海洋所在甲烷碳同位素的原位識(shí)別和定量研究中取得新進(jìn)展
日前,中國科學(xué)院海洋研究所張鑫研究團(tuán)隊(duì)基于原位激光拉曼光譜技術(shù),利用甲烷碳同位素(13CH4和12CH4)拉曼光譜的顯著差異,在甲烷碳同位素的原位識(shí)別和定量方面取得新進(jìn)展,相關(guān)成果近日在國際光譜學(xué)期刊Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy發(fā)表。
深海熱液系統(tǒng)釋放了大量CH4、H2等還原性氣體,供養(yǎng)了獨(dú)特的化能合成生物群落,對(duì)研究早期生命起源具有重要意義。但如此高濃度甲烷的來源仍然存在很大爭議,如“彩虹”超鎂鐵質(zhì)熱液系統(tǒng)中甲烷濃度高達(dá)2.5mmol/kg,遠(yuǎn)高于實(shí)驗(yàn)室中水巖反應(yīng)的甲烷產(chǎn)量。CH4的碳同位素組成是區(qū)分生物成因和非生物成因甲烷的有力手段,但現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)技術(shù)和碳同位素值測試方法無法排除背景碳源的影響,極大地影響了實(shí)驗(yàn)可靠性。近年來,原位拉曼光譜技術(shù)的快速發(fā)展,使得原位測定氣體同位素成為了可能,但當(dāng)前仍缺乏高溫高壓水熱體系下甲烷碳同位素的拉曼光譜研究。
針對(duì)上述問題,研究團(tuán)隊(duì)利用毛細(xì)管高壓透明腔,系統(tǒng)地研究了高溫高壓(25-400oC,50-400 bar)純CH4體系和CH4-H2O體系下13CH4和12CH4的拉曼光譜特征。研究表明13CH4的特征峰的峰位在2907cm-1-2912cm-1,隨著溫度的升高和壓力的減小向低波數(shù)移動(dòng);而12CH4的特征峰在2912cm-1-2917cm-1,在相同的溫度壓力下始終比13CH4高4.6-5.1cm-1,表明兩者可以很好的通過拉曼光譜來進(jìn)行區(qū)分(圖1)。此外,研究團(tuán)隊(duì)還分別建立了水溶液中13CH4和12CH4的濃度的拉曼定量校準(zhǔn)模型(圖2),研究表明由于溶解13CH4和12CH4本身拉曼散射截面的不同而不是水的摩爾密度或者拉曼散射截面的變化導(dǎo)致了兩者的拉曼定量校準(zhǔn)模型存在差異。相關(guān)研究成果為原位識(shí)別和定量分析甲烷的碳同位素組成提供了有力支撐,在高溫高壓水熱實(shí)驗(yàn)及深海原位探測等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
論文第一作者為中國科學(xué)院海洋研究所博士研究生葛玉洲,張鑫研究員為文章通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院A類戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)等項(xiàng)目聯(lián)合資助。
相關(guān)成果及鏈接如下:
Ge, Y., Li, L., Xi, S., Zhang, Y., Luan, Z., and Zhang, X., 2023, Comparison of Raman spectral characteristics and quantitative methods between 13CH4 and 12CH4 from 25 to 400 C and 50 to 400 bar: Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, p. 123380.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S138614252301065X

圖1 不同溫度、壓力下13CH4和12CH4的特征峰的峰位和半高全寬

圖2 基于水的OH彎曲振動(dòng)帶(a)、伸縮振動(dòng)帶(b)建立的13CH4和12CH4的拉曼定量校準(zhǔn)模型
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