Детектор ионизации пламени - Flame ionization detector

Схема пламенно-ионизационного детектора для газовой хроматографии.

А пламенно-ионизационный детектор (ПИД) это научный инструмент это меры аналиты в потоке газа. Часто используется в качестве детектора в газовая хроматография. Измерение иона в единицу времени делает этот прибор чувствительным к массе.[1] Автономные FID также могут использоваться в таких приложениях, как мониторинг свалочного газа, неорганизованные выбросы мониторинг и двигатель внутреннего сгорания измерение выбросов[2] в стационарных или переносных инструментах.

История

Первые пламенно-ионизационные детекторы были разработаны одновременно и независимо в 1957 году Маквильямом и Дьюаром в Imperial Chemical Industries в Австралии и Новой Зеландии (ICIANZ, см. История Орики ) Центральная исследовательская лаборатория, Эскот Вейл, Мельбурн, Австралия.[3][4][5] и Харли и Преториус в Университет Претории в Претория, Южная Африка.[6]

В 1959 году Perkin Elmer Corp. включила пламенно-ионизационный детектор в свой паровой фрактометр.[7]

Принцип работы

Работа ПИД основана на обнаружении ионов, образующихся при горении органических соединений в водород пламя. Генерация этих ионов пропорциональна концентрации органических веществ в потоке анализируемого газа.

Измерения FID обычно указываются как «метан», что означает количество метан который даст такой же ответ. Углеводороды обычно имеют молярные факторы отклика, равные количеству атомов углерода в их молекуле, в то время как оксигенаты и другие частицы, содержащие гетероатомы как правило, имеют более низкий коэффициент отклика. Монооксид углерода и углекислый газ не обнаруживаются FID.

Измерения FID часто обозначаются как «общие углеводороды».[8] или «общее содержание углеводородов» (THC), хотя более точное название было бы «общее содержание летучих углеводородов» (TVHC),[9] поскольку конденсированные углеводороды не обнаруживаются, даже если они важны, например, для безопасность при работе со сжатым кислородом.

Чтобы обнаружить эти ионы, два электроды используются для определения разности потенциалов. Положительный электрод служит головкой сопла, где образуется пламя. Другой отрицательный электрод расположен над пламенем. Первоначально отрицательный электрод представлял собой кусок платины в форме капли или угловой части. Сегодня конструкция была преобразована в трубчатый электрод, обычно называемый коллекторной пластиной. Таким образом, ионы притягиваются к пластине коллектора и, ударяясь о пластину, индуцируют ток. Этот ток измеряется с помощью высокоимпедансного пикоамперметр и попал в интегратор. Способ отображения окончательных данных зависит от компьютера и программного обеспечения. Обычно отображается график, на котором время по оси x и общее количество ионов по оси y.

Измеренный ток примерно соответствует доле восстановленных атомов углерода в пламени. В частности, не обязательно понятно, как образуются ионы, но отклик детектора определяется количеством атомов (ионов) углерода, попадающих в детектор в единицу времени. Это делает детектор чувствительным к массе, а не к концентрации, что полезно, потому что на отклик детектора не сильно влияют изменения скорости потока газа-носителя.

Описание

Схема FID:[10] А) Капиллярная трубка; Б) Платиновый жиклер; В) Водород; Г) Воздух; Д) Пламя; F) Ионы; Ж) Коллектор; H) Коаксиальный кабель к аналого-цифровой преобразователь; J) Выход газа

Конструкция пламенно-ионизационного детектора варьируется от производителя к производителю, но принципы одинаковы. Чаще всего FID присоединяется к системе газовой хроматографии.

В элюент выходит из газовой хроматографической колонки (A) и входит в печь детектора FID (B). Печь необходима, чтобы гарантировать, что как только элюент покидает колонку, он не выходит из газовой фазы и не осаждается на границе раздела между колонкой и FID. Это осаждение приведет 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 элюент / топливо / окислитель продолжает двигаться до головки сопла, где существует положительное напряжение смещения. Это положительное смещение помогает отталкивать восстановленные ионы углерода, создаваемые пламенем (E), пиролизирующим элюент. Ионы (F) отталкиваются вверх к пластинам коллектора (G), которые подключены к очень чувствительному амперметру, который обнаруживает ионы, попадающие на пластины, а затем подает этот сигнал на усилитель, интегратор и систему отображения (H). Наконец, продукты пламени выводятся из детектора через выхлопное отверстие (J).

Преимущества и недостатки

Преимущества

Детекторы ионизации пламенем очень широко используются в газовой хроматографии из-за ряда преимуществ.

  • Стоимость. Детекторы ионизации пламени относительно недороги в приобретении и эксплуатации.
  • Низкие требования к техническому обслуживанию: помимо очистки или замены жиклера ПИД, эти детекторы не требуют значительного технического 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, имея линейный диапазон отклика 107 г / с.[1]

Недостатки

Детекторы ионизации пламени не могут обнаруживать неорганические вещества, а некоторые сильно оксигенированные или функционализированные вещества, такие как инфракрасные и лазерные технологии, могут. В некоторых системах CO и CO2 может быть обнаружен в FID с помощью метанизатор, который представляет собой слой никелевого катализатора, восстанавливающего CO и CO2 в метан, который, в свою очередь, может быть обнаружен FID. В метанизатор ограничен его неспособностью восстанавливать соединения, кроме CO и CO2 и его склонность к отравлению рядом химических веществ, обычно обнаруживаемых в сточных водах после газовой хроматографии.

Другим важным недостатком является то, что пламя ПИД окисляет все проходящие через него окисляемые соединения; все углеводороды и оксигенаты окисляются до диоксида углерода, а вода и другие гетероатомы окисляются в соответствии с термодинамикой. По этой причине FID, как правило, являются последними в цепочке детекторов, а также не могут использоваться для подготовительных работ.

Альтернативное решение

Улучшение метанизатор это Реактор Polyarc, который представляет собой последовательный реактор, который окисляет соединения перед восстановлением их до метана. Этот метод можно использовать для улучшения отклика FID и для обнаружения многих других углеродсодержащих соединений.[11] Полное преобразование соединений в метан и теперь эквивалентный отклик в детекторе также устраняет необходимость калибровки и стандартов, поскольку все факторы отклика эквивалентны показателям метана. Это позволяет проводить быстрый анализ сложных смесей, содержащих молекулы, где стандарты недоступны.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Скуг, Дуглас А .; Холлер, Ф. Джеймс; Крауч, Стэнли Р. (27 января 2017 г.). Принципы инструментального анализа. Cengage Learning. ISBN  9781305577213.
  2. ^ "Принципы пламенного ионизационного детектора". www.cambution.com. Получено 3 декабря 2014.
  3. ^ Скотт Р. П. У., 1957, Парофазная хроматография, Под ред. Д. Х. Дести (Лондон: Баттервортс), стр. 131.
  4. ^ Дьюар, Р. А. (1958). "Детектор ионизации пламенем для газовой хроматографии". Природа. 181 (4611): 760. Bibcode:1958Натура.181..760М. Дои:10.1038 / 181760a0. S2CID  4175977. | first1 = отсутствующий | last1 = (помощь)
  5. ^ Морган, Д. Дж. (1961). «Устройство и работа простого пламенно-ионизационного детектора для газовой хроматографии». J. Sci. Instrum. 38 (12): 501–503. Bibcode:1961JScI ... 38..501M. Дои:10.1088/0950-7671/38/12/321. Получено 2009-03-18.
  6. ^ Харли, Дж .; Nel, W .; Преториус, В. (1 декабря 1956 г.). «Новый детектор для парофазной хроматографии». Природа. 178 (4544): 1244. Bibcode:1956Натура.178.1244H. Дои:10.1038 / 1781244b0. PMID  13387685. S2CID  4167882.
  7. ^ "График". Perkinelmer.com. Получено 12 декабря 2014.
  8. ^ ASTM D7675-2015: Стандартный метод испытаний для определения общего количества углеводородов в водороде анализатором общего количества углеводородов (THC) на основе FID. ASTM. Декабрь 2015 г. Дои:10.1520 / D7675-15.
  9. ^ «Всего углеводородов». Analytical Chemists, Inc.. Получено 23 января 2017.
  10. ^ «Слайд 11 по презентации« Газовая хроматография »». slideplayer.com. Получено 2016-03-08.
  11. ^ Дауэнхауэр, Пол (21 января 2015 г.). «Количественный детектор углерода (КХД) для определения характеристик сложных смесей с высоким разрешением без калибровки». Лабораторный чип. 15 (2): 440–7. Дои:10.1039 / c4lc01180e. PMID  25387003.

Источники

  • Скуг, Дуглас А., Ф. Джеймс Холлер и Стэнли Р. Крауч. Принципы инструментального анализа. 6-е издание. США: Томсон Брукс / Коул, 2007.
  • Halász, I .; Шнайдер, В. (1961). «Количественный газохроматографический анализ углеводородов с капиллярной колонкой и детектором пламенной ионизации». Аналитическая химия. 33 (8): 978–982. Дои:10.1021 / ac60176a034.
  • G.H. ДЖЕФФЕРИ, Дж. БАССЕТ, Дж. МЕНДАМ, Р. К. ДЕННИ, "УЧЕБНИК КОЛИЧЕСТВЕННОГО ХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ФОГЕЛЯ".