浅谈气相色谱仪之氢火焰离子化检测器

邵东耀

夏津县检验检测中心 山东德州 253200

氢火焰离子化检测器（flame ionization detector，FID），简称氢焰检测器，是利用氢火焰做电离源，使有机物电离产生微电流而响应的检测器，又称氢火焰电离检测器，它是众多的气相电离检测器之一，是破坏性的、典型的质量型检测器。氢火焰离子化检测器的结构氢火焰离子化检测器主要部分是一个离子室，通常用一不锈钢外壳，将喷嘴、收集极、极化极及点火线圈等密封在内，留一出口排出燃烧产物。为了使离子室在高温下不被试样腐蚀，电极都用纯铂丝绕成，喷嘴材料可用不锈钢、铂、陶瓷和石英。不锈钢和铂喷嘴，下端都要与地良好绝缘。目前应用较多的是后两种，特别是石英，因它们化学惰性和电绝缘性均好。在陶瓷（石英）管顶端加一金属帽即成喷嘴，此喷嘴可避免样品与热金属接触，降低组分，特别是极性或化学活泼性组分的催化、吸附作用，使峰形正常、噪声小[1]。

1 氢火焰离子化检测器的工作原理

被测组分被载气携带，从色谱柱流出，与氢气混合后一起进入离子室，由毛细管喷嘴喷出。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火焰（约2100℃）为能源，使被测有机物组分电离成正负离子。在氢火焰附近设有收集极（正极）和极化极（负极），在此两极之间加有150V 至300V 的极化电压，形成一直流电场。产生的离子在收集极和极化极之间的外电场作用下定向运动而形成电流。被测组分电离的程度与其性质有关，一般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，需经放大器放大后，才能在记录系统上得到色谱峰[2]。

2 氢火焰离子化检测器的响应机理

2.1 氢火焰

FID 的氢／空气火焰是一种典型的扩散焰。柱后流出物与氢气混合后从火焰的中心流出，空气在火焰四周。氢燃烧所需的氧必须通过火焰外围向内扩散才能得到。扩散焰的特征是火焰中产生的基团和内、外火焰温度变化极大。

2.2 响应机理

①烃类：烃类首先产生热氢解作用，形成甲烷、乙烯和乙炔的混合物，然后这些非甲烷烃类与氢原子反应，进一步加氢成饱和烃。在火焰中是将不同烃分子中的每个碳原子均定量转换成最基本的、共同的响应单位——甲烷，然后再经过CH+O →CHO++e-化学电离过程产生信号。②非烃类：对非烃类响应机理比较复杂，随所含官能团不同而异。基本规律是不与杂原子相连的碳（C)均转化成甲烷。

3 氢火焰离子化检测器检测条件的选择

3.1 气体的种类、流速和纯度

①载气：载气流量一般用氮气作载气，载气流量的选择主要考虑分离效能。对一定的色谱柱和试样，要找到一个最佳的载气流速，使柱的分离效果最好。②尾吹气：尽管FID 的死体积几平为零，但为了不使柱后峰变宽和FID 达最佳性能，在接毛细管柱时，通常柱后还要加尾吹气。用氮气作尾吹气，灵敏度高，线性范围宽；其流速可据FID 具体结构而定。

3.2 氢气和空气的流速

①氮氢比：氢气是保持氢火焰正常燃烧的燃气，还为氢解反应和非甲烷烃类还原成甲烷提供氢原子。实验表明，氢稀释氢焰的灵敏度高于纯氢焰。因此，通常FID 均在氮稀释的氢焰中工作。在氮稀释的氢火焰中，氮氢比对FID 的灵敏度和线性均有影响。②空气流速：空气是氢火焰的助燃气。它为火焰化学和火焰电离反应提供必要的氧，同时也起着把CO2、H2O 等燃烧产物带走的吹扫作用。通常空气流速约为氢气流速的10 倍。流速过小，供氧不足，响应值低；流速过大，易使火焰不稳，噪声增大。

3.3 气体的纯度

在作常量分析时，载气、氢和空气纯度在99.9%以上即可，但在作痕量分析时，则要求三种气体的纯度相应提高。一般要求达99.999%以上，空气中总烃应小于0.1uL/L。

3.4 温度

氢火焰离子化检测器的温度不是主要影响因素，从80℃至200℃，灵敏度几乎相同。80℃以下，灵敏度显著下降，这是由水蒸气冷凝造成的。

4 氢火焰离子化检测器使用注意事项

4.1 安全

①防氢气泄漏：切勿让氢气漏入柱恒温箱中，以防爆炸。②防烫伤：FID 外壳十分热，切勿触及其表面，以防烫伤。

4.2 保持FID 的正常性能

①正常点火：注意点火时，FID 温度必须在120℃以上。如仪器无故障，点火困难主要是三种气体调节不妥所致。通常适当增大氢流速、减小空气流速，或按生产厂推荐的气体流速点火即可。②防止二氧化硅炭黑沉积：聚硅氧烷类固定相的色谱柱（特别是填充柱），使用前一定要充分老化。使用时柱温应尽量低，以免固定液流失后在喷嘴和二电极上形成二氧化硅绝缘层，使灵敏度下降，噪声和漂移增大。若长期分析硅烷化处理后的样品，注意喷嘴和电极上的二氧化硅沉积。若长期作磷酸酯类样品分析，也可能污染电极。③防止水等冷凝：为防止水和其他柱流出物在FID 中冷凝，注意先关氢气、空气、汽化室温度和柱温等，最后关FID 加热和整个GC系统[3]。

4.3 注意数据准确可靠

（1）线性范围：FID 的线性范围可达107,但实际分析中要注意填充柱和毛细管柱二种可能出现的异常。

（2）火焰大小和氢氮比要适时调整：当柱内径改变后，喷嘴内径有时也要随之更换，以与之匹配使火焰大小适中。

5 结语

综上所述氢火焰离子化检测器对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10-12g·s-1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106以上，因此是目前应用最广泛的气相色谱仪检测器。