Alphasense PID光离子化传感器技术详解及其在VOCs检测中的应用

什么是PID光离子化传感器？

光离子传感器（PID）是一种利用高能量紫外光将检测物从分子状态离子化成离子和电子的传感器，用于检测低浓度的挥发性有机物（VOC）和少量的气态无机物质。光离子化传感器（Photo Ionization Detector）由紫外光源和气室构成。PID 中激发待测气体离子化的源头就是电离室中的紫外灯，被测气体到达气室后，被紫外灯发射的紫外光电离产生电荷流，气体浓度和电荷流的大小正相关，测量电荷流即可测得气体浓度。紫外发光原理与日光灯管相同，只是频率高，能量大。

PID是如何工作的?

PID-A1和PID-AH通过光电离检测(PID)测量空气中的挥发性有机化合物(VOCs)，如下图所示。将测试气体(1)提供给光电离电池顶部的膜过滤器，并自由扩散进出由过滤器、外壳壁和UV灯窗组成的底层腔室。该灯发射出高能UV光子(箭头所示)，通过窗户传输。当光子 被分子吸附时，在腔室中发生光电离，产生两个带电离子，一个带正电，X+，一个带负电，Y-(2a)。阴极和阳极电极之间产生电场，吸引离子(2b)。所产生的电流与VOC的浓度成正比，测量并用于确定气体浓度。PID-A包括第三个栅栏电极(专利)，以确保放大的电流不包括其他电流源(如室壁上的冷凝水)的显著贡献。

什么是挥发性有机化合物(VOC)?

挥发性有机化合物，或VOC，是一种含碳的化学物质，在环境温度下会显著或完全蒸发。

PID检测到哪些挥发性有机化合物(VOCs)?

大多数VOCs可以通过PID检测到。值得注意的例外是低分子量碳氢化合物。每个VOC都有一个特征阈值光能量(光子能量)，当指向VOC时，会使其分裂成离子。这被称为电离势，或IP。如果光子能量大于IP的光与气体样品相互作用，则VOCs被电离(从而被检测到)。 探测器中产生的峰值光子能量取决于所使用的PID灯:氙=9.6eV，氘=10.2eV，氪=10.6eV，氩气=11.7eV。因此，使用氩气灯可以检测到最大范围的挥发性化合物，而使用氙灯可以增加选择性。窗口的不稳定性意味着Alphasense不推荐也不提供11.7eV的灯。特定类型的灯通常不会在光谱指纹上发生变化，因此对特定气体(如苯)对特定灯(如氪)的相对响应不会因灯而异。但是，灯的强度确实在一定程 度上有所不同，从而导致对校准气体的绝对响应存在差异。

与任何其他检测器一样，PID测量化合物的充分挥发性也是必不可少的。一个相当大的分子，如α蒎烯(松节油的一种成分)，在20℃ 时，在空气中以5000ppm的浓度饱和;这是该化合物通常会被检测到的最大浓度。一些化合物，例如，机械油和农用化学品在环境温度下只产生几个ppm的蒸汽;而在空气中检测这些化合物则更加困难。应用笔记AAN305列出了VOCs的通用名称和它们对氪灯的灵敏度，最常见的灯和PID- A1和PID- AH标配的灯。

哪一种灯最好?

灯的选择取决于目标气体、选择性要求和灯寿命的考虑。通常使用氪灯，因为它的灵敏度高。

氙气灯(9.6eV)

检测到许多含有至少6个碳原子('C6')或更多的芳烃和不饱和VOCs。有时使用氙灯是一个优势，可以确保对BTEX等化合物的检测 更具选择性。如果需要，可以订购9.6eV的灯。

氪灯(10.6eV)

部分检测到C2，大部分检测到C3、C4+VOCs。例外情况通常含有氯、氟或溴。作为指导，您可以期望使用氪-pid检测以下内容:

化学名称以“-烷”、“-烯”或“-炔”结尾的所有碳氢化合物，但甲烷、乙烷、丙烷和乙炔除外，名称中包含“氯”、“氟”或“溴”的除外:

化学名称以-ol结尾的所有醇，甲醇除外，或者名称中经常包含“氯”、“氟”或“溴”的醇除外

所有名称以“醛”结尾的醛类，但甲醛除外，或者有时名称中包含“氯”、“氟”或“溴”

所有化学名称以-1结尾的酮类，除非名称中包含“氯”、“氟”或“溴”

所有以“-ate”结尾的酯类，除非名称中包含“氯”、“氟”或“溴”

所有胺类、硫化物

氩气灯(11.7eV)

所有可被氪灯检测到的挥发性有机化合物，加上乙炔，甲醇，甲醛和大约80%的挥发性有机化合物，其化学名称包括 “氟”、“氯”和“溴”。然而，这种灯的寿命非常短，因为紫外线窗是由氟化锂制成的，氟化锂容易降解，所以Alphasense公司没有。

什么是响应因子?

PID的灵敏度根据所用灯的类型(氪或氙)和检测到的VOC而变化。响应因子是一个数字，它将PID对特定VOC的响应与对校准气体(通常是异丁烯)的PID响应联系起来。如果PID对特定VOC的响应比对相同浓度的异丁烯的响应小8倍，则响应因子为8。同样，如果特定VOC的响应因子为0.5，则PID响应是相同浓度下异丁烯的两倍。

例子:

使用异丁烯校准传感器，发现其灵敏度为2mVppm-1。

如果传感器暴露于100ppm异丁烯，输出将为200mV。

甲苯已知产生异丁烯的两倍的响应。

如果传感器暴露于100ppm甲苯，输出将为400mV。 •为了纠正响应，它乘以响应系数为0.5的甲苯。

如果响应因子被编程到仪器中，您可以指定一种挥发性化合物，仪器将内部补偿对应于该挥发性的响应因子，并显示和记录校正后的 挥发性浓度。参见“MiniPID响应因子”和倒数，%灵敏度。

还有其他测量VOCs的方法吗?

pid具有优异的灵敏度，大的动态范围，并允许在较高无机气体浓度背景下测量ppb-低ppm的VOCs。但还有其他测量VOCs的技术:

火焰电离探测器(FID)

与pid非常相似，fid在实验室中经常用于检测从气相色谱仪洗脱的VOCs。fid和pid一样，没有选择性，实际上所有的有机化合物 包括甲烷都被测量，fid可以非常敏感和线性。但是fid需要氢源，体积庞大，价格昂贵。fid在实验室或固定场所很好，但目前还 不是便携式VOC监测的可行选择。

便携式GC/MS

这种传统的实验室分析仪器正在进入该领域，结果喜忧参半。随着微机械硅(MEMS)，便携式MS和便携式GC可能仍然成为一个 真正的替代品，但成本是令人望而却步的。它确实有选择性的优势——它不是宽带分析仪。尺寸，成本，对真空泵(MS)的需求和 维护要求使得只有在所有其他方法都失败时才可以选择。

热解吸或泰德勒取样袋

对于土壤样品，其他固体，液体和气体中吸附的所有VOCs的回顾性分析，ASTM建议使用吸附管或泰德勒取样袋。然后将样品 送到实验室进行吸附管的热解吸，然后使用传统的GC/MS分析。在测量特定问题时，这是最好的技术，但显然不能实时提供保护。 此外，这些都是平均测量值，而不是特定于点/时间的。

电化学传感器

你可以用电化学电池测量许多VOCs，分辨率从10到200ppb。这些都是低成本、低功耗、紧凑的传感器。Alphasense为VOC应用提供ETO-A1传感器。pid和电化学电池都是宽带传感器，但具有不同的特征-pid将比ETO-A1测量更多的VOCs，并且具有更 =高的灵敏度。如果您希望用电化学电池测量VOC，那么您应该针对目标VOC优化电化学传感器:每个VOC将需要不同的理想偏置电压以获得最佳灵敏度。这不是一件容易的事。电化学电池的响应时间约为25秒，而pid电池的响应时间为1-2秒。

金属氧化物半导体传感器(MOS)

金属氧化物传感器也将测量VOCs;它们比pid更紧凑，成本更低，功率更高。MOS传感器具有湿度敏感、非线性响应和长期漂移等缺点。它们也对无机气体有反应，所以如果你试图测量低浓度的VOCs，而这些气体如NO、NO2或CO的浓度较高，你就不应该使用它们。不幸的是，当使用MOS技术时，很容易得到假阳性和假阴性。如果要使用MOS，则要求确认长期稳定性和湿度灵敏度。 如果您想要高灵敏度，特别是对PID无法测量的VOCs(即许多cfc)，但不关心精度和交叉灵敏度，MOS传感器可能提供一个可能的解决方案。

比色(“染色”)管

对特定VOCs进行采样的成熟技术，比色管已经存在了几十年，主要由Draeger或Kittegawa提供。它们具有一次性成本低和一定 特异性的优点，但缺点包括处理化学废物(一次性管通常含有有毒化学物质)，准确性差，人类对颜色变化的解释，采样问题和 非连续测量:它们不应该用于保护，只能用于定性采样。

英国Alphasense 光离子PID传感器PID-AH和PID-A1主要用来分别检测浓度在1ppb-50ppm以及100ppb-6000ppm数量级的低浓度挥发性有机化合物和其它的有毒物质。PID是一个高度灵敏、适用范围广泛的检测器。产品精度和分辨率高，可以有效的检测各种VOC浓度，这些系统的使用为高温燃烧过程提供了可靠的数据支持，为环保管理和安全生产提供了强大的工具。

审核编辑 黄宇