氣相色譜儀如何測量頁巖氣氣體的組分？

頁巖氣的快速發(fā)展與氣相色譜儀器的研發(fā)應用密切相關。目前，廣泛應用于頁巖氣氣體組分測定的儀器主要是氣相色譜儀。

自1952年世界上di一次創(chuàng)建實用氣液色譜法以來，氣相色譜已成為現(xiàn)代分析檢測儀器的代表。氣相色譜作為一種成熟的分離復雜混合物的分析技術，在石化分析、藥物分析、食品分析、環(huán)境分析、高聚物分析等領域均得到廣泛應用，是工業(yè)、農業(yè)、國防建設、科學研究中的重要工具。

對于頁巖氣組分定性定量的分析主要由氣相色譜儀測定完成。氣相色譜儀的高效、便捷、分離度高等特點不僅幫助推進了頁巖氣組分分析方面的研究速度，也提升了頁巖氣組分分析的精密度。

什么是氣相色譜儀？

氣相色譜可分為氣固色譜和氣液色譜。載氣作為氣相色譜分析中的流動相，主要以氮氣、氦氣等惰性氣體為主。固定相為固體時稱為氣固色譜，如活性炭、硅膠作為固定相。固定相為液體時稱為氣液色譜，如在惰性材料硅藻土涂層的角鯊烷作為固定相。

在頁巖氣氣體組分分析過程中，氣相色譜儀以載氣為流動相，利用頁巖氣中各氣體組分在色譜柱中的氣相和固定相間的分配系數(shù)不同，各組分在兩相間進行反復的分配過程，由于固定相對各組分的吸附能力不同，各組分在色譜柱中運行速度出現(xiàn)差異，經(jīng)過長長的色譜柱之后，各組分彼此分離，依次經(jīng)過檢測器， 經(jīng)記錄器繪制成色譜圖。如圖1為氣相色譜儀實物圖。

圖1 氣相色譜儀實物圖 (自然資源部中國地質調查局供圖)

一臺氣相色譜儀的基本部件由以下五大系統(tǒng)組成：氣路系統(tǒng)、進樣系統(tǒng)、柱系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)記錄和處理系統(tǒng)。組分能否分開，關鍵在于色譜柱；分離后組分能否鑒定出來則在于檢測器，所以柱系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)是儀器的核心。如圖2為氣相色譜儀內部結構簡圖。

圖2 氣相色譜儀內部結構簡圖(自然資源部中國地質調查局供圖)

檢測器對每個組分所給出的信號，在記錄儀上表現(xiàn)為一個個的峰，稱為色譜峰。色譜峰上的極大值是定性分析的依據(jù)，而色譜峰面積則取決于對應組分的含量，故峰面積是定量分析的依據(jù)。一個混合物樣品注入后，由記錄儀記錄得到的曲線，稱為色譜圖。通過分析色譜圖就可以得到定性分析和定量分析結果。如圖3為頁巖氣色譜圖。

圖3 頁巖氣色譜圖(a. FID色譜圖 b. TCD色譜圖)(自然資源部中國地質調查局供圖)

氣相色譜儀的發(fā)展歷史

James和Martin在1952年提出了氣液相色譜法的概念，同時也發(fā)明了di一個氣相色譜檢測器。我國是在1994年發(fā)明出了熱導計，它的發(fā)明代表著我國正式跨入了氣相色譜儀器陣營。

氣相色譜儀器近年來發(fā)展迅速，特別是在自動化和網(wǎng)絡化上，氣相色譜儀器已經(jīng)實現(xiàn)了遠程操作。隨著氣相色譜儀技術的創(chuàng)新和發(fā)展，氣相色譜儀正向著靈敏度更高、便捷性更好、選擇性更強的方向發(fā)展，初步具備智能化、微型化等特點。

策劃：自然資源部中國地質調查局科普辦公室(中國地質調查局地學文獻中心)

作者：自然資源部中國地質科學院國家地質實驗測試中心 黃春華

審核專家：自然資源部中國地質科學院國家地質實驗測試中心 沈斌