氫火焰離子化檢測器的工作原理與特性

在軟包裝行業，氣相色譜檢測器在溶劑殘留量檢測方面發揮著重要作用，因此充分認識和掌握氣相色譜檢測器的工作原理和特點實有必要。

氣相色譜檢測器是一種將色譜柱分離后的試樣組分按其特性和含量轉變成電信號，進而實現定性、定量分離的裝置。根據檢測原理的不同，氣相色譜檢測器可以分為濃度型檢測器和質量型檢測器兩類。本文中，筆者將介紹一種應用廣泛的質量型檢測器—氫火焰離子化檢測器（FID）。

主要特點

(1)氫火焰離子化檢測器是一種典型的質量型檢測器，測量的是氣相色譜載氣中某組分的質量變化速度，響應值與單位時間內某組分進入檢測器的質量成正比，峰面積與載氣流無關。

(2)氫火焰離子化檢測器對有機化合物具有很高的靈敏度，但對無機氣體、水、二硫化碳、四氯化碳等含氫少或不含氫的化合物靈敏度較低，甚至不響應。

(3)氫火焰離子化檢測器結構簡單、性能優異、穩定可靠、操作方便、響應迅速，因此經過40多年的發展，其結構仍無實質性的變化。

(4)氫火焰離子化檢測器比濃度型檢測器的靈敏度高出近3個數量級，檢測下限可達10-12g。

(5)氫火焰離子化檢測器需要用到3種氣體：作為載氣的氮氣，作為可燃氣體的氫氣，作為助燃氣的空氣。這3種氣體的流速和配比參數為：氮氣∶氫氣=1∶(1～1.5)，氫氣∶空氣=1∶10。

工作原理

氫火焰離子化檢測器以氫氣和空氣燃燒生成的火焰為電離源（如圖1），其工作原理圖如圖2所示，具體過程如下。

(1)氫火焰離子化檢測器擁有兩個電極，一個為極化極（或發射極），用來噴射燃燒火焰；另一個為收集極，在一定極化電壓下用來收集火焰中的離子。

(2)載氣（氮氣）攜帶有機化合物CnHm和可燃氣體（氫氣），由噴嘴噴出并進入火焰，有機化合物CnHm在火焰熱裂解區發生裂解反應，產生自由基，反應如下：

CnHm→-CH

(3)空氣從四周向火焰聚集，上述反應產生的自由基-CH在火焰反應區與空氣中的激發態原子氧（或分子氧）發生如下反應：

-CH+O→CHO++e-

(4)生成的正離子CHO+ 與火焰中的水分子碰撞發生如下反應：

CHO++H2O→H3O++CO

(5)化學電離產生的正負離子在極化電壓形成的微電場定向作用下分別向相反極性的電極運動，形成微電流（約10-6～10-14A）。

(6)在一定范圍內，微電流大小與進入離子室的有機化合物質量成正比，正因為如此，氫火焰離子化檢測

器歸屬于質量型檢測器的一種。有機化合物在火焰中的電離率很低，大約只有1/500000的碳原子被電離。

(7)收集極對微電流進行收集、輸出，然后經高電阻放大獲得可測的電信號。

(8)電信號輸出到記錄儀，得到峰面積與有機化合物質量成正比的色譜圖。

(9)最后，氫火焰離子化檢測器根據色譜圖對有機化合物進行定性、定量分析。

只要載氣流速、柱溫等條件不變，氣相色譜圖則不變。載氣純度越高、流速越小、柱溫越低或固定相耐熱性越好，氣相色譜圖的基線越低；反之越高。

結構特性

氫火焰離子化檢測器通常采用一個不銹鋼外殼將噴嘴、收集極、極化極等密封在內，只留一個排氣口，用于排出燃燒產物。氫火焰離子化檢測器的性能決定于電離效率和收集效率，前者主要與氮氣與氫氣的配比有關，后者主要與噴嘴內徑、電極位置、收集極形狀有關。

1.噴嘴內徑和材料

氫火焰離子化檢測器的噴嘴內徑一般為0.5mm左右，這是因為當噴嘴內徑為0.5mm時，載氣（氮氣）攜帶有機化合物CnHm和可燃氣體（氫氣）從噴嘴噴出的速度，與空氣從四周向火焰聚集的速度可以達到最佳配合。噴嘴內徑越小，氫火焰離子化檢測器的靈敏度越高，色譜圖的線性范圍越窄；反之，氫火焰離子化檢測器的靈敏度越低，色譜圖的線性范圍越寬。

噴嘴材料一般為不銹鋼、鉑、陶瓷或石英。其中，不銹鋼和鉑噴嘴下端需要與地面保持良好的絕緣效果。陶瓷和石英，特別是石英，憑借較好的化學惰性和絕緣性，目前在氫火焰離子化檢測器中的應用較為廣泛。陶瓷或石英一般用作噴嘴管頂材料，然后在其上端加裝一個金屬帽即可，這樣可以避免試樣與發熱的金屬直接接觸，降低有機化合物組分，特別是極性或化學活性組分的催化、吸附作用，從而得到更加精確的色譜圖，噪聲也較小。

2.電極位置

極化極一般由鉑金、不銹鋼或鎳合金等材料制成，并與噴嘴處于同一平面上。如果極化極的位置低于噴嘴，那么氫火焰離子化檢測器的靈敏度將有所下降；如果極化極的位置高于噴嘴，雖然氫火焰離子化檢測器的靈敏度將有所提高，但噪聲也會同時增大。

收集極多由不銹鋼材料制成，直徑為6～10mm，長度為20～60mm，通常位于噴嘴上方，并與噴嘴同軸安裝。此外，收集極與噴嘴必須擁有極好的絕緣效果，這是因為在100V的電壓下時，即使具有1012Ω的漏電電阻，也能產生10nA的基線偏移。氫火焰離子化檢測器通常采用的絕緣電阻有兩種，一種是聚四氟乙烯絕緣電阻，其電阻值可達1015～1018Ω，不過氫火焰離子化檢測器的絕緣點還是要與熱源保持一定的距離；另一種是高純陶瓷絕緣電阻，其電阻值可達1014～1016Ω，且可耐300℃的高溫。還應注意的是，氫火焰離子化檢測器所有的絕緣表面均要保持潔凈。

收集極與極化極之間的距離一般為6mm。如果收集極距離極化極太近，則收集極易過熱而產生熱電子，噪聲也會增大；如果收集極距離極化極太遠，則離子流到達收集極的時間過長，導致正、負離子再結合的幾率增大，收集效率降低。

3.收集極形狀

加在收集極和極化極之間的極化電壓可以在兩個電極之間形成電場，使得在火焰中形成的正、負離子能夠彼此分開并被有效地收集，極化電壓的選擇范圍為100～300V。實驗表明，不同形狀的收集極，收集效率不同，喇叭形和圓筒形收集極的收集效率最佳。