Пламенно -ионизационный детектор ( ПИД ) — это научный прибор , измеряющий аналиты в потоке газа. Его часто используют в качестве детектора в газовой хроматографии . Измерение количества ионов в единицу времени делает этот прибор чувствительным к массе. [1] Автономные ПИД также могут использоваться в таких приложениях, как мониторинг свалочных газов , мониторинг неорганизованных выбросов и измерение выбросов двигателей внутреннего сгорания [2] с помощью стационарных или портативных приборов.
Первые пламенно-ионизационные детекторы были разработаны одновременно и независимо в 1957 году Мак-Вильямом и Дьюаром в Центральной исследовательской лаборатории Imperial Chemical Industries Австралии и Новой Зеландии (ICIANZ, см. историю Orica ), Аскот-Вейл, 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 пламенно-ионизационный детектор в свой фрактометр паров. [7]
Работа ПИД основана на регистрации ионов, образующихся при сгорании органических соединений в водородном пламени . Генерация этих ионов пропорциональна концентрации органических веществ в потоке анализируемого газа.
Для обнаружения этих ионов используются два электрода , обеспечивающие разность потенциалов. Положительный электрод действует как головка сопла, в которой образуется пламя. Другой отрицательный электрод расположен над пламенем. При первой разработке отрицательный электрод имел каплевидную форму или угловатый кусок платины. Сегодня конструкция была модифицирована в трубчатый электрод, обычно называемый коллекторной пластиной. Таким образом, ионы притягиваются к пластине коллектора и при попадании в пластину индуцируют ток. Этот ток измеряется высокоомным пикоамперметром и подается на интегратор . Способ отображения окончательных данных зависит от компьютера и программного обеспечения. Обычно отображается график, на котором время указано на оси X, а общее количество ионов — на оси Y.
Измеренный ток примерно соответствует доле восстановленных атомов углерода в пламени. Не совсем понятно, как именно образуются ионы, но отклик детектора определяется количеством атомов углерода (ионов), попадающих на детектор в единицу времени. Это делает детектор чувствительным к массе, а не к концентрации, что полезно, поскольку на отклик детектора не сильно влияют изменения скорости потока газа-носителя.
Измерения FID обычно сообщаются «как метан», то есть как количество метана , которое даст такой же отклик. Одно и то же количество разных химикатов производит разную силу тока в зависимости от элементного состава химикатов. Коэффициент чувствительности детектора для различных химических веществ можно использовать для преобразования текущих измерений в фактические количества каждого химического вещества.
У углеводородов обычно коэффициент отклика равен числу атомов углерода в их молекуле (больше атомов углерода производит больший ток), в то время как оксигенаты и другие соединения, содержащие гетероатомы , имеют тенденцию иметь более низкий коэффициент отклика. Оксид углерода и диоксид углерода не обнаруживаются с помощью ПИД.
Измерения FID часто обозначаются как «общее содержание углеводородов» [8] или «общее содержание углеводородов» (THC), хотя более точным названием было бы «общее содержание летучих углеводородов» (TVHC), [9] , поскольку конденсированные углеводороды не обнаружены, хотя они важны, например, безопасность при работе со сжатым кислородом.
Конструкция пламенно-ионизационного детектора варьируется от производителя к производителю, но принципы одинаковы. Чаще всего ПИД присоединяется к системе газовой хроматографии.
Элюент выходит из газовой хроматографической колонки (А) и поступает в термостат ПИД-детектора (В). Печь нужна для того, чтобы элюент, покинув колонку, не вышел из газовой фазы и не отложился на границе раздела между колонкой и ПИД. Такое осаждение может привести к потере элюента и ошибкам в обнаружении. По мере продвижения элюента вверх по ПИД он сначала смешивается с водородным топливом (C), а затем с окислителем (D). Смесь элюента/топлива/окислителя продолжает двигаться к головке сопла, где существует положительное напряжение смещения. Это положительное смещение помогает отталкивать окисленные ионы углерода, создаваемые пламенем (E), пиролизирующим элюент. Ионы (F) отталкиваются вверх к коллекторным пластинам (G), которые подключены к очень чувствительному амперметру, который обнаруживает ионы, попадающие на пластины, а затем передает этот сигнал на усилитель, интегратор и систему отображения (H). Продукты пламени окончательно выводятся из детектора через выпускное отверстие (J).
Пламенно-ионизационные детекторы очень широко используются в газовой хроматографии из-за ряда преимуществ.
Пламенно-ионизационные детекторы не могут обнаруживать неорганические вещества, а некоторые вещества с высоким содержанием кислорода или функционализированные вещества, такие как инфракрасные и лазерные технологии, могут. В некоторых системах CO и CO 2 можно обнаружить в ПИД с помощью метанизатора , который представляет собой слой никелевого катализатора, который восстанавливает CO и CO 2 до метана, который, в свою очередь, может быть обнаружен ПИД. Метанизатор ограничен своей неспособностью восстанавливать другие соединения, кроме CO и CO 2 , и его склонностью к отравлению рядом химических веществ, обычно встречающихся в отходах газовой хроматографии .
Другим важным недостатком является то, что пламя ПИД окисляет все проходящие через него окисляющиеся соединения; все углеводороды и оксигенаты окисляются до углекислого газа, а вода и другие гетероатомы окисляются согласно термодинамике. По этой причине ПИД обычно располагаются последними в цепочке детекторов и также не могут использоваться для подготовительных работ.
Усовершенствованием метанизатора является реактор Polyarc , который представляет собой реактор последовательного действия, который окисляет соединения перед восстановлением их до метана. Этот метод можно использовать для улучшения отклика ПИД и обеспечения возможности обнаружения большего количества углеродсодержащих соединений. [11] Полное преобразование соединений в метан и теперь эквивалентный отклик детектора также устраняют необходимость в калибровках и стандартах, поскольку все коэффициенты чувствительности эквивалентны показателям метана. Это позволяет проводить быстрый анализ сложных смесей, содержащих молекулы, стандарты которых недоступны.