炎イオン化検出器

水素炎イオン化検出器（FID ）は、ガス流中の分析対象物を測定する科学機器です。ガスクロマトグラフィーの検出器としてよく使用されます。単位時間あたりのイオンを測定するため、質量感度の高い機器です。^{[1]スタンドアロンのFIDは}、埋立地ガス監視、漏洩排出物監視、内燃機関排出物測定などの用途にも使用できます^[2]固定式またはポータブル機器での使用も可能です。

最初の炎イオン化検出器は、1957年にオーストラリア・ニュージーランド帝国化学工業（ICIANZ、 オリカの歴史を参照）中央研究所（オーストラリア・メルボルン、アスコット・ベール）のマクウィリアムとデュワーによって同時に独立して開発されました。^{[3] [4] [5]}また、南アフリカのプレトリアにあるプレトリア大学のハーレーとプレトリウスによっても開発されました。^[6]

1959年、パーキンエルマー社は蒸気フラクトメーターに炎イオン化検出器を搭載しました。^[7]

FID の動作は、水素 炎内での有機化合物の燃焼中に生成されるイオンの検出に基づいています。これらのイオンの生成は、サンプルガス流中の有機種の濃度に比例します。

これらのイオンを検出するには、電位差を与える 2 つの電極を使用します。正極は、炎が生成されるノズル ヘッドとして機能します。もう 1 つの負極は、炎の上に配置されます。最初に設計されたとき、負極は涙滴型または角張ったプラチナ片でした。今日では、この設計は管状電極に変更され、一般にコレクタ プレートと呼ばれます。イオンはこのようにコレクタ プレートに引き寄せられ、プレートに当たると電流を誘導します。この電流は、高インピーダンスピコアンメータで測定され、積分器に送られます。最終的なデータの表示方法は、コンピューターとソフトウェアによって異なります。一般に、x 軸に時間、y 軸に総イオンを示すグラフが表示されます。

測定された電流は、炎中の還元炭素原子の割合にほぼ相当します。イオンがどのように生成されるかは必ずしも理解されていませんが、検出器の応答は、単位時間あたりに検出器に当たる炭素原子（イオン）の数によって決まります。これにより、検出器は濃度ではなく質量に敏感になり、検出器の応答はキャリアガスの流量の変化に大きく影響されないため便利です。

FID の測定値は通常、「メタンとして」報告されます。つまり、同じ応答を生成するメタンの量として報告されます。化学物質の元素組成に応じて、同じ量の化学物質でも生成される電流の量は異なります。さまざまな化学物質に対する検出器の応答係数を使用して、電流測定値を各化学物質の実際の量に変換できます。

炭化水素の応答係数は一般に分子内の炭素原子の数に等しく（炭素原子の数が多いほど電流が大きくなります）、一方、酸素化物やヘテロ原子を含むその他の種の応答係数は低くなる傾向があります。一酸化炭素と二酸化炭素はFID では検出できません。

FID測定は「総炭化水素」^{[8]または「総炭化水素含有量」（THC）と呼ばれることが多いが、より正確な名称は「総揮発性炭化水素含有量」（TVHC） [9] [10]}である。これは、凝縮した炭化水素は、圧縮酸素を取り扱う際の安全性など、重要であるにもかかわらず検出されないためである。

水素炎イオン化検出器の設計はメーカーによって異なりますが、原理は同じです。最も一般的には、FID はガスクロマトグラフィー システムに接続されます。

溶離液はガスクロマトグラフィーカラム (A) から出て、FID 検出器のオーブン (B) に入ります。オーブンは、溶離液がカラムから出るとすぐにガス相から出てカラムと FID の界面に堆積しないようにするために必要です。この堆積により、溶離液が失われ、検出にエラーが発生します。溶離液が FID を移動すると、最初に水素燃料 (C) と混合され、次に酸化剤 (D) と混合されます。溶離液/燃料/酸化剤の混合物は、正のバイアス電圧が存在するノズルヘッドまで移動し続けます。この正のバイアスは、溶離液を熱分解する炎 (E) によって生成された酸化炭素イオンをはじくのに役立ちます。イオン (F) は、コレクタープレート (G) に向かってはじかれます。コレクタープレートは、プレートに当たるイオンを検出し、その信号を増幅器、積分器、および表示システム (H) に送信する非常に感度の高い電流計に接続されています。炎の生成物は最終的に排気ポート（J）から検出器の外に排出されます。

炎イオン化検出器は、多くの利点があるため、ガスクロマトグラフィーで非常に広く使用されています。

• コスト: 炎イオン化検出器は、入手と運用が比較的安価です。
• メンテナンスの必要性が低い: FID ジェットの清掃や交換以外に、これらの検出器のメンテナンスはほとんど必要ありません。
• 頑丈な構造: FID は誤用に対して比較的耐性があります。
• 直線性と検出範囲：FIDは、^107g /sの直線応答範囲を持ち、非常に低いレベル（10−13g/s）から非常に高いレベル^まで有機物質の濃度を測定することができます。^[1]

炎イオン化検出器は無機物質を検出できませんが、赤外線やレーザー技術などの高度に酸素化された、または機能化された一部の物質は検出できます。一部のシステムでは、CO と CO 2 はメタナイザーを使用して FID で検出できます_。メタナイザーは、CO と CO ₂をメタンに還元する Ni 触媒層で、このメタンが FID で検出されます。メタナイザーは、CO と CO ₂以外の化合物を還元できないことと、ガスクロマトグラフィーの排出物によく見られるいくつかの化学物質によって汚染される傾向があることが制限されています。

もう 1 つの重要な欠点は、FID 炎が通過するすべての酸化可能な化合物を酸化することです。すべての炭化水素と酸素化物は二酸化炭素に酸化され、水とその他のヘテロ原子は熱力学に従って酸化されます。このため、FID は検出器列の最後に置かれる傾向があり、準備作業にも使用できません。

メタナイザーの改良版としてポリアークリアクターがあります。これは化合物を酸化してからメタンに還元する連続リアクターです。この方法を使用すると、FIDの応答を改善し、より多くの炭素含有化合物を検出できます。^[12]化合物がメタンに完全に変換され、検出器での応答が同等になったため、応答係数がすべてメタンの応答係数と同等になり、校正や標準が不要になります。これにより、標準が利用できない分子を含む複雑な混合物の迅速な分析が可能になります。

• アクティブ防火
• 炎検出器
• ガスクロマトグラフィー
• 光電炎光度計
• 光イオン化検出器
• 熱伝導率検出器