Un detector de ionización de llama ( FID ) es un instrumento científico que mide analitos en una corriente de gas. Se utiliza con frecuencia como detector en cromatografía de gases . La medición de iones por unidad de tiempo lo convierte en un instrumento sensible a la masa. [1] Los FID independientes también se pueden utilizar en aplicaciones como el monitoreo de gases de vertedero , el monitoreo de emisiones fugitivas y la medición de emisiones de motores de combustión interna [2] en instrumentos estacionarios o portátiles.
Los primeros detectores de ionización de llama fueron desarrollados simultánea e independientemente en 1957 por McWilliam y Dewar en el Laboratorio de Investigación Central de Imperial Chemical Industries de Australia y Nueva Zelanda (ICIANZ, ver la historia de Orica ), Ascot Vale, Melbourne , Australia . [3] [4] [5] y por Harley y Pretorius en la Universidad de Pretoria en Pretoria , Sudáfrica . [6]
En 1959, Perkin Elmer Corp. incluyó un detector de ionización de llama en su fractómetro de vapor. [7]
El funcionamiento del FID se basa en la detección de iones formados durante la combustión de compuestos orgánicos en una llama de hidrógeno . La generación de estos iones es proporcional a la concentración de especies orgánicas en la corriente de gas de muestra.
Para detectar estos iones, se utilizan dos electrodos que proporcionan una diferencia de potencial. El electrodo positivo actúa como el cabezal de la boquilla donde se produce la llama. El otro electrodo, el negativo, se coloca encima de la llama. Cuando se diseñó por primera vez, el electrodo negativo tenía forma de lágrima o una pieza angular de platino. Hoy, el diseño se ha modificado para convertirlo en un electrodo tubular, comúnmente conocido como placa colectora. De este modo, los iones son atraídos hacia la placa colectora y, al chocar con ella, inducen una corriente. Esta corriente se mide con un picoamperímetro de alta impedancia y se introduce en un integrador . La forma en que se muestran los datos finales se basa en la computadora y el software. En general, se muestra un gráfico que tiene el tiempo en el eje x y el ion total en el eje y.
La corriente medida corresponde aproximadamente a la proporción de átomos de carbono reducidos en la llama. No se sabe exactamente cómo se producen los iones, pero la respuesta del detector está determinada por la cantidad de átomos de carbono (iones) que llegan al detector por unidad de tiempo. Esto hace que el detector sea sensible a la masa en lugar de a la concentración, lo que resulta útil porque la respuesta del detector no se ve muy afectada por los cambios en el caudal del gas portador.
Las mediciones de FID se suelen informar "como metano", es decir, como la cantidad de metano que produciría la misma respuesta. La misma cantidad de diferentes sustancias químicas produce diferentes cantidades de corriente, según la composición elemental de las sustancias químicas. El factor de respuesta del detector para diferentes sustancias químicas se puede utilizar para convertir las mediciones de corriente en cantidades reales de cada sustancia química.
Los hidrocarburos generalmente tienen factores de respuesta que son iguales al número de átomos de carbono en su molécula (más átomos de carbono producen mayor corriente), mientras que los oxigenados y otras especies que contienen heteroátomos tienden a tener un factor de respuesta menor. El monóxido de carbono y el dióxido de carbono no son detectables por FID.
Las mediciones de FID a menudo se etiquetan como "hidrocarburos totales" [8] o "contenido total de hidrocarburos" (THC), aunque un nombre más preciso sería "contenido total de hidrocarburos volátiles" (TVHC), [9] [10] ya que los hidrocarburos que se han condensado no se detectan, aunque son importantes, por ejemplo, la seguridad al manipular oxígeno comprimido.
El diseño del detector de ionización de llama varía de un fabricante a otro, pero los principios son los mismos. Lo más habitual es que el FID esté conectado a un sistema de cromatografía de gases.
El eluyente sale de la columna de cromatografía de gases (A) y entra en el horno del detector FID (B). El horno es necesario para garantizar que, tan pronto como el eluyente salga de la columna, no salga de la fase gaseosa y se deposite en la interfaz entre la columna y el FID. Esta deposición daría lugar a la pérdida de eluyente y a errores en la detección. A medida que el eluyente sube por el FID, primero se mezcla con el combustible de hidrógeno (C) y luego con el oxidante (D). La mezcla de eluyente/combustible/oxidante continúa su viaje hasta el cabezal de la boquilla, donde existe un voltaje de polarización positivo. Este voltaje de polarización positivo ayuda a repeler los iones de carbono oxidados creados por la llama (E) que piroliza el eluyente. Los iones (F) son repelidos hacia las placas colectoras (G) que están conectadas a un amperímetro muy sensible, que detecta los iones que golpean las placas y luego envía esa señal a un sistema amplificador, integrador y de visualización (H). Los productos de la llama finalmente se expulsan del detector a través del puerto de escape (J).
Los detectores de ionización de llama se utilizan ampliamente en la cromatografía de gases debido a una serie de ventajas.
Los detectores de ionización de llama no pueden detectar sustancias inorgánicas, pero sí pueden hacerlo algunas especies altamente oxigenadas o funcionalizadas, como la tecnología infrarroja y láser. En algunos sistemas, el CO y el CO2 se pueden detectar en el FID utilizando un metanizador , que es un lecho de catalizador de níquel que reduce el CO y el CO2 a metano, que a su vez puede ser detectado por el FID. El metanizador está limitado por su incapacidad para reducir compuestos distintos del CO y el CO2 y su tendencia a envenenarse con una serie de sustancias químicas que se encuentran comúnmente en los efluentes de la cromatografía de gases.
Otra desventaja importante es que la llama del FID oxida todos los compuestos oxidables que pasan a través de ella; todos los hidrocarburos y oxigenados se oxidan a dióxido de carbono y el agua y otros heteroátomos se oxidan según la termodinámica. Por esta razón, los FID tienden a ser los últimos en un tren de detectores y tampoco se pueden utilizar para trabajos preparatorios.
Una mejora del metanizador es el reactor Polyarc , que es un reactor secuencial que oxida compuestos antes de reducirlos a metano. Este método se puede utilizar para mejorar la respuesta del FID y permitir la detección de muchos más compuestos que contienen carbono. [12] La conversión completa de compuestos a metano y la respuesta ahora equivalente en el detector también elimina la necesidad de calibraciones y estándares porque los factores de respuesta son todos equivalentes a los del metano. Esto permite el análisis rápido de mezclas complejas que contienen moléculas para las que no hay estándares disponibles.