氢火焰离子化检测器：工作原理与应用

氢火焰离子化检测器（Flame Ionization Detector，FID），简称氢焰检测器。它对含碳有机化合物有很高的灵敏度，一般比热导池检测器的灵敏度高几个数量级，能检测至10-12 g/s的痕量物质，故适宜于痕量有机物的分析。因其结构简单，灵敏度高，响应快，稳定性好，死体积小、线性范围宽，可达10-6以上，因此它也是一种较理想的检测器。

（1）氢火焰检测器的结构

氢火焰离子化检测器的主要部分是一个离子室，外壳一般由不锈钢制作，内部装有喷嘴、极化极（负极）、收集极（正极）和点火极，如图9.18所示。在极化极与收集极之间加有100~300 V直流电压（称为极化电压）形成电场。被测组分被载气携带，从色谱柱流出，与氢气混合一起进入离子室，由喷嘴喷出。氢气在空气的助燃下经引燃后进行燃烧，以燃烧所产生的高温（约2 100℃）火焰为能源，使被测有机物组分电离成正负离子。产生的离子在收集极和极化极的外电场作用下定向运动而形成电流。电离的程度与被测组分的性质有关，一般碳氢化合物在氢火焰中电离效率很低，大约每50万个碳原子中有一个碳原子被电离，因此产生的电流很微弱，其大小与进入离子室的被测组分含量有关，含量越大，产生的微电流就越大，这二者之间存在定量关系。

图9.18　氢火焰离子化检测器和微电流放大器

为了使离子室在高温下不被样品腐蚀，金属零件都用不锈钢制成，电极都用纯铂丝绕成，极化极兼作点火极，将氢焰点燃。为了把微弱的离子流完全收集下来，要控制收集极和喷嘴之间的距离。通常把收集极置于喷嘴上方，与喷嘴之间的距离不超过10 mm。也有把两个电极装在喷嘴两旁，两极间距离为6~8 mm。

氢火焰检测器的输出是一个10-14~10-9 A的高内阻微电流信号，必须采用微电流放大器加以放大。微电流信号在其中经过一个高电阻形成电压并进行阻抗转换，经放大和数据采集电路送至微处理器进行数据处理，并计算出对应组分含量值。微电流信号的传送需采用高屏蔽同轴电缆。

（2）氢火焰检测器操作条件的选择

1）气体流量

①载气流量：实验证明，使用氢火焰检测器时，以N2作载气要比用其他气体（如H2、He、Ar）作载气时的灵敏度高，因此一般用N2作载气。载气流量的选择主要考虑分离效能。对一定的色谱柱和样品，要找到一个最佳的载气流速，使柱的分离效果最好。

②氢气流量：氢气流量与载气流量之比影响氢火焰的温度及火焰中的电离过程。氢火焰温度太低，组分分子电离数目少，产生电流信号小，灵敏度就低。氢气流量低，不但灵敏度低，而且易熄火。氢气流量太高，热噪声就大。故对氢气必须维持足够流量。当氮气作载气时，一般氢气与氮气流量之比是（1∶1）~（1∶1.5）。在最佳氢氮比时，不但灵敏度高，而且稳定性好。(www.xing528.com)

实际工作中，可采用下述方法获得最佳H2/N2曲线：检测器点燃后，首先固定载气流量及助燃空气流量，使氢气由小到大变化，每变一次氢气流量，进样分析一次，获得峰高值。改变几次氢气流量，就可得一条峰高——H2曲线。改变载气流量，重复上述操作，可得到几组峰高——H2曲线。选取上述各条曲线的最高点所对应的H2、N2值，就得一条N2—H2/N2曲线，这就是不同载气流量下的最佳H2/N2比曲线。曲线上每一组H2、N2的数值都可使这种结构的检测器发挥最佳性能。但要注意的是上述测定必须在助燃空气流量与检测器温度、柱温不变的条件下进行。

③空气流量：空气是助燃气，并为生成CHO+提供O2。空气流量在一定范围内对响应值有影响。当空气流量较小时，对响应值影响较大，流量很小时，灵敏度较低。空气流量高于某一数值（例如400 mL/min），此时对响应值几乎没有影响。一般氢气与空气流量之比为1∶10。

上述气体中含有机械杂质或微量有机物时，对基线的稳定性影响很大，因此要保证所用的气体的纯度和管路系统的洁净。

2）极化电压

氢火焰中生成的离子只有在电场作用下向两极定向移动，才能产生电流。因此极化电压的大小直接影响响应值。实践证明，在极化电压较低时，响应值随极化电压的增加成正比增加，然后趋于一个饱和值，极化电压高于饱和值时与检测器的响应值几乎无关。一般选±100~300 V。

3）检测器温度

与热导池检测器不同，氢焰检测器的温度不是主要影响因素，从80~200℃，灵敏度几乎相同。80℃以下，灵敏度显著下降，这是由于水蒸气冷凝造成的影响。

4）甲烷化转化器

对于气体样品中的微量CO、CO2，热导检测器难以检测出来，而氢火焰检测器仅对碳氢化合物有响应，对CO、CO2不产生响应。因此，可设法将CO、CO2转化为碳氢化合物，再用氢火焰检测器来测量。

甲烷化转化器（Methanizer）就是气相色谱仪为了满足对CO、CO2微量分析的需要而开发的一种转化装置，它与FID检测器连用，用来测量其他方法无法检测的几个ppm的CO与CO2。其工作原理是：通过加氢催化反应，将CO、CO2转化成CH4和H2O，再送往FID检测器，通过测量CH4，间接计算出CO、CO2含量。

甲烷化转化器中使用镍催化剂，转化炉的反应温度一般为350~380℃。镍催化剂必须密封保存，防止与空气接触，降低催化剂活性。新装的镍催化剂管要先活化，一般选择活化温度为380~400℃，H2流量为20~30 mL/min，活化6 h。