GC-IRMS: Assessment of precision and accuracy of carbon isotope fingerprints measurements in natural gas

Význam tématu

Analýza stabilních izotopů uhlíku v přírodním plynu pomocí GC-IRMS poskytuje cenné informace o původu a geochemickém vývoji uhlovodíkových plynů. Přesné a věrohodné izotopové otisky (δ13C) umožňují rozlišit biogenní a termogenní plyn, sledovat stupeň zrání ložiska a detekovat post-­tvorbové procesy, jako je biodegradace či mísení plynů z různého zdroje. Standardizace a validace metodiky zvyšují mezinárodní srovnatelnost dat a kvalitu výsledků v průmyslu i výzkumu.

Cíle a přehled studie

Cílem této aplikace bylo ověřit přesnost a reprodukovatelnost měření δ13C izotopových otisků metanu, ethanu a propanu v referenčních směsích přírodního plynu (USGS HCG-1, HCG-2 a HCG-3). Studie se zaměřila na kalibraci dat vůči mezinárodnímu izotopovému standardu a na hodnocení výkonu celého analytického řetězce GC-IRMS pro potřeby standardizace plynné analýzy.

Použitá metodika a instrumentace

Analýza byla provedena na systému Thermo Scientific GC IsoLink II IRMS spojeném s hmotnostním spektrometrem DELTA V a rozhraním ConFlo IV. Vzorky referenčních materiálů (USGS HCG-1 až HCG-3) byly separovány plynulou chromatografií (CP-PoraPlot Q 27,5 m × 0,32 mm × 10 μm) při stanovených teplotních programech a modulech vstřiku (SSL, split). Komponenty C1–C3 byly kvantitativně přeměněny na CO₂ v konverzním interface a následně detekovány IRMS technikou. Pro kalibraci a hodnocení přesnosti byly použity standardy distribuované U.S. Geological Survey.

Hlavní výsledky a diskuse

Porovnání očekávaných a naměřených hodnot δ13C ukázalo velmi vysokou lineární korelaci (R² ≈ 0,999), průměrná odchylka kolem 0,1 ‰ a stabilní standardní odchylky pro jednotlivé komponen­ty. Výsledky potvrzují vysokou přesnost a reprodukovatelnost GC-IRMS pro měření izotopových otisků v plynných směsích různých složení. Testy na standardech USGS HCG-1 až HCG-3 pokryly široké spektrum molekulárních poměrů a δ13C hodnot od –1,5 do –61,4 ‰.

Přínosy a praktické využití metody

• Standardizace laboratoří: jednotný měřicí řetězec a referenční materiály zajišťují srovnatelnost výsledků v různých zařízeních.
• Geochemické aplikace: rozlišení biogenního vs. termogenního plynu, určení původu a zrání ložisek.
• Environmental forensics: sledování úniků a degradace uhlovodíků v prostředí.
• Průmyslová kontrola kvality: ověřování koncentrace a izotopového složení dodávaného plynu.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekává se rozšíření metodiky na těžší uhlovodíky (C4–C5) a souběžné sledování vodíkových izotopů (δ2H) pro komplexnější charakterizaci plynů. Automatizace přípravy vzorků, online monitorování v terénu a kombinace s dalšími analytickými technikami (např. GC×GC-IRMS) posunou hranice citlivosti a selektivity. Využití v uhlíkovém auditu a sledování emisí otevírá nové aplikační pole v oblasti klimatologie a průmyslové ekologie.

Závěr

Studie prokázala, že systém GC IsoLink II IRMS umožňuje získávat vysoce přesné a reprodukovatelné izotopové otisky δ13C v přírodním plynu, což významně přispívá k mezinárodní standardizaci měření a rozšíření aplikací v geochemii a environmentálních forenzních analýzách.

Reference

1. Philp RP, Lo Monaco G. Applications of Stable Isotopes in Hydrocarbon Exploration and Environmental Forensics. In: Baskaran M, ed. Handbook of Environmental Isotope Geochemistry. Springer; 2011:639–677.
2. Schoell M. Recent advances in petroleum isotope geochemistry. Org Geochem. 1984;6:645–663.
3. Schoell M. Stable isotopes in petroleum research. In: Brooks J, Welte D, eds. Advances in Petroleum Geochemistry. Academic; 1984:215–245.
4. Hunt JM. Petroleum geochemistry and geology. W.H. Freeman; 1996.
5. Schoell M, Jenden PD. Isotope analysis of gases in gas field and gas storage. SPE Paper 26171; 1993.
6. Milkov AV, Etiope G. Revised genetic diagrams for natural gases based on a global dataset of >20 000 samples. Org Geochem. 2018;125:109–120.