Наскоро изследователският екип на Xin Zhang от Института по океанография, Китайската академия на науките (IOCS) постигна нов напредък в in situ идентифицирането и количественото определяне на въглеродни изотопи на метан въз основа на in situ лазерна Раманова спектроскопия, използвайки значителната разлика в Raman спектрите на метанови въглеродни изотопи (13CH4 и 12CH4), а свързаните с тях резултати бяха публикувани наскоро в международното списание за спектроскопия Spectrochimica Acta Част A: Молекулярна и биомолекулярна спектроскопия.
Дълбоководните хидротермални системи отделят големи количества CH4, H2 и други редуциращи газове, които захранват уникални хемосинтетични биоми, които са важни за изучаване на произхода на ранния живот. Въпреки това, източникът на такава висока концентрация на метан все още е спорен, например концентрацията на метан в супер-MgFe хидротермалната система на Rainbow е толкова висока, колкото 2,5 mmol/kg, което е много по-високо от добива на метан при реакцията вода-скала в лабораторията. Въглеродният изотопен състав на CH4 е мощно средство за разграничаване на биогенен и абиогенен метан, но съществуващите експериментални техники и методи за тестване на стойността на въглеродния изотоп не могат да се използват за изключване на добива на метан от лабораторията. Въпреки това, съществуващите експериментални техники и методите за тестване на стойността на въглеродния изотоп не са в състояние да изключат влиянието на фоновите източници на въглерод, което значително влияе върху експерименталната надеждност. През последните години бързото развитие на in situ раманова спектроскопия направи възможно определянето на газови изотопи in situ, но все още липсват раманови спектроскопски изследвания на въглеродни изотопи на метан при хидротермални системи с висока температура и високо налягане.
За да се справи с горните проблеми, изследователският екип систематично изследва рамановите спектрални характеристики на 13CH4 и 12CH4 в чистата CH4 система и CH4-H2O система при висока температура и високо налягане (25-400oC, {{8 }} bar) чрез използване на капилярна прозрачна кухина с високо налягане. Беше показано, че пиковете на характерните пикове на 13CH4 са в диапазона от 2907cm-1-2912cm-1, преминавайки към по-ниски вълнови числа с повишаването на температурата и намаляването на налягането, докато пиковете на характерните пикове на 12CH4 бяха в диапазона от 2912cm-1 -2917 cm-1, което винаги е по-високо от 13CH4 с 4.6-5.1 cm-1 при същата температура и налягане , което показва, че двете могат да бъдат добре разграничени чрез раманова спектроскопия (Фигура 1). В допълнение, изследователският екип също така установи раманови модели за количествено калибриране за концентрациите на 13CH4 и 12CH4 във водни разтвори (фиг. 2), които показват, че разликите в моделите за количествено калибриране на Raman за разтворени 13CH4 и 12CH4 се дължат на разликите в Напречните сечения на рамановото разсейване на самите разтворени 13CH4 и 12CH4, а не промените в моларната плътност на водата или напречните сечения на рамановото разсейване на разтворените 13CH4 и 12CH4. Резултатите от свързаните изследвания осигуряват силна подкрепа за in situ идентифициране и количествен анализ на въглеродния изотопен състав на метана, който има широка перспектива за приложение в хидротермални експерименти с висока температура и високо налягане и дълбоководни in situ изследвания.
Първият автор на статията е Yuzhou Ge, докторант в Института по океанография, Китайската академия на науките, а Xin Zhang, изследовател, е съответният автор на статията. Това изследване беше съвместно финансирано от Националната природонаучна фондация на Китай и Стратегическата пилотна програма клас А на Китайската академия на науките.
Свързаните резултати и връзки са както следва:
Ge, Y., Li, L., Xi, S., Zhang, Y., Luan, Z. и Zhang, X., 2023 г., Сравнение на раманови спектрални характеристики и количествени методи между 13CH4 и 12CH4 от 25 до 400 градуса и 50 до 400 bar: Spectrochimica Acta Част A: Молекулярна и биомолекулярна спектроскопия, p. 123380.
Фиг. 1 Позиции на пикове и полувисочина и пълна ширина на характеристичните пикове на 13CH4 и 12CH4 при различни температури и налягания.
Фиг. 2 Раманови модели за количествено калибриране на 13CH4 и 12CH4, базирани на OH огъващи вибрационни ленти (a) и разтягащи вибрационни ленти (b) на вода
