FID氫火焰離子化檢測器

1、- 1 - 氫火焰離子化檢測器1958 年 mewillan和 harley 等分別研制成功氫火焰離子化檢側器（fid） ，它是典型的破壞性、質量型檢測器，是以氫氣和空氣燃燒生成的火焰為能源，當有機化合物進入以氫氣和氧氣燃燒的火焰，在高溫下產(chǎn)生化學電離，電離產(chǎn)生比基流高幾個數(shù)量級的離子，在高壓電場的定向作用下，形成離子流，微弱的離子流（ 10-1210-8a）經(jīng)過高阻（ 1061011）放大，成為與進入火焰的有機化合物量成正比的電信號，因此可以根據(jù)信號的大小對有機物進行定量分析。氫火焰檢測器由于結構簡單、性能優(yōu)異、穩(wěn)定可靠、操作方便，所以經(jīng)過40 多年的發(fā)展，今天的fid 結構仍無實質性的變化

2、。其主要特點是對幾乎所有揮發(fā)性的有機化合物均有響應，對所有徑類化合物（碳數(shù)3 ）的相對響應值幾乎相等，對含雜原子的烴類有機物中的同系物（碳數(shù)3 ）的相對響應值也幾乎相等。這給化合物的定量帶來很大的方便，而且具有靈敏度高（10-1310-10g/s） ，基流小（ 10-1410-13a） ，線性范圍寬（106 107） ，死體積?。?1l ） ，響應快（ 1ms） ，可以和毛細管柱直接聯(lián)用，對氣體流速、壓力和很度變化不敏感等優(yōu)點，所以成為應用最廣泛的氣相色譜檢測器。其主要缺點是需要三種氣源及其流速控制系統(tǒng)，尤其是對防爆有嚴格的要求。氫火焰離子化檢測器的結構氫火焰離子化檢測器（fid）由電離室和放

3、大電路組成，分別如圖2-9(a)，(b)所示。fid 的電離室由金屬圓筒作外罩，底座中心有噴嘴;噴嘴附近有環(huán)狀金屬圈(極化極，又稱發(fā)射極)，上端有一個金屬圓簡(收集極 )。兩者間加90300v 的直流電壓， 形成電離電場加速電離的離子。收集極捕集的離子硫經(jīng)放大器的高組產(chǎn)生信號、放大后物送至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；燃燒氣、輔助氣和色譜柱由底座引入；燃燒氣及水蒸氣由外罩上方小孔逸出。- 2 - 氮火焰離子化檢測器晌應機理fid 的工作原理是以氫氣在空氣中燃燒為能源，載氣（n2）攜帶被分析組分和可燃氣（h2）從噴嘴進入檢側器，助然氣(空氣 )從四周導人，被側組分在火焰中被解離成正負離離子，在極化電壓形成的電場

4、中，正負離子向各自相反的電極移動，形成的離子流被收集極收、輸出，經(jīng)阻抗轉化，放大器（放大1071010倍）便獲得可測量的電信號，fid 離子化的機理近年才明朗化，但對烴類和非烴類其機理是不同的。對烴類化合物而言：在火焰內燃燒的碳氮化合物中的每一個碳原子均定里轉化成最基本的、共同的響應單位 甲烷，再經(jīng)過下面的反應過程與空氣中氧反應生成cho+正離子和電子。cho cho+e 所以， fid 對烴是等碳響應，這是最主要的反應，成為電荷傳送的主要介質。在電場作用下，正離子和電子 e分別向收集極和發(fā)射極移動，形成離子流，但在碳原子中產(chǎn)生ch 的概率僅有1/106，因此提高離子化效率是提高fid 靈敏度

5、最有效的途徑，目前仍然有不少關于這方面的研究和報道。對非烴類化合物，其響應機理比較復雜，隨所含官能團的不同而異，基本規(guī)律是不與雜原子相連的碳原子均轉化成甲烷。雜原子及其相連的碳原子（c 雜）的轉化產(chǎn)物見表2-8。由于雜原子可能進一步與c 轉生成氫火焰檢測器不響應的co、hcn ，因此按相對質量響應值計，這些化合物的 rrf 值都很低，不符合等碳響應規(guī)律。fid 的靈敏度和穩(wěn)定性主要取決于，如何提高有機物在火焰中離子化的效率，如何提高收集極對離子收集的效率。離子化的效率取決于火焰的溫度、形狀、噴嘴的材料、孔徑；載氣、氫氣、空氣的流量比等。離子收集的效率則與收集極的形狀、極化電壓、電極性、發(fā)射極與

6、收集極之間距離等參數(shù)有關。一個好的檢測器的結構設計是綜合考慮以上各種因素，所以使用者在拆裝清洗時必須按說明書要求，尤其是安裝尺寸方面，嚴禁收集極、極化極、噴嘴與外殼短路，要求其絕緣電阻值大于1014。另外，要求極化極必須在噴嘴出口平面中心，不適宜在火焰上，否則會造成嗓聲增加；也不宜過低，極化極低于噴嘴，離子收集的效率會降低，檢測器的靈敏度相應也降低。噴嘴通常采用內徑0.40.6mm 的金屬或石英制成，但靈敏度高的儀器在噴嘴的選擇上也有嚴格的要求。例如美國agilent 公司對 fid 的噴嘴就有六種型號供不同情況選用。美國varian 公司近年對fid 進行改進、采用加金屬帽的陶瓷噴嘴代替標準

7、的金屬噴嘴。除了能有效消除高溫時金屬對化合物的吸附造成色譜峰拖尾改善分辨率外，還能降低嗓聲，提高儀器靈敏度。這項改進已獲美國專利（usp.4999162） 。氫火焰離子化檢測器的操作條件火焰溫度，離子化程度和收集效率都與載氣、氫氣、空氣的流量和相對比值有關。其影響如下所述。- 3 - 氫氣流速的影響氫氣作為燃燒氣與氮氣(載氣 )預混合后進入噴嘴當?shù)獨饬魉俟潭〞r，隨著氫氣流速的蹭加，輸出信號也隨之增加，并達到一個最大值后迅速下降。如圖2-10 所示。由圖可見：通常氫氣的最佳流速為4060ml/min 。有時是氫氣作為載氣，氮氣作為補充氣，其效果是一樣的。氮氣流速的影響在我國多用n2 作載氣， h

8、2 作為柱后吹掃氣進入檢測器，對不同k 值的化合物，氮氣流速在一定范圍增加時，其響應值也增加，在30ml/min 左右達到一個最大值而后迅速下降，如圖2-11 所示。這是由于氮氣流量小時，減少了火焰中的傳導作用，導致火焰溫度降低，從而減少電離效率，使響應降低；而氮氣流量太大時，火焰因受高線速氣流的干擾而燃燒不穩(wěn)定，不僅使電離效率和收集效率降低，導致響應降低，同時噪聲也會因火焰不穩(wěn)定而響應增加。所以氮氣一般采用流量在30ml/min 左右，檢測器可以得到較好的靈敏度。在用h2 作載氣時， n2 作為柱后吹掃氣與h2 預混合后進入噴嘴，其效果也是一樣的。此外氮氣和氫氣的體積比不一樣時，火焰燃燒的效

9、果也不相同，因而直接影響fid 的響應。從圖2-12 可知 n2h2 的最佳流量比為11.5。也有文獻報道，在補充氣中加一定比例nh3 ，可增加 fid 的靈敏度。空氣流速的影響空氣是助燃氣，為生成cho+提供 o2。同時還是燃燒生成的h2o 和 co2的清掃氣。空氣流量往往比保- 4 - 證完全燃燒所需要的量大許多，這是由于大流量的空氣在噴嘴周圍形成快速均勻流場?？蓽p少峰的拖尾和記憶效應。其影響如圖2-13 所示。由圖 2-13 可知空氣最佳流速需大于300ml/min ， 一般采用空氣與氫氣該量比為110 左右。由于不同廠家不同型號的色譜儀配置的fid 其噴口的內徑不相同，其氫氣、氮氣和空

10、氣的最佳流量也不相同，可以參考說明書進行調節(jié)，但其原理是相同的。檢測器溫度的影響增加 fid 的溫度會同時增大響應和噪聲；相對其他檢測器而言，fid 的溫度不是主要的影響因素，一般將檢測器的溫度設定比柱溫稍高一些，以保證樣品在fid 內不冷凝；此外fid 溫度不可低于100，以免水蒸氣在離子室冷凝，導致離子室內電絕緣下降，引起噪聲驟增； 所以 fid 停機時必須在100以上滅火 （通常是先停h2，后停 fid 檢測器的加熱電流） ，這是 fid 檢測器使用時必須嚴格遵守的操作。氣體純度從 fid 檢測器本身性能來講，在常量分析時，要求氫氣、氮氣、空氣的純度為99.9以上即可，但是在痕量分析時，則要求純度高于99.999，尤其空氣的總烴要低于0.1 l/l ，否則會造成fid 的噪聲和基線漂移，影響定量分析。氫火焰離子化檢測器選擇性的改進fid 對烴類化合物有很高的靈敏度和選擇性，一直作為烴類化合物的專用檢測器。近年來在fid 的基礎上發(fā)展了幾種新型的氫火焰離子化檢測器，具有新的選擇性；富氫fid（用于選擇性檢測無機氣體和鹵代烴）；氫保護氣氛火焰離子化檢測器（簡稱hafid ，用于選擇性檢測有機金屬化合物、硅化合物）；氧專一性火焰離子化檢測器（簡稱ofid，用于選擇性檢測含氧化合物）。相對響應值幾乎所有揮發(fā)性的有機物在