向流出。

透析是一个扩散过程，通常情况下，透析的速度与液流的pH、离子浓度和温度密切相关，连续流动分析的透析过程在室温下进行，透析膜上下层溶液随液流运动方向很快达到平衡。此外，透析过程减少了带过，透析时必须减少采集样品速度，通常要降低20%的进样速度。液流透析过程见图2-8。

影响透析效果的因素主要包括以下几点。

（1）液流速度，尤其是透析膜的下层溶液。

（2）液流温度。

（3）压力。

（4）离子的浓度。