Detektor fotojonizacyjny

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania
Ujednoznacznienie Ten artykuł dotyczy jednego z detektorów stosowanych w chromatografii gazowej. Zobacz też: inne znaczenia słowa detektor.

Detektor fotojonizacyjny (ang. photoionization detector, PID) – niedestrukcyjny czujnik, stosowany jako przenośny analizator zanieczyszczeń powierza lub element chromatografów gazowych. Cząsteczki zanieczyszczeń są wykrywane, jeżeli pod wpływem promieniowania, emitowanego przez lampę UV ulegają jonizacji (mają energię jonizacji mniejszą od energii emitowanych fotonów). Obecność produktów jonizacji jest rejestrowana przez elektrometr, podobnie jak w przypadku detektora płomieniowo-jonizacyjnego (FID)[1][2]. Powstające jony ulegają rekombinacji, co sprawia, że PID zalicza się do klasy detektorów niedestrukcyjnych (nieniszczących), w przeciwieństwie do detektora FID. PID jest detektorem niedestrukcyjnym stężeniowym, a FID detektorem destrukcyjnym masowym (wielkość sygnału jest zależna liczby atomów węgla w cząsteczce)[3].

Zasada działania[edytuj | edytuj kod]

Porównanie schematów
detektorów PID i FID
(przewiń galerię)
Schemat detektora PID
Schemat detektora PID
Pobudzenie i dysocjacja związku chemicznego

Detektor fotojonizacyjny należy do grupy detektorów, w których pozbawione ładunku (obojętne) cząsteczki związków chemicznych zawartych w badanej próbce są poddawane działaniu czynników wywołujących jonizację – rozpad na cząstki naładowane (jonykationy i aniony). Jonizacja cząsteczek zachodzi np. w wyniku zderzeń między cząsteczkami o wysokiej energii kinetycznej (wysokiej temperaturze) albo wpływem bombardowania strumieniem cząstek o wysokiej energii (np. cząstek alfa) lub promieniowania elektromagnetycznego o odpowiednio dużej energii fotonówkwantów światła o małej długości fali:

E = h \cdot c / \lambda
gdzie: E – energia fotonu, hstała Plancka, c – prędkość światła, λ – długość fali

W detektorach fotojonizacyjnych stosuje się promieniowanie o różnych długościach fali z zakresu nadfioletu (10–400 nm). Pod jego wpływem ulegają jonizacji te cząsteczki zanieczyszczeń powietrza, których energia jonizacji nie jest większa od wielkości fotonu. Powstające jony przemieszczają się w komorze jonizacyjnej aparatu w kierunku odpowiednich elektrod. Rejestrowane z użyciem elektrometru natężenie prądu elektrycznego, przepływającego w obwodzie pomiarowym jest skorelowane ze stężeniem związków chemicznych, które ulegają jonizacji[1][2].

Źródła promieniowania UV[edytuj | edytuj kod]

We współczesnych detektorach fotojonizacyjnych źródłami promieniowania UV są lampy bezelektrodowe (indukcyjne). Ich wprowadzenie do powszechnego użytku w latach 80. XX w. umożliwiło miniaturyzację aparatów, w tym produkcję mierników kieszonkowych osobistego użytku[2][4].

Promieniowanie jest emitowane przez wypełniający lampę gaz, pobudzany do emisji przez działanie pola elektromagnetycznego o częstotliwości radiowej lub mikrofalowej. Długość emitowanego promieniowania (energia fotonów) zależy od rodzaju zastosowanego gazu. W urządzeniach komercyjnych stosuje się np. krypton, ksenon i argon, które emitują promieniowanie z pasmami o długości fali (maksimum piku)[1][2]:

  • krypton – 123,9 (dominujące) i 116,9 nm (energia fotonu: 10,0 i 10,6 eV)
  • ksenon – 147,6 nm (dominujące) i 129,1 nm (8,4 i 9,6 eV)
  • argon – dwa nakładające się pasma z maks. 105,9 nm (11,7 eV)

Lampy oznacza się symbolami zawierającymi informację o energii fotonów. Najbardziej popularne są lampy kryptonowe, oznaczane symbolem te są oznaczane symbolem 10,6 eV[2] lub 10,2 eV[1]. Energia emitowanych fotonów decyduje o możliwościach zastosowania lamp. Lampy 9,5 eV umożliwiają oznaczanie stężenia np. benzenu i innych związków aromatycznych oraz amin. Stężenia takich związków, jak acetylen, formaldehyd lub metanol, oznacza się z użyciem lamp 11,7 eV[1][2], a stężenia amoniaku, etanolu lub acetonu – z użyciem lamp 10,2 eV (lub 10,6 eV).

Przykładowe wartości energii jonizacji[edytuj | edytuj kod]

Wartości energii jonizacji związków chemicznych (przykłady)[1]
Związek chemiczny Energia jonizacji [eV] Związek chemiczny Energia jonizacji [eV] Związek chemiczny Energia jonizacji [eV]
cyjanowodór 13,91 bromek acetylu 10,55 propylen 9,73
tlenek węgla 13,79 etylen 10,515 aceton 9,69
dwutlenek węgla 13,79 alkohol etylowy 10,48 aldehyd benzoesowy 9,53
woda 12,8 siarkowodór 10,46 keton metyloetylowy 9,53
acetonitryl 12,22 kwas octowy 10,37 cyklopentanon 9,26
fosgen 11,77 acetaldehyd 10,21 1-butanotiol 9,14
nitrometan 11,08 alkohol n-propylowy 10,2 cykloheksanon 9,14
kwas mrówkowy 11,05 amoniak 10,15 cyklopenten 9,01
chlorek acetylu 11,02 octan etylu 10,11 metyloamina 8,97
akrylonitryl 10,91 akroleina 10,1 etyloamina 8,86
nitroetan 10,88 n-butylowy alkohol 10,04 sulfid dietylowy 8,34
formaldehyd 10,87 eter dimetylowy 10 trimetyloamina 7,82
alkohol metylowy 10,85 aldehyd n-walerianowy 9,82 trietyloamina 7,5

Zależność odpowiedzi PID od stężenia zanieczyszczeń[edytuj | edytuj kod]

Kształt krzywej wzorcowania PID[2]
Detektor PID zainstalowany w mobilnym laboratorium monitoringu powietrza (ABC-Erkundungskraftwagen)

Wartości sygnałów elektrometru są w przybliżeniu liniowo zależne od stężenia analitów w niewielkim ich zakresie stężenia. Zaleca się stosowanie wzorcowania (kalibracji) przyrządu. W czasie kalibracji wyznacza się zależność wskazań przyrządu od stężenia izobutylenu. Odpowiednie zależności dotyczące innych związków są wyznaczane na podstawie współczynników korekcyjnych[2][1].

Czułość PID z lampą 10,2 eV przy stężeniu 10 ppm; wartości względem 10 dla benzenu (przykłady)[1]
Grupa związków Względna czułość Przykłady
węglowodory aromatyczne 10 benzen, toluen, styren
aminy alifatyczne 10 trimetyloamina
nienasycone fluorowcowodory 5 – 9 chlorek winylu, chlorek winylidenu, trichloroeten
ketony 7 – 9 MEK, BMK, aceton, cykloheksanon
różne związki organiczne nienasycone 3 – 5 akroleina, propylen, cykloheksanon, alkohol allilowy
związki siarkoorganiczne 3 – 5 siarkowodór, metanotiol
węglowodory alifatyczne C3 – C7 1 – 3 pentan, heksan, heptan
amoniak 0,3
węglowodory alifatyczne C1 – C4 0 metan, etan

Zastosowania detektorów PID[edytuj | edytuj kod]

PID są popularnymi detektorami eluatów, umieszczanymi na wylocie z kolumn do chromatografii gazowej w wielu typach chromatografów, często w zestawach z innymi detektorami[5][6][7].

Detektory fotojonizacyjne, stosowane jako samodzielne analizatory, są rekomendowane do oznaczeń stopnia zanieczyszczenia środowiska, np. przez Environmental Protection Agency[1]. Są stosowane zarówno stacjonarne, wielofunkcyjne aparaty laboratoryjne, jak sprzęt zminiaturyzowany, montowany mobilnych laboratoriach monitoringu środowiska lub kieszonkowy (zapewnienie bezpieczeństwa w warunkach pracy)[8]. Urządzenia stacjonarne są też montowane zakładach przemysłowych, np. w celu prowadzenia ciągłego monitoringu emisji zanieczyszczeń[9][10][2].

W czasie badań hydrologicznych lub geologicznych PID umożliwiają dokonywanie pośrednich oznaczeń stężenia LZO w wodzie lub glebie (np. rozpuszczalniki chloropochodne, produkty ropopochodne, wycieki z oczyszczalni ścieków). Hewitt i Lukas stwierdzili liniową zależność odpowiedzi PID nad powierzchnią gruntu od stężenia benzenu, toluenu, ksylenów, dichloroetylenów i trichloroetylenu w glebie[11].

Kieszonkowe urządzenia z detektorami fotojonizacyjnymi są dostępne dla indywidualnych użytkowników, jako łatwe w obsłudze środki do ochrony osobistej[12][4][13].

Przypisy[edytuj | edytuj kod]

  1. 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 Photoionization detector (PID) HNU (ang.). W: SOP#:2114 [on-line]. www.dem.ri.gov/pubs, 10.06.1994. [dostęp 2011-08-03].
  2. 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 Photoionization detectors (ang.). International Sensor Technology intlsensor.com. [dostęp 2011-08-03].
  3. tłum. Karolina Hierasimczyk (korekta: W. Wardencki, J. Namieśnik): Chemia analityczna; Chromatografia, cz. VIA. Detektory (pol.). W: Skrypt Politechniki Gdańskiej [on-line]. 2002. [dostęp 2011-08-03].
  4. 4,0 4,1 Ion Science PhoCheck Tiger - How to clean the PID Lamp Czyszczenie lampy wykrywacza kieszonkowego (ang.). W: Video [on-line]. www.youtube.com. [dostęp 2011-08-03].
  5. Janusz Curyło, Waldemar Wardencki. HS-SPME-CGC-PID determination of aldehydes in rectified spirits and vodkas after derivatisation with 2,4,6-trichlorophenylhydrazine (TCPH). „Chemia Analityczna”. 50, s. 735, 2005 (pol.). 
  6. GC Detector Overview (16 types) (ang.). [dostęp 2011-08-03].
  7. PID - Photo Ionization Detector (ang.). [dostęp 2011-08-03].
  8. Wireless Detection - Detectors; AFC International (ang.). [dostęp 2011-08-03].
  9. Stacjonarne analizatory z detektorem fotojonizacyjnym PID MGA; jednogazowy analizator modułowy do ciągłego monitoringu procesów przemysłowych100 (pol.). [dostęp 2011-08-03].
  10. Stacjonarne analizatory z detektorem fotojonizacyjnym PID TX 401M i TX 401M (pol.). [dostęp 2011-08-03].
  11. Detektory PID w pomiarach LZO w wodzie i glebie (pol.). [dostęp 2011-08-03].
  12. photoionisation detectors (PID)MiniRAE 3000 (ang.). www.ribble-enviro.co.uk. [dostęp 2011-08-03].
  13. Ion Science PhoCheck Tiger - The user calibration process (ang.). W: Video [on-line]. www.youtube.com. [dostęp 2011-08-03].
Wikimedia Commons