در کروماتوگرافی گازی (FID) آشکارساز یونیزاسیون شعله

آشکارساز یونیزاسیون شعله شامل یک شعله نفوذی هیدروژن هوا که در انتهای یک جت قرار دارد می‌باشد . آنالیت های شسته شده از ستون توسط گاز حامل و گاز جبرانی به داخل شعله روبش می شوند . در اثر ورود ترکیبات آلی به داخل شعله گونه های باردار تشکیل می شوند . این گونه های های باردار در الکترود جمع کننده بالای شعله جمع می‌شوند و تولید جریانی متناسب با تعداد اتم های کربن می کند.

 

 

 

 

 جریان تشکیل شده توسط الکترومتر تقویت می‌شود در شکل زیر عناصر اصلی تشکیل دهنده آشکارساز یونیزاسیون شعله را نشان می‌دهند فرآیند یونیزاسیون از نوک شعله شروع شده و سایر قسمت های شعله نیز در این پروسه درگیر می باشند ترکیبات آلی در قسمت غنی از هیدروژن متحمل با کنش های تجزیه ای شده که منجر به تولید گونه‌های یک کربنه شده و در قسمت ممزوج شدن گازهای جبرانی هیدروژن با هوا این گونه های یک کربنه متحمل واکنش زیر می شوند

 

 

 یون های باردارCHO+  با مولکولهای آب تولید شده در شعله ترکیب شده و یونهای هیدرونیوم تشکیل می شود:

 

 این یونهای هیدرونیوم و شکل پلیمریزه شدن آن (H2O)nH+ گونه های حمل کننده بار هستند که هر کدام از یونهای هیدرونیوم معادل یک اتم کربن می باشد. در حالت کلی پاسخ این آشکارساز متناسب با تعداد اتم های کربن است و نه وزن ترکیب یا مول های آن .

 

اندازه نوک جت آشکارساز یونیزاسیون شعله بسته به نوع ستون و نوع آنالیز متغیر است برای ستون های انباشته قطر داخلی جت 0.425 میلیمتر است و برای ستون های معین 0.280 میلی متر  باشد استفاده از جت ها با قطر کم برای ستون های انباشته منجر به انسداد آنها می‌شود

فلوی گازهای ورودی به آشکارساز نقش اساسی در رسیدن به بیشینه حساسیت آشکارساز دارا می باشند.  البته در این بین نسبت گازها نیز مهم است بیشینه فلو و نیز نسبت به این گازها بستگی به نوع گازهای مصرفی دارد.  مثلاً پاسخ آشکارساز یونیزاسیون شعله برای نیتروژن چه به عنوان گاز حامل و چه به عنوان گاز جبرانی بهترین می باشد. برای یافتن فلو بهینه به دستورالعمل سازنده آشکارساز باید دقت داشت ولی در حالت کلی تنظیم هیدروژن و گاز حامل/گاز جبرانی روی فلوی 30 میلی متر بر دقیقه نقطه شروع خوبی می تواند باشد

تمام اکسیژن ورودی تمام اکسیژن ورودی (از طریق هوا) در واکنش های درون شعله مصرف نمی‌شود و مقدار مصرفی آن بیشتر از مقدار استوکیومتری لازمه می‌باشد برای اغلب آشکارسازها فلوی هوا ۳۰۰ تا ۵۰۰ میلی لیتر بر دقیقه می باشد.

 

اهمیت تنظیم دمای آشکارساز یونیزاسیون شعله

 

 مانند تمام آشکارسازهای کروماتوگرافی گازی برای داشتن بهترین عملکرد این آشکارساز نیز باید از نظر دمایی کنترل شود و برای جلوگیری از میعان نمونه ها در داخل آشکارساز، دمای آن بالاتر از دمای ستون باشد.  به علاوه برای جلوگیری از میعان آب در دمای آشکارساز بالاتر از ۱۰۰ درجه سانتیگراد باشد .

همچنین به خاطر اینکه دمای بدنه آشکارساز بر مکانیزم آشکارسازی تاثیر دارد باید دمای آن ثابت نگه داشته شود . نکته مهمی که باید ذکر شود این است که در صورت بالا رفتن بیش از حد دمای آشکارساز، سطوح  داغ داخل آشکارساز، الکترون ساطع می نمایند (یونیزاسیون ترمویونیک)که خطای اندازه گیری را منتج می شود .

این آشکارساز حساس به جرم ، به تعداد اتم های کربن ورودی در واحد زمان پاسخ میدهد .از ویژگی های  ترکیباتی که با این آشکارساز قابل شناسایی هستند ، وجود حداقل یک پیوند کربن هیدروژن است ولی وجود اتم هایی مانند اکسیژن - گوگرد و هالوژن ها پاسخ آن را تحت تاثیر قرار می‌دهد و از شدت پاسخ می کاهد.

 در شکل  پایین پاسخ نسبی این آشکار ساز به ترتیب به چند ترکیب اکسیژن دار لیست گردیده است علت پاسخ ضعیف تر این آشکارساز به ترکیبات اکسیژن دار طولانی تر شدن فرآیند اکسایش آنها و تولید تعداد کمتری یون مثبت که منجر به پاسخ ضعیف‌تر آن می گردد، می باشد. این یعنی هر چقدر تعداد اتم های اکسیژن بیشتر شود پاسخ حاصل نیز ضعیف تر است آشکارساز یونیزاسیون شعله به همه ترکیبات آلی که در شعله می سوزند جواب می‌دهد سیگنال حاصله تقریباً متناسب با تعداد اتمهای کربن ان میباشد .

 

 

 

از آنجایی که این آشکارساز قادر به اندازه گیری آب نمی باشد از این رو آشکارسازی یونیزاسیون شعله برای آنالیز آنالیت های الی در محیط مائی مناسب است

دامنه خطی بودن پاسخ آشکارساز یونیزاسیون شعله  حدود 105-106 است  که از این لحاظ بیشترین دامنه خطی در بین آشکارسازهای کروماتوگرافی گازی را به خود اختصاص داده است. حد تشخیص آشکارسازی یونیزاسیون شعله حدود 0.01 تا 1 نانو گرم است .از دیگر محسنات آن حساسیت بالای آن است ولی عیب آن این است که باعث تخریب نمونه می‌شود.

 

 

 

مبدل متان یا متانایزر

برخی آنالیت ها مانند مونوکسید کربن و دی اکسید کربن با وجود داشتن کربن، توسط آشکارسازی یونیزاسیون شعله قابل اندازه گیری نمی باشند حال اگر در برخی از صنایع پتروشیمی و همچنین پالایشگاه های گاز قرار بر اندازه‌گیری مونوکسید کربن و یا دی اکسید کربن به وسیله گاز کروماتوگراف  دارای آشکارسازی یونیزاسیون شعله باشد از قطعه‌ای به نام متانایزر در دستگاه گاز کروماتوگرافی استفاده می نمایند که توسط جریان گاز هیدروژن در دمای بالا و مجاورت کاتالیستی مانند پودر نیکل، ترکیبات یاد شده را به متان احیا می‌کند . (شکل پایین )در طی فرایند انالیز دمای متانایزر با استفاده از گرمای بدنه آشکارسازی یونیزاسیون شعله به حدود 380 درجه سانتیگراد میرسد ، خروجی ستون به همراه جریان گاز هیدروژن آشکارسازیونیزاسیون شعله وارد متانایزر شده و موجب تبدیل مونوکسید کربن و دی اکسید کربن متان از آنجایی که این تبدیلات پس از جداسازی آنالیت ها در ستون انجام می‌گیرد ،زمان بازداری آنها تغییری نمی نمایند . مزیت متانایزر در این است که هیدروکربن ها بدون انجام هیچ گونه واکنشی از آن عبور می‌کنند

 

 

 

الزامات مربوط به آشکارسازی یونیزاسیون شعله

 

 برای این نوع آشکارساز برخی الزامات وجود دارد که در صورت عدم رعایت این الزامات مشکلاتی چند بروز می‌کند که به شرح آنها پرداخته می‌شود:

  ️خلوص حداقل 99.9995%گازهای مورد استفاده

 ️عدم وجود ترکیبات آلی در گازهای مورد استفاده

️ حداقل دمای ۲۰ درجه سانتیگراد بالاتر از دمای آون و به هیچ عنوان نباید کمتر از ۳۰۰ درجه سانتیگراد باشد

️لاین های انتقال گاز از مس یا استیل ضد زنگ با قطر 1.8 اینچ و اتصالات نیز بدون هر گونه نشتی باشد

و در آخر در سر راه گازهای ورودی به دستگاه از trap های فلزی برای جذب رطوبت و ازtrap های شیشه ای برای جذب اکسیژن و  در نزدیکترین فاصله به دستگاه استفاده گردد. در ضمن نباید از trap .های پلاستیکی استفاده شود

 

عوامل موثر در حساسیت آشکارساز یونیزاسیون شعله

عواملی که تغییر در آنها موجب تأثیر بر حساسیت آشکارساز می‌شود به شرح زیر است ;

 فلوی گازهای موثر بر فرایند سوختن (رعایت نسبت استوکیومتری ) .فلوی بهینه هوا ۳۰۰ میلی لیتر بر دقیقه است و فلوی بهینه هیدروژن ۳۰ میلی لیتر بر دقیقه می باشد.مطابق شکل زیر 

( قطر جت اشکارساز (0.3 تا 0.7 میلی متر 

 موقعیت جت و جمع کننده (کالکتور) آشکارساز نسبت به یکدیگر

 موقعیت ستون نسبت به جت یعنی پرهیز از هرگونه حجم مرده

 فلوی گاز حامل

دمای آشکارساز 

 تیپ شعله : جواب آشکارساز یونیزاسیون شعله برای آنالیز هایی با جرم مولکولی بالا در اثر استفاده از تیپ سرامیکی بهبود یافته است

 

آزمایشگاه کالیبراسیون رسام