Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Тип газового детектора, используемого в газовой хроматографии
Type of gas detector used in gas chromatography
Детектор ионизации пламени (FID) – это научный прибор, измеряющий концентрацию анализируемых веществ в газовом потоке. Он часто используется в качестве детектора в газовой хроматографии. Измерение ионов в единицу времени делает этот прибор чувствительным к массе вещества. Отдельно стоящие FID также могут применяться в таких областях, как мониторинг свалочного газа, контроль утечек и измерение выбросов двигателей внутреннего сгорания в стационарных или портативных приборах.
A flame ionization detector (FID) is a scientific instrument that measures analytes in a gas stream. It is frequently used as a detector in gas chromatography. The measurement of ions per unit time makes this a mass sensitive instrument. Standalone FIDs can also be used in applications such as landfill gas monitoring, fugitive emissions monitoring and internal combustion engine emissions measurement in stationary or portable instruments.
История
Первые детекторы ионизации пламени были разработаны одновременно и независимо друг от друга в 1957 году Маквильямом и Дьюаром в Центральной исследовательской лаборатории Имперской химической промышленности Австралии и Новой Зеландии (ICIANZ, см. историю компании Orica), расположенной в Аскот-Вейл, Мельбурн, Австралия, и Харли и Преториусом в Университете Претории в Претории, Южная Африка. В 1959 году компания Perkin Elmer Corp. включила детектор ионизации пламени в состав своего парофрактометра.
The first flame ionization detectors were developed simultaneously and independently in 1957 by McWilliam and Dewar at Imperial Chemical Industries of Australia and New Zealand (ICIANZ, see Orica history) Central Research Laboratory, Ascot Vale, Melbourne, Australia. and by Harley and Pretorius at the University of Pretoria in Pretoria, South Africa. In 1959, Perkin Elmer Corp. included a flame ionization detector in its Vapor Fractometer.
Принцип работы
Работа ФИД основана на обнаружении ионов, образующихся при сгорании органических соединений в водородном пламени. Образование этих ионов пропорционально концентрации органических веществ в потоке анализируемого газа. Для обнаружения этих ионов используются два электрода, создающие разность потенциалов. Положительный электрод выполняет роль головки горелки, где формируется пламя. Другой, отрицательный электрод, располагается над пламенем. Первоначально отрицательный электрод имел форму капли или угловатый кусок платины. В настоящее время конструкция была изменена на трубчатый электрод, обычно называемый коллектором. Ионы притягиваются к коллектору и, достигая его поверхности, индуцируют ток. Этот ток измеряется высокоимпедансным пикоамметром и поступает в интегратор. Способ отображения конечных данных определяется компьютером и программным обеспечением. Как правило, отображается график, на котором по оси x отложено время, а по оси y – общий ионный ток. Измеренный ток приблизительно соответствует пропорции атомов углерода в пламени. Точный механизм образования ионов не всегда понятен, однако чувствительность детектора определяется количеством атомов углерода (ионов), достигающих детектора в единицу времени. Это делает детектор чувствительным к массе, а не к концентрации, что является преимуществом, поскольку реакция детектора слабо зависит от изменений скорости потока газа-носителя.
The operation of the FID is based on the detection of ions formed during combustion of organic compounds in a hydrogen flame. The generation of these ions is proportional to the concentration of organic species in the sample gas stream. To detect these ions, two electrodes are used to provide a potential difference. The positive electrode acts as the nozzle head where the flame is produced. The other, negative electrode is positioned above the flame. When first designed, the negative electrode was either tear drop shaped or angular piece of platinum. Today, the design has been modified into a tubular electrode, commonly referred to as a collector plate. The ions thus are attracted to the collector plate and upon hitting the plate, induce a current. This current is measured with a high impedance picoammeter and fed into an integrator. The manner in which the final data is displayed is based on the computer and software. In general, a graph is displayed that has time on the x axis and total ion on the y axis. The current measured corresponds roughly to the proportion of reduced carbon atoms in the flame. Specifically how the ions are produced is not necessarily understood, but the response of the detector is determined by the number of carbon atoms (ions) hitting the detector per unit time. This makes the detector sensitive to the mass rather than the concentration, which is useful because the response of the detector is not greatly affected by changes in the carrier gas flow rate.
Коэффициент ответа
Измерения FID обычно представляются "в пересчете на метан", то есть как количество метана, которое дало бы такой же сигнал. Одинаковое количество различных химических веществ генерирует разный ток, в зависимости от их элементного состава. Фактор чувствительности детектора для различных веществ можно использовать для перевода показаний тока в фактическое количество каждого вещества. Углеводороды обычно имеют факторы чувствительности, равные числу атомов углерода в их молекуле (чем больше атомов углерода, тем больше ток), тогда как кислородсодержащие соединения и другие вещества, содержащие гетероатомы, как правило, имеют более низкий фактор чувствительности. Оксид углерода и углекислый газ не обнаруживаются методом FID. Измерения FID часто обозначаются как "общее количество углеводородов" или "общее содержание углеводородов" (THC), хотя более точным названием было бы "общее содержание летучих углеводородов" (TVHC), поскольку конденсированные углеводороды не обнаруживаются, хотя они важны, например, с точки зрения безопасности при работе со сжатым кислородом.
FID measurements are usually reported "as methane," meaning as the quantity of methane which would produce the same response. The same quantity of different chemicals produces different amounts of current, depending on the elemental composition of the chemicals. The response factor of the detector for different chemicals can be used to convert current measurements into actual amounts of each chemical. Hydrocarbons generally have response factors that are equal to the number of carbon atoms in their molecule (more carbon atoms produce greater current), while oxygenates and other species that contain heteroatoms tend to have a lower response factor. Carbon monoxide and carbon dioxide are not detectable by FID. FID measurements are often labelled "total hydrocarbons" or "total hydrocarbon content" (THC), although a more accurate name would be "total volatile hydrocarbon content" (TVHC), as hydrocarbons which have condensed out are not detected, even though they are important, for example safety when handling compressed oxygen.
Описание
Конструкция детектора ионизации пламени варьируется от производителя к производителю, но принципы остаются одинаковыми. Чаще всего ДИП (FID) подключается к системе газовой хроматографии. Элюент выходит из газовой хроматографической колонки (А) и поступает в печь детектора ДИП (B). Печь необходима для того, чтобы элюент, сразу после выхода из колонки, не перешел из газообразной фазы и не отложился на интерфейсе между колонкой и ДИП. Такое отложение приведет к потере элюента и ошибкам при детектировании. По мере продвижения элюента по ДИП, он сначала смешивается с водородным топливом (C), а затем с окислителем (D). Смесь элюента, топлива и окислителя продолжает двигаться вверх к головке форсунки, где создается положительное смещение напряжения. Это положительное смещение помогает отталкивать окисленные углеродные ионы, образующиеся в пламени (E) при пиролизе элюента. Ионы (F) отталкиваются вверх к коллекторным пластинам (G), которые подключены к высокочувствительному амперметру, регистрирующему попадание ионов на пластины и передающему этот сигнал в усилитель, интегратор и систему отображения (H). Продукты сгорания пламени, в конечном итоге, выводятся из детектора через выпускное отверстие (J).
The design of the flame ionization detector varies from manufacturer to manufacturer, but the principles are the same. Most commonly, the FID is attached to a gas chromatography system. The eluent exits the gas chromatography column (A) and enters the FID detector’s oven (B). The oven is needed to make sure that as soon as the eluent exits the column, it does not come out of the gaseous phase and deposit on the interface between the column and FID. This deposition would result in loss of eluent and errors in detection. As the eluent travels up the FID, it is first mixed with the hydrogen fuel (C) and then with the oxidant (D). The eluent/fuel/oxidant mixture continues to travel up to the nozzle head where a positive bias voltage exists. This positive bias helps to repel the oxidized carbon ions created by the flame (E) pyrolyzing the eluent. The ions (F) are repelled up toward the collector plates (G) which are connected to a very sensitive ammeter, which detects the ions hitting the plates, then feeds that signal to an amplifier, integrator, and display system(H). The products of the flame are finally vented out of the detector through the exhaust port (J).
Преимущества
Детекторы ионизации пламени широко используются в газовой хроматографии благодаря ряду преимуществ. Стоимость: детекторы ионизации пламени относительно недороги в приобретении и эксплуатации. Низкие требования к техническому обслуживанию: за исключением очистки или замены форсунки FID, эти детекторы практически не требуют обслуживания. Прочная конструкция: FID обладают высокой устойчивостью к неправильной эксплуатации. Линейность и диапазоны детектирования: FID способны измерять концентрацию органических веществ как при очень низких (10−13 г/с), так и при очень высоких уровнях, демонстрируя линейный диапазон 107 г/с. Полное превращение соединений в метан и, как следствие, эквивалентный ответ детектора устраняют необходимость в калибровке и использовании стандартных образцов, поскольку коэффициенты чувствительности для всех соединений эквивалентны таковым для метана. Это обеспечивает быстрый анализ сложных смесей, содержащих молекулы, для которых стандартные образцы недоступны.
Flame ionization detectors are used very widely in gas chromatography because of a number of advantages. Cost: Flame ionization detectors are relatively inexpensive to acquire and operate. Low maintenance requirements: Apart from cleaning or replacing the FID jet, these detectors require little maintenance. Rugged construction: FIDs are relatively resistant to misuse. Linearity and detection ranges: FIDs can measure organic substance concentration at very low (10−13 g/s) and very high levels, having a linear response range of 107 g/s. The complete conversion of compounds to methane and the now equivalent response in the detector also eliminates the need for calibrations and standards because response factors are all equivalent to those of methane. This allows for the rapid analysis of complex mixtures that contain molecules where standards are not available.