Ανιχνευτής ιονισμού φλόγας

Ο ανιχνευτής ιονισμού φλόγας (flame ionization detector, FID) είναι ένα επιστημονικό όργανο που μετρά ένα συστατικό σε ένα αέριο ρεύμα. Χρησιμοποιείται συχνά ως ανιχνευτής στην αέρια χρωματογραφία. Καθώς έχει τη δυνατότητα να μετράει ιόντα ανά μονάδα χρόνου, αποτελεί ένα όργανο μέτρησης μάζας. Αυτόνομοι ανιχνευτές FID μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές όπως η παρακολούθηση των εκπομπών αερίων σε χώρους υγιονομικής ταφής, η παρακολούθηση των διαφεύγουσων εκπομπές και παρακολούθηση των εκπομπών κινητήρων εσωτερικής καύσης σε σταθερά ή φορητά όργανα.

Ιστορία

Οι πρώτοι ανιχνευτές ιονισμού φλόγας αναπτύχθηκαν ταυτόχρονα και ανεξάρτητα το 1957 από τους Μακγουίλιαμ (McWilliam) και Ντιούαρ (Dewar) στο στις Βασιλικές Χημικές Βιομηχανίες (Imperial Chemical Industries) της Αυστραλίας και της Νέας Ζηλανδίας (ICIANZ, δείτε Orica#History) Κεντρικό Ερευνητικό Εργαστήριο, Ascot Vale, Μελβούρνη, Αυστραλία. και από την Χάρλεϊ (Harley) και Πρετόριους (Pretorius) στο Πανεπιστήμιο της Πρετόρια, στην Πρετόρια, Νότια Αφρική.
Το 1959, η Perkin Elmer Corp. συμπεριέλαβε έναν ανιχνευτή ιονισμού φλόγας σ έναν από τους πρώτους αέριους χρωματογράφους της το Vapor Fractometer

Αρχή λειτουργίας

Η λειτουργία του FID βασίζεται στην ανίχνευση των ιόντων που σχηματίζονται κατά την καύση οργανικών ενώσεων σε μια φλόγα υδρογόνου. Η παραγωγή αυτών των ιόντων είναι ανάλογη της συγκέντρωσης των οργανικών ουσιών στο αέριο ρεύμα του δείγματος.
Οι μετρήσεις FID αναφέρονται συνήθως ως "όπως το μεθάνιο", εννοώντας την ποσότητα του μεθανίου, που θα παρήγαγε την ίδια απόκριση. Οι υδρογονάνθρακες έχουν γενικά παράγοντες μοριακής απόκρισης που είναι ίσοι με τον αριθμό των ατόμων άνθρακα στο μόριο τους, ενώ οξυγονούχες ενώσεις και άλλα είδη που περιέχουν ετεροάτομα τείνουν να έχουν χαμηλότερο συντελεστή απόκρισης. Το μονοξείδιο του άνθρακα και το διοξείδιο του άνθρακα δεν είναι ανιχνεύσιμα από το FID.
Οι μετρήσεις FID χαρακτηρίζονται συχνά "ολικοί υδρογονάνθρακες" ή "ολική συγκέντρωση υδρογονανθράκων" (THC), αν και μια πιο ακριβής ονομασία θα είναι "ολική συγκέντρωση πτητικών υδρογονανθράκων" (TVHC), , καθώς οι υδρογονάνθρακες που παρήχθησαν δεν εντοπίζονται, παρόλο που είναι σημαντικοί π.χ. για την ασφάλεια όπως κατά το χειρισμό πεπιεσμένου οξυγόνου.

Μειονεκτήματα

Οι ανιχνευτές ιονισμού φλόγας δεν μπορούν να ανιχνεύσουν ανόργανες ουσίες και ορισμένες υψηλά οξυγονωμένες ή εξειδικευμένες ουσίες όπως μπορούν ανιχνευτές υπέρυθρου ή λέιζερ. Σε μερικά συστήματα, το CO και το CO₂ μπορούν να ανιχνευθούν στον FID χρησιμοποιώντας ένα μεθανοποιητή, που είναι μία κλίνη καταλύτη Ni που ανάγει το CO και το CO₂ σε μεθάνιο, το οποίο μπορεί με τη σειρά του να ανιχνευτεί από το FID. Ο μεθανοποιητής αδυνατεί να ανάγει ενώσεις, άλλες από CO και CO₂, και έχει την τάση να δηλητηριάζεται από μια σειρά από χημικών ουσιών που βρίσκονται συνήθως στην έξοδο των αναλυτών GC.
Ένα άλλο σημαντικό μειονέκτημα είναι ότι η φλόγα του FID οξειδώνει όλες τις οξειδώσιμες ενώσεις που περνούν μέσα από αυτόν, όλοι οι υδρογονάνθρακες και οις οξυγονούχες ενώσεις οξειδώνονται σε διοξείδιο του άνθρακα και νερό και τα άλλα ετεροάτομα οξειδώνονται σύμφωνα με τη θερμοδυναμική. Για το λόγο αυτό, οι FID τείνουν να είναι οι τελευταίο κατά σειρά ανιχνευτές και δεν μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν σε προπαρασκευαστικές εργασίες.

Εναλλακτική λύση

Η Αέρια Χρωματογραφία - Φασματοσκοπία Υπεριώδους Κενού (GC-VUV) είναι μια κατάλληλη εναλλακτική λύση, και μια βελτίωση του μεθανοποιητή είναι ο αντιδραστήρας Polyarc, o οποίow είναι ένας συνεχής αντιδραστήρας που οξειδώνει ενώσεις πριν να τις ανάγει σε μεθάνιο. Αυτή η μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να βελτιώσει την απόκριση του FID και επιτρέπει την ανίχνευση πολλών περισσότερων ενώσεων άνθρακα που περιέχουν. Η πλήρης μετατροπή των ενώσεων σε μεθάνιο και η ισοδύναμη απόκριση στον ανιχνευτή εξαλείφει επίσης την ανάγκη για βαθμονόμηση και πρότυπα, επειδή οι συντελεστές απόκρισης είναι όλοι ισοδύναμοι με εκείνους του μεθανίου. Αυτό επιτρέπει την ταχεία ανάλυση των πολύπλοκων μειγμάτων που περιέχουν μόρια για τα οποία δεν υπάρχουν πρότυπα.

Λειτουργία

Για να ανιχνευτούν αυτά τα ιόντα, χρησιμοποιούνται δύο ηλεκτρόδια για να παρέχουν μια διαφορά δυναμικού. Το θετικό ηλεκτρόδιο δρα επίσης ως το ακροφύσιο κεφαλής, όπου παράγεται η φλόγα. Το άλλο, αρνητικό ηλεκτρόδιο είναι τοποθετημένο πάνω από τη φλόγα. Οταν σχεδιάστηκαν αρχικά, το αρνητικό ηλεκτρόδιο από λευκόχρυσο είχε σχήμα σταγόνας ή γωνιακού κομματιού. Σήμερα, ο σχεδιασμός έχει τροποποιηθεί σε ένα σωληνωτό ηλεκτρόδιο, που συνήθως αναφέρεται ως πλάκα συλλογής. Τα ιόντα έτσι έλκονται από την πλάκα συλλογής και μετά την πρόσκρουσή τους σε αυτή, επάγουν ένα ρεύμα. Αυτό το ρεύμα μετράται με ένα υψηλής-αντίστασης picoαμπερόμετρο και μεταδίδεται σε έναν ολοκληρωτή. Ο τρόπος με τον οποίο απεικονίζονται τα τελικά δεδομένα βασίζεται στον υπολογιστή και το λογισμικό. Σε γενικές γραμμές, ένα απεικονίζεται ένα γράφημα που έχει το χρόνο στον άξονα των x και το σύνολο ιόντων στον άξονα των y.
Το μετρούμενο ρεύμα αντιστοιχεί, περίπου, στο ποσοστό των ανηγμένων στη φλόγα ατόμων άνθρακα. Το πώς  παράγονται τα ιόντα δεν είναι απαραίτητα κατανοητό, αλλά η απόκριση του ανιχνευτή καθορίζεται από τον αριθμό των ατόμων άνθρακα (ιόντα) που προσκρούουν στον ανιχνευτή ανά μονάδα χρόνου. Αυτό κάνει τον ανιχνευτή ευαίσθητο στην μάζα παρά στη συγκέντρωση, γεγονός που είναι χρήσιμο επειδή η απόκριση του ανιχνευτή δεν επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από τις αλλαγές στην ταχύτητα ροής του φέροντος αερίου.

Περιγραφή ενός γενικού ανιχνευτή

Ο σχεδιασμός του ανιχνευτή ιονισμού φλόγας, διαφέρει από κατασκευαστή σε κατασκευαστή, αλλά οι αρχές είναι οι ίδιες. Πιο συχνά, ο FID είναι συνδεδεμένος με ένα σύστημα αέριας χρωματογραφίας.
Το μείγμα έκλουσης βγαίνει τη στήλη (Α) και εισέρχεται στον φούρνο του ανιχνευτή FID (Β). Ο φούρνος είναι απαραίτητος για να εξασφαλίζεται ότι μόλις το μείγμα έκλουσης εξέρχεται από την στήλη, παραμένει στην αέρια φάση και εισέρχεται στη διεπιφάνεια μεταξύ της στήλης και του FID. Μια τέτοια απόθεση θα οδηγούσε σε απώλεια του εκλουώμενου μείγματος και σε σφάλματα στην ανίχνευση. Όπως το μείγμα έκλουσης, ταξιδεύει μέχρι τον FID, αναμιγνύεται πρώτα με το καύσιμο υδρογόνο (C) και, στη συνέχεια, με το οξειδωτικό (Α). Το διάλυμα έκλουσης/καύσιμο/οξειδωτικό μείγμα συνεχίζει μέχρι την κεφαλή του ακροφυσίου, όπου υπάρχει μια θετική τάση (E). Αυτή η θετική τάση βοηθά να απωθούνται τα ανηγμένα ιόντα άνθρακα που δημιουργούνται από τη φλόγα (F) που πυρολύει το διάλυμα έκλουσης. Τα ιόντα απωθούνται προς τις πλάκες του συλλέκτη (G), που είναι συνδεδεμένες με ένα πολύ ευαίσθητο το αμπερόμετρο, το οποίο ανιχνεύει τα ιόντα που προσκρούουν στις πλάκες, και στη συνέχεια τροφοδοτούν το σήμα (H) σε έναν ενισχυτή, ολοκληρωτή, και ένα συστήμα οθόνης. Τα προϊόντα της φλόγας τελικά αερίζονται από τον ανιχνευτή μέσω της εξάτμισης λιμάνι (J).