氣相色譜儀如何測量頁巖氣氣體的組分？

頁巖氣的快速發展與氣相色譜儀器的研發應用密切相關。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一次創建實用氣液色譜法以來，氣相色譜已成為現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、環境分析、高聚物分析等領域均得到廣泛應用，是工業、農業、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差異，經過長長的色譜柱之后，各組分彼此分離，依次經過檢測器， 經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組成：氣路系統、進樣系統、柱系統、檢測系統、數據記錄和處理系統。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，所以柱系統和檢測系統是儀器的核心。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，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。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，同時也發明了di一個氣相色譜檢測器。我國是在1994年發明出了熱導計，它的發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展迅速，特別是在自動化和網絡化上，氣相色譜儀器已經實現了遠程操作。隨著氣相色譜儀技術的創新和發展，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