Detektory jonizacyjne

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania
Ujednoznacznienie Ten artykuł dotyczy grupy detektorów stosowanych w chromatografii gazowej i innych analizatorach gazów. Zobacz też: inne znaczenia słowa detektor.
Poglądowy schemat komory jonizacyjnej (gwiazdka – czynnik jonizujący)[1]
Poglądowa zależność natężenia prądu od natężenia pola elektrycznego[1]

Detektory jonizacyjne – grupa detektorów stosowanych do oznaczeń stężenia składników mieszanin gazowych, których działanie polega na pomiarach (z zastosowaniem elektrometru) natężenia prądu płynącego przez gaz w komorze jonizacyjnej. Jonizacja gazu zachodzi pod wpływem promieniowania jonizującego lub w płomieniu. Natężenie prądu jest skorelowane ze stężeniem składników gazu, które ulegają jonizacji, przy czym jest niezbędna kalibracja urządzeń w warunkach pomiarów. Detektory jonizacyjne są stosowane w takich analizatorach gazów, jak dozymetry lub chromatografy gazowe[1].

Zasada działania[edytuj | edytuj kod]

Możliwość wykorzystania w czasie analiz składu gazów (uważanych za doskonałe izolatory) zjawiska przewodzenia prądu elektrycznego, wskazał J. E. Lovelock na początku drugiej połowy XX. wieku[1][2][3]. Przewodnictwo elektryczne gazu pojawia się, gdy część jego cząsteczek ulegnie jonizacji, np. w płomieniu palnika wodorowego lub pod wpływem promieniowania jonizującego. W pierwszych detektorach jonizację wywoływano stosując izotopy promieniotwórcze[1].

Pod wpływem kwantów dostarczanej energii neutralne cząsteczki gazu nośnego i zawarte w nim składniki analizowanego gazu (próbki rozdzielanej w kolumnie GC) ulegają przekształceniu w jony, które kierują się do odpowiednich elektrod zasilanych z zewnętrznego źródła napięcia. Natężenie prądu, który płynie wówczas w obwodzie elektrycznym zależy od zewnętrznego napięcia i gęstości jonowej, związanej ze stężeniem związków ulegających jonizacji. W przypadku, gdy gęstości jonowe są małe, na wykresie zależności natężenia prądu od napięcia wyodrębnia się zakres[1]:

  • niskich wartości napięcia, w którym jest spełniane prawo Ohma
  • średnich wartości napięcia, w którym natężenie prądu niemal nie zależy od napięcia
  • dużych napięć, w którym natężenie prądu szybko wzrasta (zmierzając asymptotycznie do nieskończoności)

Prąd płynący w zakresie plateau jest nazywany prądem nasycenia. Jego wartość jest bezpośrednio związana z liczbą jonów obecnych w komorze (wszystkie powstające jony są wychwytywane przez odpowiednie elektrody). Przy bardzo wysokich napięciach zachodzi, coraz bardziej intensywnie, jonizacja neutralnych cząsteczek wskutek ich zderzeń z szybkimi jonami. Zakres pierwszy zwiększa się ze wzrostem stężenia cząsteczek ulegających jonizacji, co powoduje zmniejszanie się zakresu plateau. W czasie analiz stosuje się wartości napięcia zbliżone do górnej granicy tego zakresu, co gwarantuje zbieranie na elektrodach wszystkich powstających jonów przy wysokich stężeniach analitów[1].

Dolna granica wykrywalności związków chemicznych zależy od tego, w jakim stopniu w danej komorze ulegają jonizacji cząsteczki gazu nośnego. Lovelock stwierdził (1958), że teoretycznie określona granica wykrywalności jest proporcjonalna pierwiastka kwadratowego z liczby jonów, wytwarzanych w czystym gazie nośnym[1].

Rodzaj gazu nośnego jest również czynnikiem, od którego zależy możliwość rekombinacji powstających nośników ładunku (jonów lub elektronów) przed ich dotarciem do odpowiednich elektrod. W wypadku stosowania powietrza jako gazu nośnego swobodne elektrony ulegają rekombinacji w zderzeniach z cząsteczkami tlenu, tworząc mniej ruchliwe aniony. Stopień rekombinacji jest mniejszy w małych komorach przy wyższych napięciach. W niektórych detektorach zjawisko wychwytywania swobodnych elektronów, które powoduje zmniejszenie się natężenia prądu, jest wykorzystywane w celu oznaczania małych stężeń związków elektroujemnych, obecnych w gazie nośnym wychwytującym elektrony w dużo mniejszym stopniu[1].

Rodzaje detektorów jonizacyjnych[edytuj | edytuj kod]

Spośród detektorów jonizacyjnych wymieniane są np.[1][4][5]:

Ogólna charakterystyka[edytuj | edytuj kod]

Minimalna ilość wykrywanych związków, określona teoretycznie przez Lovelocka, wynosi np.:

  • detektor płomieniowo-jonizacyjny – 108 moli/s
  • detektor argonowy – 106 moli/s
  • detektor rekombinacyjny – 2 × 105 moli/s

Ze względu na dużą prędkość jonów w stosunku do prędkości przepływu gazu nośnego przez kolumny chromatograficzne detektory jonizacyjne są mało wrażliwe na wahania przepływu gazu. Wykazują niewielką wrażliwość na zmiany temperatury. Górna i dolna temperatura pracy jest zależna od właściwości materiałów konstrukcyjnych, stosowanych jako izolatory. Czynnikiem niekorzystnym jest obecność wody w badanym gazie oraz zanieczyszczeń gazu nośnego, które ulegają jonizacji. Powoduje to zwiększenie szumu i pojawienie się zależności wskazań detektora od prędkości gazu nośnego[1].

Przypisy[edytuj | edytuj kod]

  1. 1,00 1,01 1,02 1,03 1,04 1,05 1,06 1,07 1,08 1,09 1,10 1,11 6. Detektory jonizacyjne. W: Orion Edwin Schupp III: Chromatografia gazowa. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe PWN, 1972.
  2. 2,0 2,1 A sensitive detector for gas chromatography. „Journal of Chromatography A”. 1, s. 35–46, 1958. doi:10.1016/S0021-9673(00)93398-3. 
  3. J.E. Lovelock. „Anal. Chem.”. 33 (1), s. 162, 1961. 
  4. tłum. Karolina Hierasimczyk (korekta: W. Wardencki, J. Namieśnik): Chemia analityczna; Chromatografia, cz. VIA. Detektory (pol.). W: Materiały dydaktyczne Politechniki Gdańskiej [on-line]. www.pg.gda, 2002. [dostęp 2011-08-03].
  5. NEWMOA Technology Review Committee, Advisory Opinion; Innovative Technology: Gas Chromatography Field Analysis, November 29, 2000
  6. D.J. Pompeo, J.W. Otvos. Patent USA 2.641.710. , 1953 (ang.).