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气相色谱仪中氢火焰离子化检测器(FID)原理、结构和应用

2025-07-24 [16]

氢火焰离子化检测器(Flame Ionization DetectorFID)是目前应用最为广泛的气相色谱检测器之一,属于质量型、通用型和破坏型检测器之一。FID具有高的灵敏度(10-12~10-13g/s)和宽的线性范围(可以达到107),响应值对载气波动不敏感,死体积小,响应速度快,对能在火焰中燃烧电离的化合物都有影响且同系物响应接近,因此,在食品安全、环境检测、职业卫生、原料药和溶剂残留测定等方面具有得到广泛的应用。

 

氢火焰离子化检测器的常见结构

对于FID检测器而言,其工作原理是:空气(助燃气)和氢气(燃气)在喷嘴(喷咀)处形成富氧性火焰,将载气中的分析组分燃烧。组分燃烧会形成碳正离子,被收集极收集形成电流。电流经过微电流放大器放大后,转化为色谱数据处理信号,完成对样品的分析。

 

为了避免氢火焰离子化检测器燃烧过程中内部积水,导致点火困难、火焰熄灭和短路等问题,均会为氢火焰离子化检测器设置加热底座;常见的温度设置为(150~300)℃。

 

为了使氢火焰离子化检测器可以燃烧化合物组分且具有较高的灵敏度,除了为氢火焰离子化检测器提供空气(助燃气)和氢气(燃气)之外,一般还会额外提供一路尾吹气(氮气);空气(助燃气)、氢气(燃气)和尾吹气(氮气)的比例一般为10:1:1,常见的空气流量为(300 -400mL/min,也有一些厂家的空气流量在(150 -200mL/min之间。空气(助燃气)一般从检测器喷嘴外围输入,氢气(燃气)和尾吹气(氮气)可以单独,或者预先混合后从喷嘴中输入。尾吹气(氮气)具有稀释火焰,提高检测器灵敏度的作用;如果使用毛细管色谱柱进行分析,也可以消除待测组分从色谱柱进入检测器时因体积膨胀造成的谱带展宽等问题,提高柱效。

 

为了使氢火焰离子化检测器具有合适的灵敏度,检测器喷嘴(喷咀)需要有合适的内径,一般而言,喷嘴(喷咀)越小,检测器灵敏度越高,但是过细的内径,检测器燃烧积碳后容易堵塞,同时线性范围变窄。常见的使用填充柱的喷嘴(喷咀)内径为0.5mm,使用毛细柱的喷嘴(喷咀)内径为0.25mm;喷嘴(喷咀)材质一般为金属、陶瓷和石英等。

为了提高氢火焰离子化检测器电流收集效率,一般会在喷嘴(喷咀)和收集筒之间施加电压形成电场,常见的电压范围为(150-350V,常见的做法是将极化电压施加于喷嘴(喷咀)顶部的金属头,喷嘴(喷咀)下部则使用陶瓷、石英玻璃等使金属头与检测器壳体绝缘。也有一些特殊的检测器将极化电压加于收集筒,全金属的喷嘴(喷咀)接地。

 

为了提高氢火焰离子化检测器的工作效率和自动化,一般还在在检测器出口处设置自动点火装置。常见的是使用镍铬丝作为点火线圈,使用(3-5V的交流电源,点火时通电,点火丝发红即可成功引燃氢气与空气在喷嘴的燃烧;同时,为了便于点火,一些使用了电子流量控制装置的气相色谱仪,在点火过程中会自动加大氢气流量和减小空气流量。

 

因此,根据上述氢火焰离子化检测器(FID)的工作原理,对于设计成熟的检测器,其正常工作的条件主要包括以下几点:(1)检测器结构完整、参数设置正常;(2)氮气(尾吹气)、空气和氢气的流量;(3)喷嘴(喷咀)的安装和使用;(4)用以在喷嘴(喷咀)和收集极之间形成电场来收集碳正离子形成电流,而通过极化极加在喷嘴(喷咀)上的极化电压;(5)用以连接收集筒和信号放大电路的收集极和信号线;(6)信号放大电路。

 

氢火焰离子化检测器的应用

氢火焰离子化检测器的引用非常广泛,在白酒分析、石油化工、环境检测、职业卫生、食品安全等领域具有广泛的应用,如依据《GB-T 5750.8-2023 生活饮用水标准检验方法 第8部分:有机物指标》测定生活饮用水中11种挥发性有机物。

 

氢火焰离子化检测器(FID)的响应

几乎所有的有机化合物在氢火焰离子化检测器上都有响应,一些物质在氢火焰离子化检测器上无输出信号,主要为永久气体、水,一氧化碳,二氧化碳,氮氧化合物和硫化氢等无机物。

 

对于理论中在氢火焰离子化检测器上无输出信号的物质,实际情况各有差异。对于一氧化碳和二氧化碳,大浓度通过热导池检测器(TCD)进行检测,低浓度则需要通过转化炉,在氢气作用下将其转化为甲烷,使用氢火焰离子化检测器(FID)进行检测。

 

对于氧气和水,进样后会有基线扰动,也可以认为是色谱峰;一般认为氧气进样出峰,相当于是氧气通过氢火焰离子化检测器,改变了瞬间的氢空比,造成了灵敏度波动;水进样出峰,相当于是水通过氢火焰离子化检测器时大量吸热,对火焰造成了扰动;最常见的例子是测定非甲烷总烃时,使用总烃柱测定除烃空气中的氧峰。

 

另外,在相关文献中(中国石油天然气集团公司人事部化工分析技师培训教程·基础知识分册[M]. 北京石油工业出版社,2012: 156.,有论述氢火焰离子化检测器对四氯化碳、二硫化碳无响应,实际中会有不小的响应。如《GBZ-T 300.732017 工作场所空气有毒物质测定 第73部分:氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷和四氯化碳》中使用氢火焰离子化检测器测定工作场所空气中气态和蒸气态的四氯化碳。

 

来源:VX气相色谱分析