Voogsisestusanalüüs

Voogsisestusanalüüs (inglise keeles flow injection analysis ehk FIA) on keemilise analüüsi meetod, kus on võimalik sisestada proove automaatselt otse kandelahusesse, mis liigub kindlal kiirusel. 

Selle meetodiga saab järjest sisestada erinevaid lahuseid erineva voolukiiruse ja kogusega. Seejärel saab toimuda keemiline reaktsioon aparaadi sees. Sellega on võimalik jälgida reaktsiooniga kohe kaasnevaid muutusi. Standardne voogsisestustehnika põhineb lahustatud proovi sisestamisel kandelahusesse, mis vahetpidamata liigub konstantsel voolukiirusel. Kandjavoog transpordib analüüdi läbi reaktori ja seejärel detektorisse.

Ajalugu 

Analüüsimeetod võeti kasutusele 1970. aastate keskpaigas. See sai eelnevalt edukaks lülilise vooganalüüsina, mida kasutati enamasti kliinilistel ja keskkonnaalastel analüüsidel. Selle eelise tõttu, aga ka protsessi kontrollimise pidev areng ja keskkonna järelevalve, muutis FIA metoodika edukaks. Erakordselt efektiivse mehhaniseerimisvahendina mitmesugustele vedelatele keemia analüüsidele ja protseduuridele, FIA metoodika, mis oli kasutuses suure hulga kaasaegse analüütilise keemia detekteerimismeetoditega, oli paljude huviorbiidil. FIA metoodika kiire ja intensiivne arendamine oli mitmesuguste tegurite tõttu vajalik igapäevaste analüütiliste määramiste jaoks, näiteks proovide kulutamise piiramiseks, lühikese ajaga analüüsil, mis põhineb väheneva signaali mõõtmisel läbivooludetektoriga ja analüüdi väljakandmisel keerulistel eraldusoperatsioonidel, eelkontsentratsioonil või füüsikalise keemia analüütide muutmine tuvastatavateks ühenditeks. Aastakümnete jooksul kogu maailmas tehtud uuringud on kindlustanud olulise arengu nähtuste teoreetilisel kirjeldamisel FIA-s ja mitmete füüsikalise keemia analüütide käsitlemise toimimised.

Metoodika 

Katse protokoll koosneb järgmistest etappidest:
Proovi sisestus on välja töötatud nii, et mõõta täpne analüüdi kogus voolavasse reaktiivi.
Samal ajal kui proovi sisaldav lõik liigub kandelahuse vooluga reaktorisse, dispersiooniprotsess segab proovi reaktiiviga, mille tulemusel saadakse reaktsiooniprodukt. Segunemisastet ja reaktsioonikiirust kontrollitakse voolukiirusega, kanali mahu ja ehitusega.
Reaktsioonisegu voolab läbi detektori saades analüütilise tulemuse. Kuna kõik standardlahused ja proovilahused, mida analüüsitakse, töödeldakse individuaalselt samamoodi, siis kalibreerimiskõver on lubatud ka teadmata olevatele proovilahustele, mida töödeldakse.

Piigi kõrgus, mis mõõdetakse detektoriga on proportsionaalne analüüdi kontsentratsiooniga.

Programmeeritav voogsisestusmeetod 

Eelised arvuti tarkvaras ja juhtimisel. Hiljuti lubas voogsisestustehnika edasist arengut, rakendades vooprogrammeerimis põhimõtet, mis oli esialgselt loodud järjestikkuse sisestamise meetodi jaoks. Iga analüüsiprotokolli samm: proovilahuse sisestamine, segamine, inkubeerimine, saaduse järelevalve ja instrumendi läbipesemine tuleb kõige paremini välja eri voolukiirustel. Tavalised analüüsiprotokollid, mis põhinevad konstantsel voolukiirusel, on seetõttu tõsiselt ohtu seatud, kuna need toimivad keskmistatud voolukiirusel või kasutatakse liiga pikki reaktsiooni pooli, et lisada reaktsiooniaega aeglasematele keemilistele reaktsioonidele. Erinevuseks on see, et vooluprogrammeerimine hoiab kokku reagente, kasutades väga väikseid voolukiirusi proovilahuse inkubeerimiseks ja lühikese aja vältel kiireid voolutugevusi et pesta läbi kogu süsteem. Ennenägematu voolukiiruse programmeerimine suurendab tundlikkust ja enamiku reagentide avastamispiiri, mis leiduvad proovides, saavutades seda kui kohandada voolukiirust ja inkubeerimisaega kõigest andmete sisestamisega arvutisse, ilma süsteemi ümberkorralduse vajaduseta.

FIA rakendused teaduses

Keskkonnaalastel uuringutel 

On välja töötatud süsteemid, mis on ideaalselt kohandatud värske või reovee analüüsimiseks, kattes suure/keskmise sisalduse, aga samas ka väga väikse sisaldusega analüütide kontsentratsioonid vees. Tüüpilise kaks sisestust minutis proovivõtmisega, üks FIA süsteem, mis on ühendatud automatiseeritud proovivahetajaga, võib rutiinselt analüüsida mitusada proovilahust päevas.

Mereproovid ja ookeanivesi 

Merevee keemilised analüüsid okeanograafilisteks uuringuteks on väga keeruline ala, toetudes robustsetele analüütilistele instrumentidele, mis peavad olema kergelt transporditavad laborist uuringulaevale, kus see peab hästi töötama ja vastupidama, minimaalse hoolduse vajadusega pikkadel ajaperioodidel. Teine vajalik teema on reagentide kulu, pikema ajaliste merereiside jaoks ja muude ebasoodsate tingimuste puhul on ebapraktiline transportida ja ladustada suuri reagentide koguseid, mis tuleb valmistada enne mereleminekut maal.

Põllumajandus ja maapind 

Põllumajanduslikud testid, kaasaarvatud erinevate mullaekstraktsioonide [KCl (kaaliumkloriid), Bray, Olsen] kontrollimine,mille tulemused määratakse sageli voogsisestussüsteemiga. See on eriti tõhus seal, kus lõppkasutaja nõue on suur läbilaskvus. Väiksema mahuga kontroll-lahuste jaoks on FIA väga ökonoomne valik.

Jälgede analüüs

Aatomabsorptsioon (AA), induktiivplasma aatomiemissioonispektroskoopia (ICP-AES) ja induktiivplasma massispektroskoopia (ICP-MS) on võimsad analüüsimeetodid elementide jälgede määramiseks. Samuti on neil ka oluline puudus, interferents, mis on põhjustatud teatud maatriksiosakeste poolt. Suur soolasisaldus muudab need meetodid ebasobivaks merevee, soolvee või muude sarnaste proovide analüüsimiseks, ilma proovi eeltöötlemiseta.

Sorbendi ekstraktsioon ja eelkontsentreerimine 

Tahke faasi ekstraktsioon, mis on automatiseeritud FIA poolt on välja töötatud tehnika kiireks ja selektiivseks proovi ettevalmistamiseks ja puhastamiseks enne nende testimist, et eemaldada maatriks ja eelkontsentraadi tuvastatavatel analüütidel. Puhastatud proovid saab koguda proovikogujaga või edastada otse detektorile nagu näiteks ICP-MS, AA, UV-VIS spektromeetrile või fluorestsentsspektromeetrile. Tahke faasi juhendid on saadaval okeanograafilisteks, farmatseutilisteks, toidu- ja joogikeskkonna, nafta ja põllumajanduslikeks testideks.

Farmatseutilisteks testideks 

Ravimite tootmine ja testimine, puhtuse ja stabiilsuse kontrollimine, ühtluse testid ja lahustuvuse määramine on alad, kus FIA tehnikad leiavad rakendust, kuna annab tihti sama informatsiooni kui kromatograafia. Küll aga kiiremini ja keskkonnasõbralikumal viisil. Kuna reagendipõhistes testides UV-VIS-i, fluorestsentsi või kemoluminestsentsmeetodi detektorid on laialdaselt kasutusel farmatseutilistel analüüsidel, nende automatiseerimine FIA poolt oli loomulik edasiareng.

Rakulisteks ja bakteriaalseteks testideks 

Rakkude mikrovedelike manipuleerimine, mis on kinnitatud mikrograanulite külge, kombineeritud fluorestsentsi või neeldumise mõõtmistega, millega saab uurida rakuliste protsesside kineetikat ajaga, mida ei saa võrreldagi manuaalse tehnika kasutamisega. Järgnevad näited illustreerivad selle uue metoodika ulatust:
Farmaatsia antagonismi mõõtmiste funktsionaalsed uuringud.
Metaboolsed uuringud, mis on seotud hapniku ja glükoosi kulutamisega ja laktaadi väljatõukamisega (Schultz, 2002)
Redoksuuringud, mis oleks vesinikperoksiidi degradatsioon elusrakkude poolt, nagu ka rakusisese vesinikperoksiidi jälgimine.
Automatiseeritud tehnikad mikrograanulite külge kinnitunud rakkude lugemiseks.

Biomolekulide ja biotehnoloogia valdkondades 

Käärimise jälgimiseks kasutati esmalt FIA-t, seejärel SIA-t (ingl sequential injection analysis) ehk järjestikkuse sisestuse analüüsi pidevateks toitainete ja saaduste testideks nii tööstuslikuks kui ka laboratoorseks seadmeks. Tänapäeval FIA ja SIA tehnikad on samuti laialdaselt kasutusel toiduanalüüsidel, kliinilistes ja biokeemilistes testides. Nende rakenduste tavapärane ühine kasutusala on ensümaatilistes testides kasutamine, kuna nad on automatiseeritud ja miniatuursed, kasutades UV-VIS spektromeetri või fluorestsentsidetektorit.

Protsesside jälgimiseks ja kontrollimiseks 

Kui füüsikalised andurid – temperatuur, rõhk ja muud täidavad protsesside jälgimise ja kontrollimise rolli, keemilised andurid, hoolimata sajandite pikkuste uuringute pingutustele, kohtavad harva keemiatehnika rangeid nõudmisi. Automatiseeritud keemilisi analüsaatoreid, mis põhinevad kestval lahusevoolul, sai sellepärast viimaseks abinõuks, kuna muu oli ebasoosingus nende keerukuse tõttu, suure reagentide kulukuse ja konstantse jälgimisvajaduse tõttu. Need puudused on kõrvaldatud, kui protsessi analüsaator põhineb voogsisestus põhimõtetel, kuna vooluprogrammeerimine ja instrumentatsiooni lihtsustamine muudab süsteemi kokkusobivaks koos protsessi kontrollikeskkonna rangetele nõuetele.

Sisestussüsteeme 
Voogsisestussüsteem
Järjestikkuse sisestussüsteem
Järjestikkuse sisestuse kromatograafia
Mikrograanulite sisestussüsteem

Viited 

Analüütiline keemia