【资料】－热导检测器（TCD）原理及操作注意事项

二、热导池由热敏元件和池体组成
1 热敏元件
热敏元件是TCD的感应元件，其阻值随温度变化而改变，它们可以是热敏电阻或热丝。

（1）热敏电阻 热敏电阻由锰、镍、钴等氧化物半导体制成直径约为 0.1～1.0mm的小珠，密封在玻壳内。
热敏电阻有三个优点：①热敏电阻阻值大（5～50kΩ），温度系数亦大，故灵敏度相当高。可直接作μg/g级的痕量分析；②热敏电阻体积小，可作成0.25mm直径的小球，这样池腔可小至50μL；③热敏电阻对载气流的波动不敏感，它耐腐蚀性和抗氧化。

热敏电阻也有三个缺点：①热敏电阻#$%的响应值随温度的增加而快速下降，因此，通常热敏电阻要在120℃以下使用。使用范围受到极大的限制；②与热丝相比，热敏电阻的温度系数大，表现为其响应值对于温度的变化十分敏感。例如在60℃时，池温改变1℃，热敏电阻和热丝的基线漂移分别为10.4mV和5.0mV，前者比后者大一倍多，因此，热敏电阻的稳定性差，特别是在程升操作时，尤为突出；③热敏电阻对还原条件十分敏感，故不能用氢气作载气。

目前，只有下二情况可用热敏电阻作热敏元件；一是低温痕量分析；二是需小池体积配毛细管柱。其他情况很少用热敏电阻，而多用热丝。而且，近年热敏电阻可作成小池体积的优势也在逐渐下降。

（2）热丝 一个性能优异的TCD，对热丝的要求主要考虑四点：①电阻率高，以便可在相同长度内得到高阻值；②电阻温度系数大，以便通桥流加热后得到高阻值；③强度好；④耐氧化或腐蚀。①、②是为了获得高灵敏度，同时丝体积小，可缩小池体积，制作微TCD。③、④是为了获得高稳定性。表 3 -2-3 列出了商品TCD中常用的热丝性能。

钨丝电阻率低，相同长度之阻值只有铁铼丝的一半，灵敏度难以提高。另外，钨丝强度差，高温下易氧化，致使噪声增加、信!噪比下降。

铼-钨丝与钨丝相比，电阻率高，电阻温度系数略低。因S值大体上正比于α√ρ。3％、5％铼-钨丝和钨丝的α√ρ值分别为12.2×103、11.7×103、10.29 ×103。可见铼钨丝之α√ρ值均高于钨丝。故前者有利于提高灵敏度。

另外，铼钨丝与钨丝相比，拉断力显著提高，且高温特性好，故性能稳定。但它仍存在高温下易氧化的问题。现在高性能TCD均用铼钨丝。如HP6890型，岛津GC-17A型的μ-TCD热丝。

铼钨丝有两种系列：纯钨加铼（W-Re）合金丝和掺杂钨加铼（Wal2-Re）合金丝。在电阻率、加工成型性能和高温强度等方面，后者均优于前者。因此，在相同结构设计和操作条件下，选用后者可获得较高电阻值。掺杂钨加铼合金丝中，其阻值和TCD灵敏度均随掺铼量的增加而提高，见表 3-2-4。

可以看出，简单地改变Re的配比，可使灵敏度提高一倍。

镀金铼钨丝是指先在支架上焊未镀金铼钨丝，经严格清洗后，再在电解槽中直接镀金的铼钨丝。阻值虽约下降11%，在相同桥流下灵敏度下降约30%，但其抗氧化性和耐腐蚀性显著提高，兼顾了灵敏度和稳定性。先镀金后焊至支架上的镀金铼钨丝，效果较差。

近年Valco公司推出了铁镍合金丝，据称可极大地提高灵敏度，且避免了铼-钨丝的氧化问题。
热丝的安装通常是将其固定在一支架上，放入池体的孔道中。支架可做成各种形式，见图3-2-3。

2. 池体
池体是一个内部加工成池腔和孔道的金属体。池材料早期多用铜，因它的热传导性能好，但它防腐性能差。故近年已为不锈钢形式示意图所取代。通常将内部池腔和孔道的总体积称池体积。早期TCD的池体积多为 500-800μL，后减小至100-500μL，仍称通常TCD。它适用于填充柱。近年发展了微TCD，其池体积均在100μL以下，有的达3.5μL，它适用于毛细管柱。

（1）通常TCD池 通常TCD池按载气对热丝的流动方式（见图3-2-4）可分直通式（a）、扩散式（b）和半扩散式（c），三种流型性能比较见表3-2-5。



（2）微型TCD池 由于池体积已减小至几微升，甚至200nL，故在μ-TCD中，载气流动方式已不像通常TCD那样明显，基本上可分成直通和准直通式两种，图3-2-5 列出了几种μ-TCD池结构。


可以看出，μ-TCD池腔体积仅数微升或数十微升，标准毛细管柱可直接与之相连，基本上不会造成峰扩张。当然在灵敏度许可的情况下，适当加尾吹气，对改善峰形还是十分有利的。

μ-TCD池腔体积虽小，但是为使其工作稳定，池块还应有适当的质量，以保证恒温效果，从而使基线稳定。

三、检测条件的选择
(一)、载气种类、纯度和流量
1. 载气种类

TCD通常用He或H2作载气，因为它们的热导系数远远大于其他化合物。用He或H2作载气的TCD，其灵敏度高，且峰形正常，响应因子稳定，易于定量，线性范围宽。北美多用氦作载气，因它安全。其他地区因氦太昂贵，多用氢。氢载气的灵敏度最高，只是操作中要注意安全，另外，还要防止样品可能与氢反应。
N2或Ar作载气，因其灵敏度低，且易出W峰，响应因子受温度影响，线性范围窄，通常不用。但若分析He或H2时，则宜用N2或Ar作载气。避免用He作载气测H2或用H2作载气测He。用N2或Ar载气时需注意，因其热导系数小，热丝达到相同温度所需的桥流值，比He或H2载气要小得多。

毛细管柱接TCD时，最好都加尾吹气，即使是池体积为3.5µL的µ-TCD，HP公司也建议加尾吹气。尾吹气的种类同载气。

降低TCD池的压力，不仅可避免加尾吹气。而且还可提高TCD的灵敏度。如140µL池体积TCD与50µm内径毛细管柱相连。在约500Pa（4mmHg）低压下操作时，其池体积相当于0.7µL，灵敏度提高近200倍。

2. 载气纯度
载气纯度影响TCD的灵敏度。实验表明：在桥流 160-200mA范围内，用99.999%的超纯氢气比用99%的普氢灵敏度高6%-13%。
载气纯度对峰形亦有影响，用TCD作高纯气中杂质检测时，载气纯度应比被测气体高十倍以上，否则将出倒峰。

3. 载气流速
TCD为浓度型检测器，对流速波动很敏感，TCD的峰面积响应值反比于载气流速。因此，在检测过程中，载气流速必须保持恒定。在柱分离许可的情况下，以低些为妥。流速波动可能导致基线噪声和漂移增大。对微TCD，为了有效地消除柱外峰形扩张，同时保持高灵敏度，通常载气加尾吹的总流速在10-20mL/min。参考池的气体流速通常与测量池相等，但在作程升时，可调整参考池之流速至基线波动和漂移最小为佳。

(二)、桥电流
桥流（I）与TCD的灵敏度（S），噪声（N）和检测限（D）的关系见图3-2-16A，B，C曲线。

由图3-2-16可见，桥电流可显著提高TCD的灵敏度。一般认为S值与I2.8成正比。所以，用增大桥流来提高灵敏度是最通用的方法。但是桥流的提高又受到噪声和使用寿命的限制。若桥流偏大，噪声即由逐渐增加变成急剧增大，见曲线B。其结果是信噪比下降，检测极限变大，即曲线C又复上升。另外，桥流越高，热丝越易被氧化，使用寿命越短。过高的桥流甚至使热丝烧断。所以，在满足分析灵敏度要求的前提下，选取桥流以低为好，这时噪声小，热丝使用寿命长。在追求该TCD最大灵敏度的情况下，则选信/噪比最大时之桥流，这时检测极限最低，即曲线C之最低点。但长期在低桥流下工作，可能造成池污染，这时可用溶剂清洗TCD池。

一般商品TCD使用说明书中，均有不同检测器温度时推荐使用的桥流值，见图 3-2-17。通常参考此值设定桥流。


(三)、检测器温度
TCD的灵敏度与热丝和池体间的温差成正比。显然，增大其温差有二个途径：一是提高桥流，以提高热丝温度；二是降低检测器池体温度。这决定于被分析样品的沸点。检测器池体温度不能低于样品的沸点，以免在检测器内冷凝。因此，对沸点不很低的样品，采用此法提高灵敏度是有限的，而对气体样品，特别是永久性气体，可达较好的效果。

四、使用注意事项
为了充分发挥TCD的性能和避免出现异常，在使用中应注意以下几个方面。

1. 确保毛细管柱插入池深度合适
柱相对于检测器池的插入位置十分重要，它影响到最佳灵敏度和峰形。
毛细管柱端必须在样品池的入口处，若毛细管柱插入池体内，则灵敏度下降，峰形差，若毛细管柱离池入口处太远，峰变宽和拖尾，灵敏度亦低。
装柱应按气相色谱仪说明书的要求操作。如果说明书未明确装柱要求，即以得到最大的灵敏度和最好的峰形为最佳位置。

2. 避免热丝温度过高而烧断
任何热丝都有一最高承受温度，高于此温度则烧断。热丝温度的高低是由载气种类、桥电流和池体温度决定的。如载气热导率小，桥电流和池体温度高，则热丝温度就高，反之亦然。

一般商品色谱仪在出厂时，均附有此三者之间的关系曲线（见图3-2-17），按此调节桥电流，就能保证热丝温度不会太高。


图3-2-17中推荐的最大桥电流值，是指在无氧存在的情况，如果有氧接触，则会急速氧化而烧断。因此，在使用TCD时，务必先通载气，检查整个气路的气密性是否完好，调节TCD出口处的载气流速至一定值，并稳定10-15min后，才能通桥流。工作过程中，如需要更换色谱柱、进样隔垫或钢瓶，务必先关桥流，而后换之。虽然近年仪器已有过流保护装置，当载气中断或桥流过大时，可自动切断桥流，但操作时不要依赖此装置。操作者应主动避免出现异常为妥。

3. 避免样品或固定液带来的异常
（1）样品损坏热丝 酸类、卤代化合物、氧化性和还原性化合物，能使测量臂热丝的阻值改变，特别是注入量很大时，尤为严重。因此，最好尽量避免用TCD作这些样品的分析，如果一定要作，则在保证能正常定量的前提下，尽量使样品浓度低些，桥流小些。这样工作一段时间后，如果TCD不平衡或基线长期缓慢漂移，可使“测量”和“参考”二臂对换，如此交替使用，可缓解此异常。

（2）样品或固定液冷凝 高沸点样品或固定液在检测器中或检测器出口连接管中冷凝，将使噪声和漂移变大，以至无法正常工作。在日常工作中注意以下三点，即可避免此异常发生：①切勿将色谱柱连至检测器上进行老化；②检测器温度一般较柱温高20-30℃；③开机时，先将检测器恒温箱升至工作温度后，再升柱温。

4. 确保载气净化系统正常
载气中若含氧，将使热丝长期受到氧化，有损其寿命，故通常载气和尾吹气应加净化装置，以除去氧气。载气净化系统使用到一定时间，即因吸附饱和而失效，应立即更换之，以确保正常净化。如未及时更换，此净化系统就成了温度诱导漂移的根源。当室温下降时净化器不再饱和，它又开始吸附杂质，于是基线向下漂移。当室温升高，净化器处于气固平衡状态，向气相中解吸杂质增多，于是基线向上漂移。

5. 注意程序升温时调整基线漂移最小
对双气路气相色谱仪，将参考和测量气路的流量调至相等，通常作恒温分析时，很正常；但在作程序升温时，可能基线漂移较大。这时，为使基线漂移最小，可作如下调整：①调参考和测量气路流量相等；②作程升至最高温度保持一段时间，同时记录基线漂移；③调参考气流量使记录笔返回到程升的起始位置，结束本次程升程序；④重复②、③操作，直至理想。

6. 注意TCD恒温箱的温度控制精度
表3-2-13列出了由于外界因素对TCD响应值的影响。


可以看出热丝温度对灵敏度影响最大，温度改变1℃灵敏度变化竟达12400µV。当然，除要求桥流稳定外，检测器温度的波动亦严重影响丝温。所以TCD灵敏度越高，要求检测器的温度控制精度亦越高。一般均应小于±0.01℃。如果出现基线缓慢来回摆动，一周期约几分钟，即可能与温控精度不够有关。

上传内容节选自《色谱分析方法应用》；以下是Word文档：
热导检测器（TCD）原理及操作注意事项