气相色谱检测器结构与原理

气相色谱检测器1.定义2.分类3.各类检测器定义：能检测色谱柱流出组分及这些组分量的变化的器件，其功能是将经色谱分离的组分的物质信号转化为易于测量的电信号，故也称为“换能器”。优良检测器应具有如下性能指标：灵敏度高；检出限低；死体积小；响应迅速；线性范围宽；稳定性好。气相色谱仪的检测器最常用检测器的排名1.TCD和FID一直是互为第1、2位的，是二个最常用的检测器2.ECD和FPD基本上互为稳居第3、4位3.NPD和PID为第5、6位4.其他检测器有MSD、FTIR、HID及AED等等检测器的分类气相色谱仪的检测器检测器的分类一.按性能特征分类1.对样品破坏与否⑴破坏型检测器在检测过程中，被测物质发生了不可逆变化。例如：氢焰检测器、火焰光度检测器、热离子检测器。⑵非破坏型检测器在检测过程中，被测物质不发生不可逆变化。例如：热导检测器和电子捕获检测器。2.按响应值与时间的关系⑴积分型检测器积分型检测器显示某一物理量随时间的累加，也即它所显示的信号是指在给定时间内物质通过检测器的总量。例如：质量检测器、体积检测器、电导检测器和滴定检测器等，此类检测器在一般色谱分析中应用较少。⑵微分型检测器微分型检测器显示某一物理量随时间的变化，也即它所显示的信号表示在给定的时间里每一瞬时通过检测器的量。例如：热导检测器、氢焰检测器、电子捕获检测器和火焰光度检测器、热离子检测器等，此类检测器为一般色谱分析中的常用检测器。3．按响应特性分类⑴浓度型检测器浓度型检测器测量的是载气中组分浓度瞬间的变化，也即检测器的响应值取决于载气中组分的浓度。例如：热导检测器和电子捕获检测器等。⑵质量型检测器质量型检测器测量的是载气中所携带的样品组分进入检测器的速度变化，也即检测器的响应值取决于单位时间组分进入检测器的质量。例如：氢焰检测器、火焰光度检测器、热离子检测器等。4．按选择性能分类⑴多用型检测器对许多种类物质都有较大响应信号的检测器称为多用型检测器。例如：热导检测器和氢焰检测器等属于多用型检测器。⑵专用型检测器仅对某些种类物质有较大的响应信号，而对其他种类物质的响应信号很小或几乎不响应的检测器则称为专用型检测器。例如：电子捕获检测器、火焰光度检测器、热离子检测器等。有时也把上述分类法结合起来。例如：把热导检测器称为微分-浓度-非破坏-多用型检测器，氢焰检测器称为微分-质量-破坏-多用型检测器。气相色谱仪的检测器检测器的分类二.按工作原理分类检测方法工作原理检测器应用范围物理常数法热导系数差异热导检测器TCD所有化合物气相电离法火焰电离火焰电离检测器FID有机物热表面电离氮磷检测器NPD氮、磷化合物化学电离电子捕获检测器ECD电负性化合物光电离光电离检测器PID所有化合物光度法原子发射原子发射检测器AED多元素分子发射火焰光度检测器FPD硫、磷化合物分子吸收傅立叶变换红外光谱FTIR红外吸收化合物分子吸收紫外检测器UVD紫外吸收化合物电化学法电导变化电导检测器ELCD卤、硫、氮化合物质谱法电离和质量色散质量选择检测器MSD所有化合物气相色谱仪的检测器对检测器的要求1.希望在无组分流入时，即仅有载气通过检测器时，其响应信号曲线－基线，是稳定而无波动的，即噪声和漂移的要求。2.希望极痕量的组分进入检测器时就有响应，即灵敏度和检测限的要求。3.希望在某些情况下，所有进入检测器的组分均有响应，而在另一些情况下，仅对某种类化合物有响应，即选择性要求。4.希望保持高效毛细柱的分离效能，就有死体积的要求。5.希望十分窄的谱带快速通过检测器时，峰形不失真，即检测器的响应时间要求。6.希望定量正确可靠，即相对响应因子、线性和线性范围的要求•死体积（deadVolume）Vm，指色谱柱在填装后柱管内固定相颗粒间所剩留的空间、色谱仪中管路和连接头间的空间以及检测器的空间的总和。死体积本意是指色谱柱中未被固定相占据的空隙体积，也即色谱柱内流动相的体积。但在实际测量时，它包括了柱外死体积（色谱仪中的管路和连接头间的空间以及进样系统和检测器的空间）。当柱外体积很小时，可以忽略不计。死体积(deadvolume，V0)——由进样器进样口到检测器流动池未被固定相所占据的空间。它包括4部分：进样器至色谱柱管路体积、柱内固定相颗粒间隙（被流动相占据，Vm）、柱出口管路体积、检测器流动池体积。其中只有Vm参与色谱平衡过程，其它3部分只起峰扩展作用。为防止峰扩展，这3部分体积应尽量减小。V0＝F×t0（F为流速气相色谱仪的检测器检测器的噪声和漂移1.噪声由于各种原因引起的基线波动，称基线噪声（N）。无论在有或无组分流入时这种波动均存在。它是一种背景信号。噪声分短期噪声和长期噪声二类。短期噪声：是来回摆动的信号，其频率明显比色谱峰快。此噪声能用适当的噪声滤波器除去，对分析工作影响不大。长期噪声：长期噪声的出现频率与色谱峰相当，此噪声不能用滤波器除去也无法与同样大响应值的色谱峰区别开，它对接近检测限的组分测定有较大的影响。噪声的测量：噪声的测量通常是取10～15分钟的噪声带来计算，噪声带用峰对峰的二条平行线来确定，其计量单位通常用mV。气相色谱仪的检测器2.漂移基线随时间单方向的缓慢变化，称基线漂移。漂移的测量通常是取0.5～1小时内的基线的变动来计算，其计量单位通常用mV/小时。噪声和漂移除与检测器本身的性能有关外，噪声还能来自于：检测器和数据处理系统的机械或电噪声；检测器加热、通气、火焰点燃、加电流等操作噪声；以及载气不纯或漏气、柱流失等噪声。而漂移大多与仪器中某些单元尚未进入稳定状态有关。如载气流量，汽化室、柱和检测器的温度，柱和隔垫的流失等。多数情况下漂移是可以控制的。检测器的噪声和漂移气相色谱仪的检测器检测器的灵敏度ΔRΔQR/mVQ最小/(mg/mL)或(g/s)2RN灵敏度和检测限是衡量检测器敏感程度的指标。1.灵敏度是指通过检测器物质响应值的变化率。即检测器按其响应特征，可分为浓度型和质量型前者Q为浓度（c）单位为(mg/mL)；后者Q为质量流量（m），单位为（g/s），因此，两者的灵敏度的计算式是不同的。QRSΔΔ气相色谱仪的检测器检测器的灵敏度1.浓度型检测器灵敏度的计算式中：h－－峰高，mmWh/2－－半峰宽，mmA－－峰面积，mm2c1－－记录器或数据处理机灵敏度，mV/mmc2－－纸速倒数，min/mmF－－经校正后的载气流速，mL/minm－－样品质量，mgmFcAcFcWmhcCRSh2122/1)/(ΔΔ气相色谱仪的检测器检测器的灵敏度2.质量型检测器灵敏度的计算式中：h－－峰高，mmWh/2－－半峰宽，mmA－－峰面积，mm2c1－－记录器或数据处理机灵敏度，mV/mmc2－－纸速倒数，min/mmm－－样品质量，mgmcAccWmhcmRSh2122/160)/(ΔΔ气相色谱仪的检测器检测器的检测限SND2检测器的检测限比较灵敏度而言是一个更重要的参数，它衡量了检测器对微小信号（由痕量组分产生）的检测能力。因为检测器在检测时必须考虑噪声这一参数。将产生两倍噪声信号时，单位体积的载气或单位时间内进入检测器的组分量称为检测限（D）。则：式中N－－噪声，mV或A；S－－检测器灵敏度；D－－检测限，其单位随S不同也有三种：ggSND2vvSND2ttSND2单位为mg/mL单位为mL/mL单位为g/s有时也用最小检测限（MDA）或最小检测浓度（MDC）作为检测限。他们分别是产生两倍噪声信号时，进入检测器的物质量（g）或浓度（mg/mL）。不少高灵敏度的检测器，如FID、NPD、ECD等往往用检测限表示检测器的性能。灵敏度和检测限是两个从不同角度表示检测器对物质敏感程度的指标，前者越大、后者越小，检测器性能越好。类型原理氢火焰离子化(FID)火焰电离（有机物）热导池(TCD)热导系数差异（通用性）氮磷(NPD)热表面电离电子捕获(ECD)化学电离火焰光度(FPD)分子发射光离子化检测器（PID）光电离微波诱导等离子体原子发射光谱检测器（MIP－AED）各类检测器氢焰检测器•氢焰检测器（Flameioizationdetector,FID）,又称氢焰离子化检测器，属于多用型微分检测器，由于它对绝大部分有机物有很高的灵敏度，因此，氢焰检测器在有机分析中得到广泛的应用。•氢焰离子化检测器的最小检出量可达10-12g，线性范围约为107。外形和气路氢焰检测器的构造比较简单，如图所示，在离子室内仅有喷嘴，极化极（又称发射极）和收集极等三个主要部件。气相色谱仪的检测器氢焰离子化检测器（FID）介绍原理：在FID中分别由收集极与极化极组成一高压静电场，FID喷嘴喷出的H2与氧气被点燃后会产生一个高温区，在高温的作用下，从柱后流出的有机物会被离子化，由于产生离子化的部位在高压静电场内，正离子移向收集极（负极），负离子和电子移向极化极（正极），从而就形成了微电流信号。当然H2、N2和AIR是无机气体不会被离子化，所以如果柱后无有机气体流出，FID就无微电流信号。空气入口氢气入口两个电极：火焰燃烧的喷嘴和收集极（加上100－300V的极化电压后用来收集火焰中的离子）。机理：化学电离，有机物在火焰中先形成自由基，然后与氧产生正离子，再同水反应生成H30+离子。223666366666OHOCHCHCHOeCOHO•特点：•灵敏度高，死体积小，应答时间快，除载气外还需引入空气和氢气，对永久性气体和水无应答。•适用范围：有机化合物，能直接用于毛细管色谱分析。•噪音：≤5×10-14A•敏感度：≤2×10-12g/S•线性：≥106•最高温度：420℃•检测过程•氢焰检测器的检测过程如下：燃烧用的氢气与柱出口流出物混合经喷嘴一道流出，在喷嘴上燃烧，助燃用的空气（氧气）均匀分布于火焰周围。由于在火焰附近存在着由收集极（正极）和极化极（负极）间所形成的静电场，当被测样品分子进入氢-氧火焰时，燃烧过程中生成的离子，在电场作用下作定向移动而形成离子流，通过高电阻取出，经微电流放大器放大，然后把信号送至记录设备（记录仪、色谱数据处理机或色谱工作站等），进行数据处理、图象显示、打印图谱和打印分析结果等。•相关事宜•①载气种类：实验表明，用氮气作载气比用其他气体（如H2、He、Ar）作载气时的灵敏度要高。•②气体比例：一般流速比为氮气:氢气:空气≈1:1:10，增大氢气和空气的流速可提高灵敏度。•③内部供氧：把空气和氢气预混合，从火焰内部供氧，这是提高灵敏度的一个比较有效的方法。•④距离恰当：收集极与喷嘴之间的距离一般以5～7毫米为宜，此距离可获较高的检测灵敏度。•⑤其他措施：维持收集极表面清洁、检测高分子量样品时适当提高检测室温度也可提高灵敏度。热导检测器（Thermalconductivitydetector,TCD）,属于多用型微分检测器，不论对有机物还是无机物一般都能响应，因此，热导检测器在分析工作中得到广泛的应用。基本构造热导检测器的热导池构造如图所示，敏感元件安装于金属（或玻璃）所制的圆筒形的池腔中，池中的敏感元件称为热导检测器的臂。利用一个或二个臂作参考臂，而另一个或两个臂作测量臂。在下图所示的惠斯登电桥中，利用二个臂作参考臂，而另两个臂作测量臂。气相色谱仪的检测器热导检测器（TCD）介绍原理：在一个处于热平衡的TCD中，组分进入测量臂池腔，就会由于气体组成的改变，引起气体热导系数的变化，气体热导系数的改变，引起热敏元件温度的变化，热敏元件的温度变化，引起热敏元件阻值的变化，热敏元件阻值的变化使惠斯顿电桥输出信号的变化。所以TCD的信号变化是各个变量相继变化的结果。-+R1R3R4R2ToWorkstationD/ADataContrD/AVoutFrommainCPUToTCDmainPowerAB接色谱柱A接色谱柱B当A、B两色谱柱都无样品流出时R1=R2=R3=R4AB两端的电压等于零气相色谱仪的检测器TCD与稳流电源的原理惠斯顿电桥5Hz单丝钨—铼热丝参比气和载气交替通过热丝温度保持恒定加上样品时电流会发生变化电流的差别被测量并