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 FID檢測器_氫火焰離子化檢測器_ 氫火焰檢測器原理【專題】

什么是氫火焰離子化檢測器？

氫火焰離子化檢測器簡稱氫火焰檢測器，又稱火焰離子化檢測器（FID： flame ionization detector）。是用于檢驗氫火焰離子化的機器。

2、FID檢測器原理：

利用氫火焰作為電離源，當待測氣體通過離子室時，在能源的作用下分子直接或間接被離子化，并且在電場內(nèi)定向運動形成電流，利用電子放大系統(tǒng)測定離子流的強度，即可得到被測物質(zhì)變化信號。

氫火焰離子化檢測器是使樣品和載氣通過燃燒的氫氣-空氣火焰，以氫火焰生成的熱量為能源，進入檢測器的載氣中的有機雜質(zhì)和流失的固定液發(fā)生化學電離(載氣本身不發(fā)生電離)，生成正、負離子和電子。在電場的作用下，正離子移向收集極(負極)，負離子和電子移向極化極(正極)，形成微電流，經(jīng)放大器放大后產(chǎn)生信號，即為基線。通過基線調(diào)零，當分離后的組分進入檢測器時，氫火焰中因增加了組分電離的正、負離子和電子，而產(chǎn)生了組分信號。該信號的大小與進入檢測器中該組分的質(zhì)量成正比，這就是FID的定量依據(jù)。

 (1)氫火焰離子化檢測器擁有兩個電極，一個為極化極（或發(fā)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(qū)發(fā)生裂解反應(yīng)，產(chǎn)生自由基，反應(yīng)如下：  　　CnHm→-CH  　　

(3)空氣從四周向火焰聚集，上述反應(yīng)產(chǎn)生的自由基-CH在火焰反應(yīng)區(qū)與空氣中的激發(fā)態(tài)原子氧（或分子氧）發(fā)生如下反應(yīng)：  　　-CH+O→CHO++e-  　　

(4)生成的正離子CHO+ 與火焰中的水分子碰撞發(fā)生如下反應(yīng)：  　　CHO++H2O→H3O++CO  　　

(5)化學電離產(chǎn)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(nèi)，微電流大小與進入離子室的有機化合物質(zhì)量成正比，正因為如此，氫火焰離子化檢測  　　器歸屬于質(zhì)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(jīng)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(zhì)量成正比的色譜圖。  　　

(9)后，氫火焰離子化檢測器根據(jù)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。

3、氫火焰檢測器特點：

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

(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(yīng)。 

(3)氫火焰離子化檢測器結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)異、穩(wěn)定可靠、操作方便、響應(yīng)迅速，因此經(jīng)過40多年的發(fā)展，其結(jié)構(gòu)仍無實質(zhì)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(shù)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(shù)為：氮氣∶氫氣=1∶(1～1.5)，氫氣∶空氣=1∶10。

4、氫火焰離子化檢測器結(jié)構(gòu)：

氫火焰離子化檢測器的結(jié)構(gòu) 氫火焰離子化檢測器（FID）由電離室和放大電路組成，分別如下圖，(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 90～300V 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。

5、FID檢測器操作條件：

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(guān)。其影響如下所述。
　　氫氣流速的影響
　　氫氣作為燃燒氣與氮氣(載氣)預(yù)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，并達到一個大值后迅速下降。如圖2-10所示。由圖可見：通常氫氣的更好流速為40～60mL/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，H2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(yīng)值也增加，在30mL/min左右達到一個大值而后迅速下降，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(dǎo)作用，導(dǎo)致火焰溫度降低，從而減少電離效率，使響應(yīng)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(dǎo)致響應(yīng)降低，同時噪聲也會因火焰不穩(wěn)定而響應(yīng)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(yù)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，火焰燃燒的效果也不相同，因而直接影響FID的響應(yīng)。從圖2-12可知N2∶H2的更佳流量比為1～1.5。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+提供認O2。同時還是燃燒生成的H2O和CO2的清掃氣。空氣流量往往比保證*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(yīng)。其影響如圖2-13所示。

由圖2-13可知空氣更好流速需大于300mL/min，一般采用空氣與氫氣該量比為1∶10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(nèi)徑不相同，其氫氣、氮氣和空氣的更好流量也不相同，可以參考說明書進行調(diào)節(jié)，但其原理是相同的。
　　檢測器勝度的影響
　　增加FID的溫度會同時增大響應(yīng)和噪聲；相對其他檢測器而言，F(xiàn)ID的溫度不是主要的影響因素，一般將檢測器的溫度設(shè)定比柱溫稍高一些，以保證樣品在FID內(nèi)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(dǎo)致離子室內(nèi)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
　　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檢測器。近年來在FID的基礎(chǔ)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(yīng)值
　　幾乎所有揮發(fā)性的有機物在FID都有響應(yīng)，尤其同類化合物的相對喻應(yīng)值都很接近，一般不用校正因子就可以直接定量，而含不同雜原子的化合物彼此相對響應(yīng)值相差很大，定量時必須采用校正因子。
　　與TCD不同的是：FID相對響應(yīng)值與FID的結(jié)構(gòu)、操作壓力、載氣、燃氣與輔助氣的流速都有關(guān)，所以引用文獻數(shù)據(jù)時一定要注意試驗條件是否一致?？煽康姆椒ㄊ亲约簻y定相應(yīng)的校正因子。

6、氫火焰離子化檢測器操作步驟：

 （1）擰開各氣體總壓開關(guān)（逆時針旋轉(zhuǎn)為開） ，旋轉(zhuǎn)各調(diào)節(jié)閥，使各壓力表 指示在 0.3~0.4 MPa（順時針旋轉(zhuǎn)為開） 。

  （2） 通入載氣 2） 將載氣流量調(diào)至 20~30ml/min （N ， （載氣壓力表 1： 0.05MPa； 。 載氣壓力表 2：0.03 MPa）

   （3）通載氣約 10min 后 （若長期停機后重新啟動操作時， 通載氣 15min 以上） ， 開啟色譜儀電源總開關(guān)，設(shè)置所需柱箱、汽化、檢測器 2 的工作溫度。 柱箱溫度必須低于色譜柱固定相高使用溫度（不銹鋼色譜柱的使用溫 度≤230℃， 毛細管色譜柱的使用溫度≤300℃） 汽化室和檢測器溫度必須 ， 高于 100℃（若無高沸點的組分一般設(shè)置 150℃） ，設(shè)置好后按運行鍵即 可升溫。

　（4）將“靈敏度選擇”置于 2 檔，訊號衰減開關(guān)置于 1 檔。打開微電流放大器 開關(guān)，旋轉(zhuǎn)零位調(diào)節(jié)電位器，使基線在零位附近（在此之前應(yīng)打開計算 機，進入 1 通道界面） 。

?。?）旋轉(zhuǎn)空氣流量調(diào)節(jié)閥，將空氣流量調(diào)至 200~300 MPa（空氣壓力表指示 在 0.02~0.03 MPa，一般調(diào)至 0.03 MPa）待檢測器溫度升到 100℃時，即 可打開 H2，并旋轉(zhuǎn) H2 調(diào)節(jié)閥到壓力表指示 0.02 MPa 附近，打開 H2 點 火開關(guān)閥，用電子點火裝置在 FID 檢測器出口處點火，點燃后關(guān)閉 H2 點 火開關(guān)閥。

?。?）待基流穩(wěn)定后，準備進樣（一般進樣量為 0.4~0.5ml）,進樣后立即按下 帶有“A”字樣的按扭，此時開始采樣。

?。?）當所有測試完畢停機時，必須先將 H2 開關(guān)閥關(guān)閉，再將微電流放大器 開關(guān)關(guān)閉，退出升溫開始降溫，待柱箱溫度降至室溫，汽化和檢測器溫 度降至 70℃以下時，關(guān)閉載氣、空氣、H2 和色譜儀電源總開關(guān)。

7、FID檢測器配件：

      點火器點活塞組件（1個/包裝） 
      FID收集極組件（1個/包裝） 
      毛細柱噴嘴（0.29mm內(nèi)徑） 
      噴嘴用于毛細管柱（0.29mm噴嘴內(nèi)徑） 
      噴嘴用于填充柱（0.46mm噴嘴內(nèi)徑） 
      FID清潔工具包（1個/包裝） 

8、FID檢測器要如何清洗？

當氣相色譜儀的FID的噴嘴兒和檢測器中出現(xiàn)了少許的沉淀物的時候，你就要及時的對它進行清洗，這比要換個新的來說是個更好的選擇。當氣相色譜儀的FID噴嘴兒不是很臟的時候，可以不用拆下清洗，只要把色譜柱取出來就行，用一個管子把進樣口和檢測器連起來，通過載氣將恒溫箱的溫度升到120攝氏度以上。然后再從進樣口里面注入20μL左右的蒸餾水，后再用幾十微升的乙醇或者氟利昂113溶劑來進行洗滌。
但是如果它污染嚴重的話，就必須要把它拆下檢測器來進行清洗。步要拆下收集極、極化極、噴嘴兒，如果噴嘴兒的材料是石英做成的，要先把它放在水里浸泡一夜；如果噴嘴兒的材料是不銹鋼做成的，那它就可以和電極一起，但是先要用300號至400號的細砂紙小心打磨，用的清洗細金屬絲從噴嘴兒的頂部穿入，重復(fù)插入拉出多次，直到金屬絲可以光滑的移動才行。后再用適量的溶劑浸泡。
還有重要的一點是清洗后的氣相色譜儀的各個部件，不可以用手拿，只可以用鑷子。后裝配的時候也必須要小心，若是不小心的話很可能會再次污染。

9、FID檢測器點火問題

注意看信號，在開始點火時，信號有起來沒有？如果有起來，然后又慢慢變?yōu)榱懔?，就說明你已經(jīng)點起了，但又熄了。方法有很多種：
1、設(shè)置氫氣和空氣的比例，軟件上設(shè)置，設(shè)置尾吹氣的流量，我用的的，5ml/min就OK了。
2、有可能被堵了?？梢栽诓稽c火的時候把氫氣和空氣的流量調(diào)大點，讓它吹1個小時。
3、打火石需要更換了。就直接用打火機在你圖上紅色的位置直接像煤氣灶一樣點就OK了。
4、氫氣和空氣的流量是否穩(wěn)定？不穩(wěn)定的話就要檢查是否有泄露了。

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