Пламенно -ионизационный детектор ( ПИД ) — это научный прибор , который измеряет аналиты в газовом потоке. Он часто используется в качестве детектора в газовой хроматографии . Измерение ионов в единицу времени делает его прибором, чувствительным к массе. [1] Автономные ПИД также могут использоваться в таких приложениях, как мониторинг свалочного газа , мониторинг неорганизованных выбросов и измерение выбросов двигателей внутреннего сгорания [2] в стационарных или переносных приборах.
Первые пламенно-ионизационные детекторы были разработаны одновременно и независимо в 1957 году Мак-Вильямом и Дьюаром в Imperial Chemical Industries of Australia and New Zealand (ICIANZ, см. историю Orica ) Central Research Laboratory, Ascot Vale, Мельбурн , Австралия . [3] [4] [5] и Харли и Преториусом в Университете Претории в Претории , Южная Африка . [6]
В 1959 году компания Perkin Elmer Corp. включила в свой паровой фрактометр детектор пламенной ионизации. [7]
Работа ПИД основана на обнаружении ионов, образующихся при сгорании органических соединений в пламени водорода . Генерация этих ионов пропорциональна концентрации органических соединений в потоке анализируемого газа.
Для обнаружения этих ионов используются два электрода , обеспечивающие разность потенциалов. Положительный электрод действует как головка сопла, где создается пламя. Другой, отрицательный электрод, располагается над пламенем. Когда он был впервые разработан, отрицательный электрод был либо каплевидной формы, либо угловатым куском платины. Сегодня конструкция была изменена в трубчатый электрод, обычно называемый коллекторной пластиной. Таким образом, ионы притягиваются к коллекторной пластине и, ударяясь о пластину, индуцируют ток. Этот ток измеряется с помощью высокоомного пикоамперметра и подается в интегратор . Способ отображения конечных данных основан на компьютере и программном обеспечении. В общем случае отображается график, на оси x которого отложено время, а на оси y — общее количество ионов.
Измеренный ток примерно соответствует доле восстановленных атомов углерода в пламени. Конкретно, как производятся ионы, не обязательно понятно, но реакция детектора определяется числом атомов углерода (ионов), попадающих на детектор в единицу времени. Это делает детектор чувствительным к массе, а не к концентрации, что полезно, поскольку реакция детектора не сильно зависит от изменений в скорости потока газа-носителя.
Измерения FID обычно сообщаются "как метан", то есть как количество метана , которое даст тот же ответ. Одно и то же количество различных химикатов дает разное количество тока в зависимости от элементного состава химикатов. Коэффициент отклика детектора для различных химикатов может использоваться для преобразования текущих измерений в фактические количества каждого химиката.
Углеводороды обычно имеют факторы отклика, которые равны числу атомов углерода в их молекуле (больше атомов углерода производят больший ток), в то время как оксигенаты и другие виды, содержащие гетероатомы , как правило, имеют более низкий фактор отклика. Окись углерода и двуокись углерода не обнаруживаются ПИД.
Измерения ПИД часто обозначаются как «общее содержание углеводородов» [8] или «общее содержание углеводородов» (ОСУ), хотя более точным названием было бы «общее содержание летучих углеводородов» (ОСЛУ) [9] [10], поскольку углеводороды, которые конденсируются, не обнаруживаются, хотя они важны, например, для безопасности при работе с сжатым кислородом.
Конструкция пламенно-ионизационного детектора различается у разных производителей, но принципы одинаковы. Чаще всего ПИД присоединяется к системе газовой хроматографии.
Элюент выходит из колонки газовой хроматографии (A) и попадает в печь детектора FID (B). Печь необходима для того, чтобы элюент не выходил из газовой фазы и не осаждался на границе раздела между колонкой и FID. Это осаждение приведет к потере элюента и ошибкам в детектировании. По мере того, как элюент перемещается вверх по FID, он сначала смешивается с водородным топливом (C), а затем с окислителем (D). Смесь элюента/топлива/окислителя продолжает перемещаться вверх к головке форсунки, где существует положительное напряжение смещения. Это положительное смещение помогает отталкивать окисленные ионы углерода, созданные пламенем (E), пиролизующим элюент. Ионы (F) отталкиваются вверх по направлению к коллекторным пластинам (G), которые подключены к очень чувствительному амперметру, который обнаруживает ионы, ударяющиеся о пластины, а затем подает этот сигнал на усилитель, интегратор и систему отображения (H). Продукты пламени в конечном итоге выводятся из детектора через выпускное отверстие (J).
Пламенно-ионизационные детекторы очень широко используются в газовой хроматографии благодаря ряду преимуществ.
Детекторы ионизации пламени не могут обнаруживать неорганические вещества, а некоторые высокооксигенированные или функционализированные виды, такие как инфракрасная и лазерная технология, могут. В некоторых системах CO и CO 2 могут быть обнаружены в FID с использованием метанизатора , который представляет собой слой никелевого катализатора, восстанавливающего CO и CO 2 до метана, который, в свою очередь, может быть обнаружен FID. Метанизатор ограничен своей неспособностью восстанавливать соединения, отличные от CO и CO 2 , и своей тенденцией к отравлению рядом химикатов, обычно встречающихся в эффлюентах газовой хроматографии.
Другим важным недостатком является то, что пламя FID окисляет все окисляемые соединения, которые проходят через него; все углеводороды и оксигенаты окисляются до углекислого газа и воды, а другие гетероатомы окисляются в соответствии с термодинамикой. По этой причине FID, как правило, оказываются последними в цепочке детекторов и также не могут использоваться для подготовительных работ.
Усовершенствованием метанизатора является реактор Polyarc , который представляет собой последовательный реактор, окисляющий соединения перед восстановлением их до метана. Этот метод может быть использован для улучшения отклика ПИД и позволяет обнаруживать гораздо больше углеродсодержащих соединений. [12] Полное преобразование соединений в метан и теперь эквивалентный отклик в детекторе также устраняют необходимость в калибровках и стандартах, поскольку все факторы отклика эквивалентны факторам отклика метана. Это позволяет проводить быстрый анализ сложных смесей, содержащих молекулы, где стандарты недоступны.