Пламенно-ионизационный детектор

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 FID также могут использоваться в таких приложениях, как мониторинг свалочного газа , мониторинг неорганизованных выбросов и двигателей внутреннего сгорания. измерение выбросов ^[2] в стационарных или переносных приборах.

История

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]

Принцип работы

Работа ПИД основана на регистрации ионов, образующихся при сгорании органических соединений в водородном пламени . Генерация этих ионов пропорциональна концентрации органических веществ в потоке измеряемого 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.

Фактор отклика

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, как правило, имеют более низкий коэффициент отклика. Оксид углерода и диоксид углерода не обнаруживаются с помощью ПИД.

Измерения FID часто называют «общим содержанием углеводородов». ^[8] или «общее содержание углеводородов» (THC), хотя более точным названием было бы «общее содержание летучих углеводородов» (TVHC), ^[9]^[10] поскольку конденсированные углеводороды не обнаруживаются, хотя они важны, например, для обеспечения безопасности при работе со сжатым кислородом.

Описание

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 и окислителя продолжает двигаться вверх к головке сопла, где существует положительное напряжение смещения. Это положительное смещение помогает отталкивать окисленные ионы углерода, создаваемые пламенем (E), пиролизующим 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).

Преимущества и недостатки

Преимущества

Пламенно-ионизационные детекторы очень широко используются в газовой хроматографии из-за ряда преимуществ.

Стоимость: пламенно-ионизационные детекторы относительно недороги в приобретении и эксплуатации.
Низкие требования к техническому обслуживанию. Помимо очистки или замены форсунки ПИД, эти детекторы не требуют особого обслуживания.
Прочная конструкция: ПИД относительно устойчивы к неправильному использованию.
Линейность и диапазоны обнаружения: ПИД могут измерять концентрацию органических веществ при очень низких (10 ⁻¹³ г/с) и очень высоких уровней, имеющих линейный диапазон отклика 10 ⁷ г/с. ^[1]

Недостатки

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 а также его тенденцией 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.

Альтернативное решение

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. ^[12] Полное преобразование соединений в метан и теперь эквивалентный отклик детектора также устраняют необходимость в калибровках и стандартах, поскольку все коэффициенты отклика эквивалентны показателям метана. Это позволяет проводить быстрый анализ сложных смесей, содержащих молекулы, стандарты которых недоступны.

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Скуг, Дуглас А.; Холлер, Ф. Джеймс; Крауч, Стэнли Р. (27 января 2017 г.). Принципы инструментального анализа . Cengage Обучение. ISBN 9781305577213 .
^ «Принципы пламенно-ионизационного детектора» . Возгорание . Проверено 3 декабря 2014 г.
^ Скотт, RPW, 1957, Парофазовая хроматография, Эд. Д.Х. Дести (Лондон: Баттервортс), с. 131.
^ Маквильям, штат Индиана; Дьюар, РА (1958). «Пламенно-ионизационный детектор для газовой хроматографии» . Природа . 181 (4611): 760. Бибкод : 1958Natur.181..760M . дои : 10.1038/181760a0 . S2CID 4175977 .
^ Морган, ди-джей (1961). «Конструирование и работа простого пламенно-ионизационного детектора для газовой хроматографии» . Дж. Наук. Инструмент . 38 (12): 501–503. Бибкод : 1961JScI...38..501M . дои : 10.1088/0950-7671/38/12/321 . Проверено 18 марта 2009 г.
^ Харли, Дж.; Нел, В.; Преториус, В. (1 декабря 1956 г.). «Новый детектор для парофазной хроматографии» . Природа . 178 (4544): 1244. Бибкод : 1956Natur.178.1244H . дои : 10.1038/1781244b0 . ПМИД 13387685 . S2CID 4167882 .
^ «Хронология» . Perkinelmer.com . Проверено 12 декабря 2014 г.
^ ASTM D7675-2015: Стандартный метод определения общего содержания углеводородов в водороде с помощью анализатора общего содержания углеводородов (THC) на основе ПИД . АСТМ . Декабрь 2015 г. doi : 10.1520/D7675-15 .
^ «Всего углеводородов» . Analytical Chemists, Inc. Архивировано из оригинала 15 февраля 2018 года . Проверено 23 января 2017 г.
^ «Детектор газа» . Проверено 16 февраля 2024 г.
^ «Слайд 11 по презентации «Газовая хроматография»» . Slideplayer.com . Проверено 08 марта 2016 г.
^ Дауэнхауэр, Пол (21 января 2015 г.). «Количественный детектор углерода (QCD) для определения характеристик сложных смесей с высоким разрешением без калибровки». Лабораторный чип . 15 (2): 440–7. дои : 10.1039/c4lc01180e . ПМИД 25387003 .

Источники

Скуг, Дуглас А., Ф. Джеймс Холлер и Стэнли Р. Крауч. Принципы инструментального анализа. 6-е издание. США: Томсон Брукс/Коул, 2007.
Халас, И.; Шнайдер, В. (1961). «Количественный газохроматографический анализ углеводородов с помощью капиллярной колонки и пламенно-ионизационного детектора». Аналитическая химия . 33 (8): 978–982. дои : 10.1021/ac60176a034 .
Г.Х. ДЖЕФФЕРИ, Дж.БАССЕТ, Дж.МЕНДЭМ, РКДЕННИ, «УЧЕБНИК ФОГЕЛЯ ПО КОЛИЧЕСТВЕННОМУ ХИМИЧЕСКОМУ АНАЛИЗУ».

[:0-1] Jump up to: ^а ^б Скуг, Дуглас А.; Холлер, Ф. Джеймс; Крауч, Стэнли Р. (27 января 2017 г.). Принципы инструментального анализа . Cengage Обучение. ISBN 9781305577213 .

[2] «Принципы пламенно-ионизационного детектора» . Возгорание . Проверено 3 декабря 2014 г.

[3] Скотт, RPW, 1957, Парофазовая хроматография, Эд. Д.Х. Дести (Лондон: Баттервортс), с. 131.

[4] Маквильям, штат Индиана; Дьюар, РА (1958). «Пламенно-ионизационный детектор для газовой хроматографии» . Природа . 181 (4611): 760. Бибкод : 1958Natur.181..760M . дои : 10.1038/181760a0 . S2CID 4175977 .

[5] Морган, ди-джей (1961). «Конструирование и работа простого пламенно-ионизационного детектора для газовой хроматографии» . Дж. Наук. Инструмент . 38 (12): 501–503. Бибкод : 1961JScI...38..501M . дои : 10.1088/0950-7671/38/12/321 . Проверено 18 марта 2009 г.

[6] Харли, Дж.; Нел, В.; Преториус, В. (1 декабря 1956 г.). «Новый детектор для парофазной хроматографии» . Природа . 178 (4544): 1244. Бибкод : 1956Natur.178.1244H . дои : 10.1038/1781244b0 . ПМИД 13387685 . S2CID 4167882 .

[7] «Хронология» . Perkinelmer.com . Проверено 12 декабря 2014 г.

[8] ASTM D7675-2015: Стандартный метод определения общего содержания углеводородов в водороде с помощью анализатора общего содержания углеводородов (THC) на основе ПИД . АСТМ . Декабрь 2015 г. doi : 10.1520/D7675-15 .

[9] «Всего углеводородов» . Analytical Chemists, Inc. Архивировано из оригинала 15 февраля 2018 года . Проверено 23 января 2017 г.

[10] «Детектор газа» . Проверено 16 февраля 2024 г.

[11] «Слайд 11 по презентации «Газовая хроматография»» . Slideplayer.com . Проверено 08 марта 2016 г.

[12] Дауэнхауэр, Пол (21 января 2015 г.). «Количественный детектор углерода (QCD) для определения характеристик сложных смесей с высоким разрешением без калибровки». Лабораторный чип . 15 (2): 440–7. дои : 10.1039/c4lc01180e . ПМИД 25387003 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]