Un detector de ionización de llama ( FID ) es un instrumento científico que mide analitos en una corriente de gas. Se utiliza frecuentemente 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 monitoreo de gases de vertederos , monitoreo de emisiones fugitivas y 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 Central de Investigación de Imperial Chemical Industries de Australia y Nueva Zelanda (ICIANZ, ver 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 para proporcionar una diferencia de potencial. El electrodo positivo actúa como cabezal de boquilla donde se produce la llama. El otro electrodo negativo se coloca encima de la llama. Cuando se diseñó por primera vez, el electrodo negativo tenía forma de lágrima o una pieza de platino angular. Hoy en día, el diseño se ha modificado y se ha convertido en un electrodo tubular, comúnmente conocido como placa colectora. De este modo, los iones son atraídos hacia la placa colectora y, al golpear la placa, 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 depende de 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 comprende necesariamente cómo se producen los iones, pero la respuesta del detector está determinada por el número de átomos de carbono (iones) que golpean el detector por unidad de tiempo. Esto hace que el detector sea sensible a la masa en lugar de a la concentración, lo cual es útil porque la respuesta del detector no se ve muy afectada por los cambios en el caudal del gas portador.
Las mediciones de FID generalmente se informan "como metano", es decir, la cantidad de metano que produciría la misma respuesta. La misma cantidad de diferentes sustancias químicas produce diferentes cantidades de corriente, dependiendo de la composición elemental de las sustancias químicas. El factor de respuesta del detector para diferentes sustancias químicas se puede utilizar para convertir las mediciones actuales 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 más bajo. El FID no puede detectar el monóxido de carbono ni el dióxido de carbono .
Las mediciones de FID suelen denominarse "hidrocarburos totales" [8] o "contenido total de hidrocarburos" (THC), aunque un nombre más exacto sería "contenido total de hidrocarburos volátiles" (TVHC), [9] ya que los hidrocarburos que se han condensado no se detectados, 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 al 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 como resultado pérdida de eluyente y 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 viajando hasta el cabezal de la boquilla donde existe un voltaje de polarización positiva. Esta tendencia positiva 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 amplificador, integrador y sistema de visualización (H). Los productos de la llama finalmente salen del detector a través del puerto de escape (J).
Los detectores de ionización de llama se utilizan ampliamente en cromatografía de gases debido a una serie de ventajas.
Los detectores de ionización de llama no pueden detectar sustancias inorgánicas y algunas especies altamente oxigenadas o funcionalizadas como la tecnología infrarroja y láser sí pueden. En algunos sistemas, el CO y el CO 2 se pueden detectar en el FID utilizando un metanizador , que es un lecho de catalizador de Ni que reduce el CO y el CO 2 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 CO 2 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 agua y otros heteroátomos se oxidan según la termodinámica. Por este motivo, los FID suelen ser los últimos de un tren de detectores y tampoco pueden utilizarse 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. [11] La conversión completa de compuestos a metano y la respuesta ahora equivalente en el detector también elimina la necesidad de calibraciones y estándares porque todos los factores de respuesta son equivalentes a los del metano. Esto permite el análisis rápido de mezclas complejas que contienen moléculas donde los estándares no están disponibles.