氢火焰离子化检测器的工作原理与特性.pdf

氢火焰离子化检测器的 工作原理与特性 文 l 成都清洋宝柏包装有限公司 李兴洲 在软包装行业，气相色谱检测器 在溶剂残留量检测方面发挥着重要作 用，因此充分认识和掌握气相色谱检 测器的工作原理和特点实有必要。气 相 色谱 检 测 器是 一 种将 色谱 柱分离后的试 样组分按其特性和含量 转变成 电信号，进而 实现定性、定量 分离的装置。根据检 测原理 的不 同，气相色谱检测器可以分为浓 度型检测 器和质量型检测器两 类。本文 中，笔 者将介绍一种应用广泛 的质量 型检测 器氢火焰离子化检测器(F I D)。主要特点(1)氢火 焰 离子化 检测 器是 一种 典型的质量型检测器，测量 的是气相 色谱载气中某组分的质量变化速度，响应值与单位时间内某组分进入检测 器 的 质量 成正 比，峰 面 积 与载 气流 无关。(2)氢火焰离子化检测器对有机化 合物具有很高的灵敏度，但 对无机 气 体、水、二硫化碳、四氯化碳等含 氢 少或不含氢的化 合物 灵敏度较低，甚 至不响应。(3)氢火 焰离 子化 检测 器结 构简 单、性 能优 异、稳 定 可靠、操作 方 便、响应迅 速，因此经过4 0 多年的发 展，其结构仍无实质性的变化。(4)氢火 焰离子化检测器比浓 度型 检测器的灵敏度高 出近3 个数量级，检 测下限可达 l 0 1 g。(5)氢火焰离子化检测器需要用到3 种气体：作为载气的氮气，作为可燃气 体的氢气，作为助燃气的空气。这3 种 气体的流速和配比参数为：氮气：氢气=l：(1 1 5)，氢气：空气=1：1 0。工作原理 氢火焰离子化检测器以氢气和空气 燃烧生成的火焰为电离源(如图1)，其 工作原理 图如 图2 所示，具 体过程 如下。(1)氢火焰离子化检测器拥有两个 电极，一个为极化极(或发射极)，用 来 喷射 燃 烧火 焰；另一 个为 收集 极，在一定极化 电压下用来收集火焰 中的离子。(2)载气(氮气)携带有机化合物 C H 和可燃气体(氢气)，由喷嘴喷 出并进入火焰，有机化合物C H 在火 焰热裂解区发生裂解反应，产生 自由 基，反应如下：C H 一 一CH(3)空气从四周向火焰聚集，上述 反应 产生 的 自由基一C H在火 焰反应 区与空气中的激发态原子氧(或分子 氧)发生如下反应：一CH+O CHO+e (4)生成的正离子C HO 与火焰中 的水分子碰撞发生如下反应：CHO+H2 O H3 0+CO(5)化学 电离产生的正负离子在极 化 电压形成的微 电场定 向作用下分别 向相反极性 的电极运动，形成微 电流(约1 0 1 0 A)。(6)在一 定范 围 内，微 电流大 小 与进入离子室的有机化合物 质量成正 比，正 因为如此，氢火 焰离子化检测 印刷技术 包装装潢 2 0 1 2 0 1 45 f 空气 载气+氢气+有机化合物 图1氢火焰离子化检测 器的电离源 载气+有机化合物(来 白色谱柱)图2氢火焰离子化检测器 的工作原理 图 仪 器 归属于质量型检测器的一 种。有机 化合物在火焰 中的电离率很低，大约 只有 1 5 0 0 0 0 0 的碳原子被电离。(7)收集极对微 电流进行收集、输 出，然后经高 电阻放大获得可测的电 信号。(8)电信 号输 出到记录 仪，得 到 峰面积与有机化合物 质量成正 比的色 谱图。(9)最后，氢火焰离子化检测器根 据色谱 图对有机化合物进行定性、定 量分析。只 要 载 气流 速、柱温 等 条 件 不 变，气相色谱 图则不变。载气纯度越 高、流速越 小、柱温越低或 固定相耐 热性越 好，气相色谱 图的基线越低；反之越高。结构特性 氢 火 焰 离子 化 检 测 器通 常 采 用 一个不锈钢外壳将喷嘴、收集极、极 化极等密封在内，只 留一个排气 口，用于排出燃烧产物。氢火焰离子化检 测器的性能决定于 电离效率和收集效 率，前者主要与氮气与氢气的配比有 关，后 者 主要 与 喷嘴 内径、电极位 置、收集极形状有关。46 2 0 1 2 0 1印刷技术 包装装潢 1 喷嘴 内径和材料 氢火焰离子化检测器的喷嘴内径 一般为0 5 mm左右，这是 因为 当喷嘴 内径为0 5 ram时，载气(氮 气)携带 有机化合物C H 和可燃气体(氢气)从喷嘴喷 出的速度，与空气从四周向 火焰聚集的速度可以达到最佳配合。喷嘴 内径越小，氢火焰离子化检测器 的 灵敏度越高，色谱 图的线性 范围越 窄；反之，氢火焰离子化检测器的灵 敏度越低，色谱 图的线性范围越宽。喷嘴材料一般为不锈钢、铂、陶 瓷或石英。其 中，不锈钢和铂喷嘴下 端需要与地面保持 良好的绝缘效果。陶瓷和石英，特别是石英，凭借较好 的化学惰性和绝缘性，目前在氢火焰 离子化检测器 中的应用较为广泛。陶 瓷或 石英 一 般 用作 喷 嘴管 顶材 料，然后在其上端加装一个金属帽即可，这样可 以避免试样与发热的金属直接 接触，降低有机化合物组分，特别是 极性或化学活性组分的催化、吸附作 用，从而得到更加精确的色谱 图，噪 声也较小。2 电极位置 极 化 极 一般 由铂 金、不 锈 钢 或 镍合金等材料制成，并与喷嘴处于同 一平面上。如果极 化极的位置低于喷 嘴，那么氢火焰离子化检 测器的灵敏 度将有所 下降；如 果极化极 的位 置高 于喷嘴，虽然氢火 焰离子化检测 器的 灵敏 度将有所提高，但噪 声也会 同时 增大。收集极 多由不锈钢材料制成，直 径为61 0 mm，长度为2 06 0 mm，通常位于喷嘴上方，并与喷嘴 同轴安 装。此外，收集极 与喷嘴 必须拥有极 好 的绝 缘效果，这是 因为在 1 0 0 V的 电压下时，即使具 有 1 0 (2 的漏 电电 阻，也 能产生 1 0 n A的 基线偏移。氢 火焰离子化检测 器通 常采 用的绝缘 电 阻有两种，一种是 聚四氟 乙烯绝缘 电 阻，其 电阻值 可达 1 0 1 0 Q，不 过氢火 焰离子化检测 器的绝缘点还是 要与热源保持一定 的距离；另一种是 高纯 陶 瓷绝 缘 电 阻，其 电阻 值 可达 l 0 H1 0 (，且可耐3 o 0 的高温。还应 注意 的是，氢火 焰离子化检测 器 所有的绝缘表面均要保持洁净。收集极 与极化极之 间的距离一般 为6 mm。如果 收集 极 距离 极化 极太 近，则收集极 易过热而产生热 电子，噪 声也会增大；如果收集极距离极化 极太远，则离子流 到达收集极 的时 间 过长，导致 正、负离子再 结合的几率 增大，收集效率降低。3 收集极形状 加在收集极和极化极 之间的极化 电压可以在 两个电极之间形成电场，使得在火 焰中形成 的正、负离子 能够 彼 此 分 开并 被 有效 地 收集，极 化 电 压的选择范 围为 l 0 0 3 0 0 V。实验表 明，不同形状的收集极，收集效率不 同，喇叭形 和圆筒形收集 极的收 集效 率最佳。晶