كاشف التأين الضوئي

كاشف التأين الضوئي أو PID هو نوع من كاشفات الغاز .

تقيس أجهزة الكشف الضوئي التأيني النموذجية المركبات العضوية المتطايرة والغازات الأخرى بتراكيز تتراوح من أجزاء من المليار إلى 10000 جزء من المليون . يُعدّ جهاز الكشف الضوئي التأيني جهازًا فعالًا وغير مكلف لتحليل العديد من الغازات والأبخرة. تُنتج هذه الأجهزة قراءات فورية، وتعمل باستمرار، وتُستخدم عادةً في كروماتوغرافيا الغاز أو كأجهزة محمولة باليد. تُستخدم النسخ المحمولة التي تعمل بالبطارية على نطاق واسع في المنشآت العسكرية والصناعية وأماكن العمل المغلقة لأغراض الصحة والسلامة. ويتمثل استخدامها الأساسي في مراقبة تعرض العمال المحتمل للمركبات العضوية المتطايرة ، مثل المذيبات والوقود ومزيلات الشحوم والبلاستيك ومواده الأولية وسوائل نقل الحرارة ومواد التشحيم، وغيرها، أثناء عمليات التصنيع ومعالجة النفايات.

تُستخدم أجهزة PID المحمولة لأغراض المراقبة:

• الصحة والسلامة المهنية​
• التلوث البيئي ومعالجته​
• التعامل مع المواد الخطرة
• الكشف عن الأمونيا
• قياسات الحد الأدنى للانفجار
• التحقيق في الحريق العمد ^{[ 1 ]}
• جودة الهواء الداخلي
• صيانة مرافق الغرف النظيفة
• المركبات العضوية المتطايرة المنبعثة من مضارب تنس الطاولة

في كاشف التأين الضوئي، تعمل الفوتونات عالية الطاقة ، والتي تقع عادةً ضمن نطاق الأشعة فوق البنفسجية الفراغية (VUV)، على تفكيك الجزيئات إلى أيونات موجبة الشحنة . ^{[ 2 ]} عند دخول المركبات إلى الكاشف، تتعرض لقصف من فوتونات الأشعة فوق البنفسجية عالية الطاقة، وتتأين عند امتصاصها للأشعة فوق البنفسجية، مما يؤدي إلى انبعاث الإلكترونات وتكوين أيونات موجبة الشحنة. تُنتج هذه الأيونات تيارًا كهربائيًا ، وهو إشارة خرج الكاشف . كلما زاد تركيز المكون، زاد عدد الأيونات المُنتجة، وبالتالي زاد التيار. يُضخّم التيار ويُعرض على مقياس التيار أو شاشة عرض رقمية للتركيز. يمكن للأيونات أن تخضع لتفاعلات عديدة، بما في ذلك التفاعل مع الأكسجين أو بخار الماء، وإعادة الترتيب، والتفتت. قد يستعيد عدد قليل منها إلكترونًا داخل الكاشف لإعادة تكوين جزيئاتها الأصلية؛ ومع ذلك، فإن جزءًا صغيرًا فقط من المواد المُحللة المحمولة جوًا يتأين في البداية، لذا فإن التأثير العملي لهذا (إن حدث) يكون عادةً ضئيلاً. وبالتالي، فإن أجهزة الكشف الضوئية والكشفية غير مدمرة ويمكن استخدامها قبل أجهزة الاستشعار الأخرى في تكوينات متعددة الكواشف.

لا يستجيب جهاز الكشف الضوئي التأيني (PID) إلا للمكونات التي تمتلك طاقات تأين مماثلة أو أقل من طاقة الفوتونات التي ينتجها مصباح PID. ^{[ 3 ]} وباعتبارها أجهزة كشف مستقلة، فإن أجهزة PID واسعة النطاق وغير انتقائية، إذ قد تؤين أي شيء بطاقة تأين أقل من أو تساوي طاقة فوتونات المصباح. وتتراوح الحدود العليا لطاقة الفوتونات في المصابيح التجارية الأكثر شيوعًا بين 8.4 إلكترون فولت، و10.0 إلكترون فولت، و10.6 إلكترون فولت، و11.7 إلكترون فولت. أما المكونات الرئيسية والثانوية للهواء النظيف، فجميعها تمتلك طاقات تأين أعلى من 12.0 إلكترون فولت، وبالتالي لا تتداخل بشكل كبير مع قياس المركبات العضوية المتطايرة، التي عادةً ما تكون طاقات تأينها أقل من 12.0 إلكترون فولت. ^{[ 4 ]}

تعتمد انبعاثات الفوتونات من مصباح PID على نوع غاز التعبئة (الذي يحدد طاقة الضوء المنتجة) ونافذة المصباح، والتي تؤثر على طاقة الفوتونات التي يمكن أن تخرج من المصباح:

يُعدّ المصباح ذو طاقة 10.6 إلكترون فولت الأكثر شيوعًا نظرًا لقوة إضاءته، وعمره الطويل، وتفاعله مع العديد من المركبات. وتشمل هذه المركبات، مرتبةً تقريبًا من الأكثر حساسية إلى الأقل حساسية:

• المواد العطرية
• الأوليفينات
• البروميدات واليوديدات
• الكبريتيدات والمركابتانات
• الأمينات العضوية
• الكيتونات
• الأثير
• الإسترات والأكريلات
• الألدهيدات
• الكحوليات
• الألكانات
• بعض المواد غير العضوية، بما في ذلك _NH3 و _H2S و _PH3

كان أول تطبيق تجاري لتقنية الكشف عن التأين الضوئي عام 1973 كجهاز محمول باليد للكشف عن تسربات المركبات العضوية المتطايرة، وتحديدًا مونومر كلوريد الفينيل (VCM)، في منشأة تصنيع مواد كيميائية. وطُبقت هذه التقنية على كروماتوغرافيا الغاز (GC) بعد ثلاث سنوات، في عام 1976. ^{[ 5 ]} يتميز كاشف التأين الضوئي بانتقائية عالية عند اقترانه بتقنية كروماتوغرافية أو أنبوب معالجة مسبقة، مثل أنبوب خاص بالبنزين. ويمكن الحصول على نطاق أوسع من الانتقائية للمركبات سهلة التأين باستخدام مصباح فوق بنفسجي منخفض الطاقة. وتُعد هذه الانتقائية مفيدة عند تحليل المخاليط التي لا يُراد تحليل سوى بعض مكوناتها.

عادةً ما تتم معايرة كاشف التأين الضوئي (PID) باستخدام الأيزوبوتيلين ، وقد تُظهر المواد التحليلية الأخرى استجابةً أكبر أو أقل نسبيًا بناءً على التركيز. على الرغم من أن العديد من مصنعي كاشفات التأين الضوئي يوفرون إمكانية برمجة الجهاز بمعامل تصحيح للكشف الكمي عن مادة كيميائية محددة، إلا أن الانتقائية الواسعة لهذا الكاشف تعني أنه يجب على المستخدم معرفة نوع الغاز أو البخار المراد قياسه بدقة عالية. ^{[ 4 ]} إذا تم إدخال معامل تصحيح للبنزين في الجهاز، ولكن تم قياس بخار الهكسان بدلاً منه، فإن انخفاض استجابة الكاشف النسبية (ارتفاع معامل التصحيح) للهكسان سيؤدي إلى التقليل من تقدير التركيز الفعلي للهكسان في الهواء.

باستخدام جهاز كروماتوغرافيا الغاز أو أنبوب الترشيح أو تقنية فصل أخرى في اتجاه التيار قبل جهاز الكشف الضوئي، يتم تجنب تأثيرات المصفوفة بشكل عام لأن المادة المراد تحليلها تدخل الكاشف معزولة عن المركبات المتداخلة.

تكون استجابة أجهزة الكشف الضوئي المستقلة خطية عمومًا من نطاق أجزاء في المليار (ppb) وحتى بضعة آلاف من أجزاء في المليون (ppm) على الأقل. وفي هذا النطاق، تكون الاستجابة لمخاليط المكونات أيضًا خطية جمعية. ^{[ 4 ]} عند التركيزات الأعلى، تنحرف الاستجابة تدريجيًا عن الخطية بسبب إعادة اتحاد الأيونات ذات الشحنات المتعاكسة المتكونة في مناطق متقاربة، و/أو امتصاص الأشعة فوق البنفسجية دون تأيين. ^{[ 4 ]} قد تخمد الإشارة الناتجة عن جهاز الكشف الضوئي عند القياس في بيئات عالية الرطوبة، ^{[ 6 ]} أو عند وجود مركب مثل الميثان بتركيزات عالية ≥ 1% حجميًا. ^{[ 7 ]} ويعود هذا التوهين إلى قدرة الماء والميثان ومركبات أخرى ذات طاقات تأيين عالية على امتصاص الفوتونات المنبعثة من مصباح الأشعة فوق البنفسجية دون إنتاج تيار أيوني. وهذا يقلل من عدد الفوتونات النشطة المتاحة لتأيين المواد المستهدفة.