色谱仪检测器概述（五）
第五节 氮磷检测器
氮磷检测器（NPD）又称热离子化检测器、热离子发射检测器或碱火焰电离检测器等，对氮和磷化合物的检测灵敏度高，选择性强，线性范围宽。目前NPD已成为测定含氮化合物zui理想的气相，对含磷化合物的灵敏度也高于FPD。由于NPD专一性强，可用于复杂样品直接进样分析，避免麻烦耗时的样品前处理，大大简化分析方法。
一、结构：
NPD与FID结构相似，两者的差异是NPD在喷嘴与收集极之间有一个热电离源，热电离源通常采用涂有碱金属盐的陶瓷珠（早期NPD的电离源是小球状，目前不限于小球状）。当样品蒸气和氢气流通过碱金属盐表面时，含氮和磷化合物会从碱金属蒸气上获得电子，失去电子的碱金属形成盐再沉积到陶瓷珠表面。
1964年最初研制的钠火焰电离检测器，对含磷和卤素化合物有选择性响应。以后又有多种形式，均是用氢火焰加热挥发性的碱金属盐，产生碱金属蒸气，对含氮、磷、卤素化合物均有极高的灵敏度和选择性。遗憾的是其背景信号和样品信号均不稳定，噪声大，热电离源寿命短，难以实用。
1974年采用不易挥发性碳酸铷和二氧化硅烧结成的硅酸铷珠，在冷氢焰中用电加热，检测器的稳定性明显改善，灵敏度显著提高，背景基流从10ˉ9A降至10ˉ13A。对含卤素化合物不敏感，而对含氮和磷化合物的响应比对烃类大10000倍，达专一性响应。
氮磷检测器（NPD）是由碱火焰电离检测器（AFID）发展而来，两者区别如下：
1、热电离源：
（1）NPD：非挥发性的硅酸铷玻璃珠。
（2）AFID：挥发性的碱金属盐。
2、加热方式：
（1）NPD：硅酸铷玻璃珠熔融在一根螺旋铂丝上用电加热，H2流量仅几mL/min，为冷氢焰加热。
（2）AFID：热氢焰加热。
3、性能：
（1）NPD：稳定性明显改善，灵敏度显著提高，背景基流从10ˉ9A降至10ˉ13A。对含卤素化合物不敏感，而对含氮和磷化合物的响应比对烃类大10000倍，达专一性响应。
（2）AFID：对含氮、磷、卤素化合物均有极高的灵敏度和选择性，但背景信号和样品信号均不稳定，噪声大，热电离源寿命短，难以实用。
二、工作原理：
1、NPD主要利用以下三个条件达到检测目的：
（1）氢火焰：氢火焰为有机物分子燃烧和碱盐的蒸发、化学离解提供基本条件。
（2）碱金属盐：在喷嘴上方附加碱金属盐片，如氟化钠、硫酸钠、溴化铯和硫酸铷等。
（3）样品特性：含电负性原子的有机物在氢火焰中燃烧时，明显增加碱盐蒸发和化学离解。
2、气相电离理论：
NPD工作原理有不同的解释。气相电离理论认为，将NPD的H2流量降至2～6mL/min，在喷嘴处不足以形成正常燃烧的氢火焰，只能在电离源表面附近形成一层化学活性很高的冷氢焰。此时，电离源表面温度为600～800℃。当氮和磷化合物进入冷氢焰区，发生热化学分解，产生CN、PO和PO2等电负性基团。电负性基团从电离源被加热后挥发出的激发态铷原子中得到电子，产生CNˉ、POˉ和PO2ˉ等负离子，铷原子变成Rb+。在高压电场的作用下，负离子移向正电位的收集极，产生信号。Rb+又回到负电位的电离源表面被吸收还原，以维持电离源的长期使用。烃类在冷氢焰中不发生电离，因而NPD对含氮和磷化合物专一性响应。
3、决定NPD响应特性的因素：
（1）电离源表面的功函数：
电离源表面的功函数是指从电离源表面除去一个电子所需要的能量大小。
由电离源的化学组成决定。
（2）电离源表面的温度：
由加热电流大小决定。
（3）电离源表面周围气体层的成分：
由进入检测器的气体类型和在操作温度下的化学活性决定。
改变这三个参数，可将NPD拓展为多种不同的响应形式。
三、特点：
1、优点：
（1）对含氮和磷化合物的检测灵敏度高，选择性强，线性范围宽。目前已成为测定含氮化合物zui理想的GC检测器，对含磷化合物的灵敏度也高于FPD。
（2）由于NPD专一性强，可用于复杂样品直接进样分析，避免麻烦耗时的样品前处理，大大简化分析方法。
2、缺点：
NPD的主要缺点是随着使用时间增长，性能变差，最后响应极小，必须换新电离源。
为了达到要求的响应值，可提高NPD加热电流，但使用一段时间后，响应值又逐渐降低，须再提高其加热电流，如此多次提高加热电流，以保持NPD的正常工作。响应值下降的一般规律是使用初期下降速度快，后期下降速度慢。为了避免换新电离源后基线漂移太大，通常在使用前要预老化。
通常电离源的使用寿命在1000h左右，陶瓷电离源寿命可达2000h以上。电离源使用相当长时间后，如果加热电流调至正常值甚至更高，样品仍无响应或电离源无灼热状，表明电离源已耗尽，需更换新电离源。
碱盐损耗的原因尚未明确。电离源的活性成分通常是碱金属硅酸盐，虽然碱金属可再循环，但H2燃烧产生的水蒸汽可将碱金属硅酸盐转变成碱金属氢氧化物和游离硅，该碱金属氢氧化物在操作温度下有较大的蒸气压，不断地流失，最后所有的碱金属挥发完，留下惰性的硅。碱金属是通过与氢交换而损失，采用低H2流量操作，可有效延长电离源的寿命。
四、检测条件：
1、加热电流：
基流和响应值均随加热电流的增加而增大。实际工作中，可用基流为标记来调节加热电流的大小。
调节基流的原则是在达到检测下限的前提下，宁小勿大。如已满足分析要求，仍加大加热电流，即使检测下限还可下降，但已意义不大。相反，会缩短电离源的寿命。低基流使电离源寿命长，但过低可能造成溶剂猝灭。
一般设定基流后20～60min，基线即稳定。
2、载气流量：
NPD是质量型检测器，基流和响应值均随载气流量的增加而增大。在恒加热电流的NPD中，载气还起着冷却电离源表面温度的作用。实验表明，载气对后者的影响大于前者。因此，载气流量越大，降温越大，基流和响应值越低。
在相同流量下，N2载气的基流大于He载气。原因是N2主要以对流方式散热，He是传导和对流同时进行。
3、H2流量：
H2和空气流量对电离源周围气体层成分影响极大，特别是H2强烈地影响着气体层的活性。
与载气和空气流量相比，H2流量十分小，但数mL/min的变化，会使基流和响应值大幅度地升降。N2作载气时，当H2流量为1.5～8.3mL/min；He作载气时，当H2流量为2～6.8mL/min，NPD对含氮和磷化合物表现出高度的专一性响应。
N2作载气时，当H2流量大于8.3mL/min；He作载气时，当H2流量大于6.8mL/min时，开始出现烃类的响应。原因是这时H2已着火，冷氢焰变成了热氢焰。H2流量大于着火点后，含氮和磷化合物的灵敏度和专一性消失，NPD成了FID。
通常H2流量选择在2～6mL/min，以2.5～4.5mL/min为zui优。
4、空气流量：
空气流量的影响有两方面：一是维持冷氢焰具有一定的活性，二是降低电离源表面温度。总的影响结果与载气相似。N2作载气时，随着空气流量的增加，基流明显下降。这是H2被稀释和电离源表面冷却的结果。
He作载气时，随空气流量的增加，基流逐渐上升后再逐渐下降。这是因为空气对电离源表面温度的影响小于He。
通常空气流量选择在60～200mL/min。
五、使用注意事项：
为了NPD保持性能最优，预防损坏和出现事故，使用中需注意以下事项：
1、电离源的维护：
（1）电离源老化时，切勿将色谱柱连至检测器。可将色谱柱卸下后用螺丝将检测器入口密封，通H2和空气老化。
（2）开加热电源后，应逐渐升高加热电流，切勿突然用大电流加热电离源。
（3）只要H2流量能满足灵敏度等分析要求，应尽量用低H2流量，以延长电离源寿命。
（4）关电加热前，务必先将加热旋钮退回至不加热状态，然后关电源。以防下次开电源时加热电流过大。
（5）如果较长时间不工作，应关闭加热电流，以延长电离源寿命。
2、避免大量具电负性化合物进入检测器：
（1）应避免使用氯代烃溶剂，如CH2Cl2和CHCl3等，它会使灵敏度急剧下降。虽然以后灵敏度还会逐渐恢复，但会影响使用寿命。水、甲醇和乙醇等溶剂对电离源的性能和寿命也有一定影响，要尽量避免使用。
（2）切勿用带氰基的固定液，如OV－275和XE－60等，避免用磷酸处理载体和玻璃毛等。
（3）如NPD长期闲置在高温度环境中，检测器内可能积水，会造成基流升高。这时，可在通气的情况下，将检测器温度逐渐升至70℃和100℃各保持30min，再升至150℃保持10min，基流即可降至1pA以下。平时正常使用时，检测器温度应保持在150℃以上。
3、H2的安全和对NDP性能的影响：
（1）切勿让H2漏入柱恒温箱，以防爆炸。
（2）不要用H2作载气，它将极大地影响NPD的灵敏度和专一性。如一定要用H2作载气，流量必须小于3mL/min。
4、其它：
（1）NPD对柱流失和气路漏气不象FID那样敏感，因为它是对含氮和磷化合物专一性响应的检测器。尽管如此，实际工作中还是应避免出现这些异常。
（2）用聚硅氧烷类固定液和分析大量硅烷化衍生物样品后，电极和喷嘴均必须定期清洗。
（3）若检测器出现故障，几乎总是由于操作条件或传感器部分不妥所致。
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技术原理
