Характеристики и принцип действия детекторов по теплопроводности, плотности и ионизирующего излучения

Отмеченные случаи аналитического применения ДТИ не исчерпывают всех его возможностей, однако, даже одна способность высокочувствительного детектирования фосфорсодержащих пестицидов оправдывает тот большой интерес, который проявляется к ДТИ.

Гелий-ионизационный детектор был разработан в 1950-е годы.

Принцип действия ГИД основан на том, что ионизация инертного газа увеличивается, если при постоянном уровне облучения в него добавляют посторонний газ. Если в камере детектора имеется источник -частиц, например тритий, то при наличии поля, создаваемого высоким напряжением, гелий возбуждается и его атомы становятся метастабильными. Механизм процесса основан, вероятнее всего, на переносе энергии от метастабильного гелия к другим атомам и молекулам. Сначала образуются заряды с постоянной скоростью:

А > А⁺ + е^?

Освободившиеся электроны малых энергий разгоняются сильным полем и при соударениях с атомами газа-носителя сообщают им энергию, переводящую их в возбужденное (метастабильное) состояние:

А + е^?> А* + е^?

Полный сбор электронов и ионов, возникающих в результате первичной ионизации газа-носителя, создает фоновый ток детектора. Вероятность перехода возбужденных атомов Ar или Не в первоначальное энергетическое состояние значительно увеличивается при введении в детектор веществ, имеющих близкие или меньшие потенциалы ионизации (энергию отрыва электрона), чем энергия возбужденного состояния:

А* + М > А + М⁺ + е^?

Образующиеся в результате реакции вторичной ионизации заряды создают дополнительный ток, являющийся сигналом детектора на введенное количество вещества.

Так как энергия возбуждения метастабильного гелия (19,6 эВ) и аргона (11,6 эВ) больше, чем потенциал ионизации всех других частиц, за исключением неона (21 эВ), поэтому другие компоненты могут ионизироваться.

ГИД используется главным образом в том случае, если необходимо обнаружить следы посторонних газов. ГИД является универсальным детектором.

Атомно-эмиссионный детектор (АЭД)

В течение многих лет исследователи пытались использовать атомно-эмиссионную спектроскопию в газовой хроматографии. Ее применение дает возможность определять элементы непосредственно в элюате, поступающем из колонки.

Возбуждающие атомы излучают свет с характерной длиной волны.

В атомно-эмиссионном детекторе проба переводится в атомарное состояние, а образовавшиеся атомы переходят в возбужденное состояние. Для этого необходима значительная энергия, которая имеется в плазме, индуцированной микроволновым излучением. Переход возбужденных атомов в состояние с более низкой энергией сопровождается излучением света.

Длина волны возникающего излучения измеряется спектрофотометром.

А + энергия > А*

А* > А + энергия

или

А + фотон > А⁺* + е^?

А^+* > А⁺ + фотон

где звездочкой отмечены на схеме частицы, находящиеся в возбужденном состоянии.

Фотоионизационный детектор (ДФИ)

Детектор был предложен в 1968 г., имел нестабильные характеристики и почти не применялся. В конце 70-х начале 80-х годов началась новая эра в развитии ДФИ, связанная, главным образом, с его применением для анализа примесей в воздухе. Новые конструкции детектора имеют чувствительность и линейность на уровне или выше тех же параметров ДПИ, причем в качестве газа-носителя можно использовать воздух. Детектор применяют в портативных и автономных газовых хроматографах, специально разработанных для целей охраны окружающей среды.

Проведено изучение работы ДФИ с различными газами-носителями, определены его линейности и чувствительности для большого круга органических веществ. Испробовано применение ДФИ с капиллярными колонками. В качестве источника возбуждения использован лазер, с помощью которого исследован механизм двухфотонной фотоионизации для анализа полиатомных ароматических соединений.

Принцип работы ДФИ состоит в следующем: фотоны от ультрафиолетовой (УФ) лампы попадают в ионизационную камеру, через которую непрерывно проходит газ-носитель, выбранный таким образом, чтобы его потенциал ионизации I_p был значительно выше энергии фотонов. В этом случае газ-носитель не ионизируется, в то время как попадание в ионизационную камеру анализируемого вещества вызывает появление фотоионизациойного тока, пропорционального концентрации этого вещества. Диапазон детектируемых соединений ограничен «сверху» - детектируются все соединения, в том числе и неорганические, для которых потенциал ионизации меньше энергии фотонов. Различные УФ-лампы могут обеспечить разную селективность ДФИ к различным соединениям за счет сведения сигнала к некоторым из них до минимума. В этом случае можно определять даже неразделенные хроматографические пики. Однако такого рода селективность ограничена выбором источников излучения, что в первую очередь связано с отсутствием материалов, пропускающих свет более коротковолновый, чем резонансное излучение аргона: Коротковолновая граница пропускания для ДФИ находится ниже 11,7 э В.

Теоретические вычисления чувствительности ДФИ не дают достоверных результатов. Однако практически установлено, что ДФИ в среднем и в зависимости от типа соединения в 10-30 раз более чувствителен и имеет в 10 раз больший линейный диапазон детектирования, чем ДПИ. Наряду с этим использование воздуха в качестве, газа-носителя и отсутствие пламени дают ДФИ неоспоримые преимущества по сравнению с ДПИ.

Принципиальная схема ДФИ приведена на рис. 11.24. Свет от УФ-лампы 3 через окно 4 из MgF₂ попадает в ионизационную камеру 1 с потенциальным 5 и измерительными 2 электродами.. Через трубку, являющуюся потенциальным электродом 5, в камеру из хроматографической колонки поступаем газ-носитель. В качестве источника фотоионизации применена криптоновая УФ-лампа 3 тлеющего разряда типа. Ионизационная камера изготовлена из высокоомной керамйки с электродами из нержавеющей стали. Электроды и окно приклеены к керамическому корпусу специальным клеем. Максимальная рабочая температура такого детектора около 200 °С.

При разработке детектора основные трудности связаны с технологией его изготовления, в том числе герметизацией УФ-лампы, окна из MgF₂ и ионизационной камеры, выбором формы и материалов электродов при минимальном размере камеры и др.

Одним из недостатков ДФИ является возможность загрязнения окна из MgF₂ компонентами газа-носителя, пробы и неподвижной фазы. Загрязнение приводит к уменьшению потока фотонов и к значительной потере чувствительности.

Фирма «Fotovak» (США) выпускает портативный газовый хроматограф с ДФИ для определения следов органических соединений в атмосфере. С помощью прибора можно определять органические вещества в 1 см пробы воздуха в количестве 0,1 млрд.^-1. Преимущества прибора определяются высокостабильным источником фотонов с энергией да 11 эВ, который питается от высокочастотного генератора. Характерной особенностью прибора является возможность его применения при температуре окружающей среды, поэтому основные детали детектора изготовлены из фторопласта.

Для идентификации многокомпонентных смесей может быть применен набор фотоионизационных детекторов с различными УФ-лампами. Соотношение между сигналами ДФИ, например с УФ-лампами на 9,5 эВ и 11,7 эВ, позволяет получить дополнительную информацию о природе анализируемых веществ.

При работе с ДФИ в режиме ДЭЗ в качестве газа-носителя используют азот с примесью легко ионизируемого с помощью УФ-лампы органического вещества. Образовавшиеся электроны собираются на аноде под влиянием электрического поля и ддют фоновый ток, который уменьшается при захвате электронов электроотрицательными анализируемыми веществами. С помощью крана потоки газов-носителей переключаются таким образом, что детектор может последовательно работать в режимах ДФИ и ДЭЗ. Газом-носителем для режима ДЭЗ может служить азот с добавлением паров три-н-пропиламина или нафталина. Фоновый ток зависит от природы и количества добавок, интенсивности УФ-лампы и чистоты окна из MgF₂. Для получения фонового тока 1-10^-8 А поток нафталина должен составлять около 1 мкг/мин. При этих условиях можно анализировать антрацен на уровне 500 пг. Поляризационное напряжение составляло около 200 В. Линейный диапазон для линдана и гептахлора около 10³.

Интерес к ДФИ постоянно повышается и многие фирмы планируют ввести его в состав своих хроматографов в качестве одного из основных детекторов.

Редокс-хемилюминесцентный детектор (РХД)

Этот вид детекторов был разработан в конце 1970-х годов для количественного анализа азота, водорода и соединений серы в воде или воздухе. Обычно для определения используется реакция азота с озоном.

С помощью РХД можно анализировать следующие классы соединений: спирты, альдегиды, кетоны, фенолы, олефины, ароматические углеводороды, амины, тиолы, сульфиды и фосфонаты. РХД хорошо сочетается с ДИП, так как многие соединения, не дающие сигнала в детекторе ДИП, реагируют как восстановители и тем самым способны регистрироваться детектором РХД.

Инфракрасные детекторы (ИКД)

Инфракрасная спектроскопия широко применяется в химическом анализе и в сочетании с газовой хроматографией. Методом ИК-спектроскопии с преобразованием Фурье (ИКПФ) проводят анализ элюируемых соединений с высокой скоростью и чувствительностью. Полученный при этом ИК-спектр поглощения можно рассматривать как индивидуальную характеристику соединения и использовать для его идентификации.

Масс-селективный детектор (МСД)

Уже давно масс-спектрометр рассматривается как отличный детектор для газовой хроматографии. Полученные с его помощью спектры, подобно ИКД, дают такую информацию о качественном составе пробы, какую не могут дать иные газохроматографические детекторы. Различие между МСД и ИКД состоит в том, что первый обладает большей чувствительностью по сравнению с ИКД, кроме того, он разрушает пробу, дает информацию о массе, а не о функциональных группах и различает скорее гомологи, чем изомеры.

При бомбардировке электронами молекул в газообразном состоянии связи в молекулах разрываются и образуют ионы. Вид и количество образующихся фрагментов характерны для данной молекулы. При наложении магнитного поля положительно заряженные частицы ускоряются и движутся по изогнутым кривым, радиус кривизны которых пропорционален корню квадратному из массы иона. При некотором постоянном магнитном поле поток ионов, содержащий ионы с идентичным масса/заряд, попадает на коллектор. Здесь при разряде ионов возникает ток, пропорциональный относительному количеству ионов с соответствующей массой. Изменением магнитного поля постепенно переводят на коллектор потоки ионов с другим соотношением масса/заряд. Ток коллектора записывается и дает масс-спектрограмму.

В квадрупольном масс-спектрометре разделение по массе достигается иным образом. Между четырьмя постоянными магнитами образуется высокочастотное электрическое поле. Когда пучок ионов попадает в это поле, только ионы с определенным отношением масса/заряд имеют стабильную траекторию и попадают на детектор (коллектор). Детектирование пучков с различным отношением масса/заряд проводят варьированием электрического поля.

Размещено на Allbest.ru