Недавно исследовательская группа Синь Чжана из Института океанографии Китайской академии наук (IOCS) добилась нового прогресса в идентификации in situ и количественном определении изотопов углерода метана на основе лазерной рамановской спектроскопии in situ, используя значительную разницу в рамановских спектрах. изотопов углерода метана (13CH4 и 12CH4), и соответствующие результаты были недавно опубликованы в международном спектроскопическом журнале Spectrochimica Acta Part A: Молекулярная и биомолекулярная спектроскопия.
Глубоководные гидротермальные системы выделяют большое количество CH4, H2 и других восстановительных газов, которые питают уникальные хемосинтетические биомы, важные для изучения происхождения ранней жизни. Однако источник столь высокой концентрации метана до сих пор остается спорным, например, концентрация метана в супер-MgFe гидротермальной системе Рейнбоу достигает 2,5 ммоль/кг, что значительно превышает выход метана реакции вода-порода. в лаборатории. Изотопный состав углерода CH4 является мощным средством различения биогенного и абиогенного метана, но существующие экспериментальные методы и методы определения изотопного состава углерода не могут быть использованы для исключения выхода метана из лаборатории. Однако существующие экспериментальные методики и методы определения изотопного состава углерода не позволяют исключить влияние фоновых источников углерода, что существенно влияет на достоверность эксперимента. В последние годы бурное развитие рамановской спектроскопии in situ позволило определять изотопы газа in situ, однако до сих пор отсутствуют рамановские спектроскопические исследования изотопов углерода метана в гидротермальных системах с высокой температурой и высоким давлением.
Чтобы решить вышеуказанные проблемы, исследовательская группа систематически исследовала спектральные характеристики комбинационного рассеяния света 13CH4 и 12CH4 в чистой системе CH4 и системе CH4-H2O при высокой температуре и высоком давлении (25-400oC, {{8 }} бар) с использованием капиллярной прозрачной полости высокого давления. Показано, что пики характеристических пиков 13СН4 находятся в диапазоне 2907см-1-2912см-1, переходя в сторону меньших волновых чисел с ростом температуры и понижением давления, тогда как пики характерные пики 12СН4 находились в диапазоне 2912см-1 -2917 см-1, что всегда выше, чем у 13СН4 на 4.6-5.1 см-1 при одинаковых температуре и давлении. , что указывает на то, что их можно хорошо различить с помощью рамановской спектроскопии (рис. 1). Кроме того, исследовательская группа также разработала модели количественной калибровки комбинационного рассеяния для концентраций 13CH4 и 12CH4 в водных растворах (рис. 2), которые показали, что различия в моделях количественной калибровки комбинационного рассеяния для растворенных 13CH4 и 12CH4 обусловлены различиями в Сечения комбинационного рассеяния самих растворенных 13CH4 и 12CH4, а не изменения молярной плотности воды или сечения комбинационного рассеяния растворенных 13CH4 и 12CH4. Результаты соответствующих исследований дают убедительную поддержку для идентификации in situ и количественного анализа изотопного состава углерода метана, который имеет широкую перспективу применения в гидротермальных экспериментах при высоких температурах и высоких давлениях, а также в глубоководных исследованиях in situ.
Первым автором статьи является Ючжоу Гэ, докторант Института океанографии Китайской академии наук, а научный сотрудник Синь Чжан — автор-корреспондент. Это исследование финансировалось совместно Национальным фондом естественных наук Китая и Стратегической пилотной программой класса А Китайской академии наук.
Соответствующие результаты и ссылки следующие:
Ge, Y., Li, L., Xi, S., Zhang, Y., Luan, Z. и Zhang, X., 2023, Сравнение спектральных характеристик комбинационного рассеяния света и количественных методов между 13CH4 и 12CH4 от 25 до 400 градусов. и от 50 до 400 бар: Spectrochimica Acta Часть A: Молекулярная и биомолекулярная спектроскопия, стр. 123380.
Рис. 1. Положения пиков, полувысота и полная ширина характерных пиков 13СН4 и 12СН4 при различных температурах и давлениях.
Рис. 2. Модели количественной рамановской калибровки 13CH4 и 12CH4, основанные на деформационных колебательных полосах OH (а) и валентных колебательных полосах (б) воды.
