[科普中國]-光離子化檢測(cè)器

光離子化氣體檢測(cè)器（Photo Ionization Detector，簡稱 PID）是一種具有極高靈敏度，用途 廣泛的檢測(cè)器，可以檢測(cè)從極低濃度的 10ppb（億分之一）到較高濃度的10000ppm (1%) 的揮發(fā)性有機(jī)化合物（Volatile Organic Compounds，簡稱 VOC）和其它有毒氣體。與傳統(tǒng)檢測(cè)方法相比， 它具有便攜式，精度高（ppm 級(jí)），響應(yīng)快，可以連續(xù)測(cè)試等優(yōu)點(diǎn)。1

簡介光離子化作為一種檢測(cè)手段已有幾十年的發(fā)展歷史。1974年前后，PID研制取得了突破性進(jìn)展， 進(jìn)入了實(shí)用階段。近年來光離子化檢測(cè)器性能不斷得到改進(jìn)和完善，又為氣相色譜在化學(xué)、生物學(xué)、 醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)以及其它技術(shù)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，提供了新的、有效的檢測(cè)手段。但對(duì)于潛在的 泄漏事故的防范、自動(dòng)監(jiān)控報(bào)警及處理控制技術(shù)則研究較少。所以急需研究一種體積小，功耗低， 高靈敏度，攜帶方便，可以實(shí)時(shí)連續(xù)測(cè)量的氣體檢測(cè)器。

光離子化檢測(cè)器與傳統(tǒng)檢測(cè)方法相比， 它具有便攜式，精度高，響應(yīng)快，可以連續(xù)測(cè)試等優(yōu)點(diǎn)。它可以為工作人員提供實(shí)時(shí)的信息反饋，這種反饋可以使檢測(cè)人員確認(rèn)他們處于沒有暴露于危險(xiǎn)化學(xué)品之中的安全狀態(tài)，從而可以 更好的保護(hù)檢測(cè)人員。目前光離子化檢測(cè)器已廣泛應(yīng)用于各種有機(jī)化學(xué)品檢測(cè)中，特別在災(zāi)區(qū)事故 泄漏檢測(cè)、事故區(qū)域確認(rèn)和人員防護(hù)方面發(fā)揮著重要作用。1

分類光離子化檢測(cè)器從結(jié)構(gòu)上可分為光窗型和無光窗型兩種。

無光窗離子化檢測(cè)器這是一種利用微波能量激發(fā)常壓惰性氣體產(chǎn)生的等離子體，作為光源的光離子化檢測(cè)器(Microwave Photo-ionization detector)，以石英或硬質(zhì)玻璃管材料制作。當(dāng)樣品的組分進(jìn)入光離子化檢測(cè)器離子化室后，分子組分被高能量的等離子體激發(fā)為正離子和自由電子，在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下作定向運(yùn)動(dòng)形成離子流并輸出信號(hào);當(dāng)分子的電離能高于光子能量時(shí)則不會(huì)發(fā)生離子化效應(yīng)。如選用氦氣作為放電氣體，在理論上可檢測(cè)一切氣化的物質(zhì)。

光窗式光離子化檢測(cè)器它克服了無窗口式光離子化檢測(cè)器的許多缺陷，主要由紫外光源和電離室組成，中間由可透紫外光的光窗相隔，窗材料采用堿金屬或堿土金屬的氟化物制成。在電離室內(nèi)待測(cè)組分的分子吸收紫外光能量發(fā)生電離，選用不同能量的燈和不同的晶體光窗，可選擇性地測(cè)定各種類型的化合物。

原理介紹光離子化檢測(cè)器由真空紫外燈和電離室構(gòu)成。其工作原理是：待測(cè)氣體吸收紫外燈發(fā)射的高于氣體分子電離能的光子，被電離成正、負(fù)離子，在外加電場(chǎng)的作用下離子偏移形成微弱電流。由于被測(cè)氣體濃度與光離子化電流成線性關(guān)系，因此，通過檢測(cè)電流值可得知被檢測(cè)氣體的濃度，從而確定被測(cè)氣體是否超標(biāo)。其具體原理如圖（1）所示：

一般光離子化反應(yīng)包括直接電離和間接電離。

（1）直接電離

待測(cè)氣體R吸收光子（hv）后被電離成正離子，同時(shí)放出電子。

（2）間接電離

待測(cè)氣體分子吸收光能量到達(dá)激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)再電離成正離子，最后放出電子。

式中，R*處于超激發(fā)態(tài)，在外加電場(chǎng)的作用下，電子e和正離子R分別向正、負(fù)電極板偏移， 形成光離子化電流被檢測(cè)。待檢測(cè)完成之后，正離子和電子將會(huì)重新結(jié)合，形成原來的物質(zhì)，所以光離子化檢測(cè)方法不具有破壞性，待測(cè)物質(zhì)在檢測(cè)之后，還可以在后續(xù)分析中作進(jìn)一步的研究。2

系統(tǒng)構(gòu)成光離子化檢測(cè)器系統(tǒng)構(gòu)成 檢測(cè)器的系統(tǒng)構(gòu)成如圖（2）所示，其主要部件包括敏感頭單元（紫外燈，電離室，電極等），信號(hào)檢測(cè)電路，微控制器，顯示電路，人機(jī)接口電路和聲光報(bào)警電路等。 被紫外燈電離的待測(cè)氣體形成了離子，離子在極板電壓的作用下，定向移動(dòng)形成微弱電流。

在外界條件（電離室結(jié)構(gòu)，紫外燈強(qiáng)度）固定的條件下，電流的大小與氣體的濃 度為線性關(guān)系。系統(tǒng)采用微弱信號(hào)檢測(cè)電路，實(shí)現(xiàn)濃度→微弱電流→電壓的線性轉(zhuǎn)換，電壓經(jīng)過 差分放大后輸入給單片機(jī)，由單片機(jī)控制信號(hào)的存儲(chǔ)和顯示，并將電壓值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的濃度值輸出。1

特點(diǎn)光離子化檢測(cè)器的特點(diǎn)

（1）光離子化檢測(cè)器對(duì)大多數(shù)有機(jī)物可產(chǎn)生響應(yīng)信號(hào)，如對(duì)芳烴和烯烴具有選擇性，可降低混合碳?xì)浠衔镏型闊N基體的信號(hào)，以簡化色譜圖。

（2）光離子化檢測(cè)器不但具有較高的靈敏度，還可簡便地對(duì)樣品進(jìn)行前處理。在分析脂肪烴時(shí)，其響應(yīng)值可比火焰離子化檢測(cè)器高50倍。

（3） 具有較寬的線性范圍(107)，電離室體積小于50μe，適合于配置毛細(xì)管柱色譜。

（4） 它是一種非破壞性檢測(cè)器，還可和質(zhì)譜、 紅外檢測(cè)器等實(shí)行聯(lián)用，以獲取更多的信息。

（5）光離子化檢測(cè)器和火焰離子化檢測(cè)器聯(lián)用，可按結(jié)構(gòu)區(qū)分芳烴、烯烴和烷烴，從而解決了極性相近化合物的族分析問題。它還可與色譜微波等離子體發(fā)射光譜相媲美，并且直觀，方法簡便。

（6）可在常壓下進(jìn)行操作，不需使用氫氣、空氣等，簡化了設(shè)備，便于攜帶。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

唐浩宇 - 教授 - 湘潭大學(xué)