熱伝導率検出器

熱伝導率検出器（TCD ）は、カサロメーターとも呼ばれ、ガスクロマトグラフィーで一般的に使用されるバルク特性検出器および化学物質固有の検出器です。^[1]この検出器は、カラム溶出液の熱伝導率の変化を感知し、それをキャリアガスの基準流量と比較します。ほとんどの化合物の熱伝導率は、ヘリウムや水素などの一般的なキャリアガスよりもはるかに低いため、分析対象物がカラムから溶出すると、流出液の熱伝導率が低下し、検出可能な信号が生成されます。

TCD は、温度制御セル内の電気的に加熱されたフィラメントで構成されています。通常の状態では、フィラメントから検出器本体への安定した熱流があります。分析対象物が溶出し、カラム流出液の熱伝導率が低下すると、フィラメントが加熱されて抵抗が変化します。この抵抗の変化は、多くの場合、測定可能な電圧変化を生成するホイートストン ブリッジ回路によって感知されます。カラム流出液は抵抗器の 1 つを流れ、基準フローは 4 つの抵抗器回路の 2 番目の抵抗器を流れます。

ホイートストン ブリッジ回路を使用した従来の熱伝導率検出器設計の概略図を示します。回路の抵抗器 4 を流れる基準流量は、流量または温度の変動によるドリフトを補正します。抵抗器 3 を流れるカラム流出液の熱伝導率が変化すると、抵抗器の温度が変化し、その結果、抵抗の変化が信号として測定されます。

有機化合物、無機化合物を問わず、すべての化合物はヘリウムや水素とは異なる熱伝導率を持っているため、事実上すべての化合物を検出できます。そのため、TCD は万能検出器と呼ばれることがよくあります。

TCD は、分離カラム (クロマトグラフ内) の後段で使用され、サンプルに含まれる各化合物の濃度を測定します。実際、化合物が TCD を通過すると TCD 信号が変化し、ベースライン上にピークが形成されます。ベースライン上のピーク位置は、化合物の種類を反映します。ピーク面積 (TCD 信号を時間とともに積分して計算) は、化合物の濃度を表します。化合物の濃度がわかっているサンプルを使用して、TCD を較正します。濃度は、較正曲線を通じてピーク面積に影響されます。

TCD は、可燃性化合物 (例: 炭化水素) にのみ反応するFIDと比較して、未知のサンプルの初期調査に適した汎用検出器です。さらに、TCD は非特異的で非破壊的な手法です。TCD は、炭素水素結合を含まない化合物を検出できない FIDとは異なり、これらすべての物質に反応するため、永久ガス (アルゴン、酸素、窒素、二酸化炭素) の分析にも使用されます。

検出限界を考慮すると、TCDとFIDはどちらも低濃度レベル（ppmまたはppb未満）に達します。^[2]

どちらも加圧キャリアガス（通常、FID の場合は H _{2 、TCD の場合は He）が必要ですが、H 2 の}保管に伴うリスク（高可燃性、水素の安全性を参照）のため、安全性が極めて重要な場所では He を使用した TCD を検討する必要があります。

TCDを操作する際に注意すべきことの1つは、フィラメントが熱いときにガスの流れを決して中断してはならないということです。そうしないと、フィラメントが燃え尽きる可能性があります。TCDのフィラメントは、酸素との反応を防ぐために化学的に不活性化されていますが、不活性化層はハロゲン化合物によって攻撃される可能性があるため、可能な限り避けるべきです。^[3]

水素を分析する場合、ヘリウムを参照ガスとして使用すると、ピークは負として表示されます。アルゴンや窒素などの別の参照ガスを使用すれば、この問題を回避できますが、水素以外の化合物に対する検出器の感度が大幅に低下します。

この装置は、ガスと加熱コイルが入った 2 本の平行チューブを備えています。加熱コイルからガスへの熱損失率を比較することでガスを検査します。コイルはブリッジ回路に配置されており、不均等な冷却による抵抗の変化を測定できます。通常、一方のチャネルには基準ガスが保持され、もう一方のチャネルにテスト対象の混合物が通されます。

カサロメーターは、医療用として肺機能検査装置やガスクロマトグラフィーに使用されています。質量分析計と比較すると結果が出るまでに時間がかかりますが、この装置は安価で、問題のガスが分かっている場合は精度が高く、決定する必要があるのは割合だけです。

水素冷却タービン発電機における水素純度の監視。

MRI 超伝導磁石のヘリウム容器からのヘリウム損失の検出。

醸造業界では、ビールサンプル内の二酸化炭素の量を定量化するためにも使用されます。

エネルギー業界では、バイオガスサンプル内のメタンの量（発熱量）を定量化するために使用されます。

食品および飲料業界で、食品包装ガスの定量化および/または検証に使用されます。

石油・ガス業界で、地層を掘削する際に HC の割合を定量化するために使用されます。