Nedávno výskumný tím Xin Zhang z Inštitútu oceánografie Čínskej akadémie vied (IOCS) dosiahol nový pokrok v identifikácii a kvantifikácii izotopov metánu uhlíka in situ na základe laserovej Ramanovej spektroskopie in situ, pričom využíva významný rozdiel v Ramanových spektrách. izotopov metánu uhlíka (13CH4 a 12CH4) a súvisiace výsledky boli nedávno publikované v medzinárodnom spektroskopickom časopise Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy.
Hlbokomorské hydrotermálne systémy uvoľňujú veľké množstvá CH4, H2 a iných redukčných plynov, ktoré živia jedinečné chemosyntetické biomy, ktoré sú dôležité pre štúdium pôvodu raného života. Zdroj takejto vysokej koncentrácie metánu je však stále kontroverzný, napr. koncentrácia metánu v super-MgFe hydrotermálnom systéme Rainbow je až 2,5 mmol/kg, čo je oveľa viac ako výťažok metánu pri reakcii voda-hornina. v laboratóriu. Zloženie izotopov uhlíka CH4 je účinným prostriedkom na rozlíšenie medzi biogénnym a abiogénnym metánom, ale existujúce experimentálne techniky a metódy testovania hodnoty izotopov uhlíka nemožno použiť na vylúčenie výťažku metánu z laboratória. Existujúce experimentálne techniky a metódy testovania hodnôt izotopov uhlíka však nedokážu vylúčiť vplyv zdrojov uhlíka na pozadí, čo výrazne ovplyvňuje spoľahlivosť experimentu. Rýchly rozvoj Ramanovej spektroskopie in situ v posledných rokoch umožnil určiť izotopy plynu in situ, ale stále je nedostatok Ramanových spektroskopických štúdií izotopov metánu uhlíka pod vysokoteplotnými a vysokotlakovými hydrotermálnymi systémami.
Na vyriešenie vyššie uvedených problémov výskumný tím systematicky skúmal Ramanove spektrálne charakteristiky 13CH4 a 12CH4 v čistom systéme CH4 a systéme CH4-H2O pri vysokej teplote a vysokom tlaku (25-400oC, {{8 }} bar) pomocou kapilárnej vysokotlakovej priehľadnej dutiny. Ukázalo sa, že vrcholy charakteristických vrcholov 13CH4 boli v rozsahu 2907 cm-1-2912cm-1, pričom s nárastom teploty a poklesom tlaku sa posúvali k nižším vlnovým číslam, zatiaľ čo vrcholy charakteristické vrcholy 12CH4 boli v rozsahu 2912 cm-1 -2917 cm-1, čo je vždy viac ako 13CH4 x 4.6-5,1 cm-1 pri rovnakej teplote a tlaku , čo naznačuje, že tieto dva sa dajú dobre rozlíšiť Ramanovou spektroskopiou (obrázok 1). Okrem toho výskumný tím vytvoril aj Ramanove kvantitatívne kalibračné modely pre koncentrácie 13CH4 a 12CH4 vo vodných roztokoch (obr. 2), ktoré ukázali, že rozdiely v Ramanových kvantitatívnych kalibračných modeloch pre rozpustené 13CH4 a 12CH4 boli spôsobené rozdielmi v Prierezy Ramanovho rozptylu samotných rozpustených 13CH4 a 12CH4, a nie zmien v molárnej hustote vody alebo prierezov Ramanovho rozptylu rozpustených 13CH4 a 12CH4. Súvisiace výsledky výskumu poskytujú silnú podporu pre in situ identifikáciu a kvantitatívnu analýzu zloženia uhlíkových izotopov metánu, ktoré má široké uplatnenie pri vysokoteplotných a vysokotlakových hydrotermálnych experimentoch a hlbokomorskom in situ prieskume.
Prvým autorom článku je Yuzhou Ge, doktorand na Inštitúte oceánografie Čínskej akadémie vied, a Xin Zhang, výskumník, je zodpovedajúcim autorom článku. Tento výskum bol spoločne financovaný Národnou nadáciou pre prírodné vedy v Číne a Strategickým pilotným programom triedy A Čínskej akadémie vied.
Súvisiace výsledky a odkazy sú nasledovné:
Ge, Y., Li, L., Xi, S., Zhang, Y., Luan, Z. a Zhang, X., 2023, Porovnanie Ramanových spektrálnych charakteristík a kvantitatívnych metód medzi 13CH4 a 12CH4 od 25 do 400 stupňov a 50 až 400 bar: Spectrochimica Acta časť A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, str. 123380.
Obr. 1 Polohy píkov a polovičná výška a plná šírka charakteristických píkov 13CH4 a 12CH4 pri rôznych teplotách a tlakoch.
Obr. 2 Ramanove kvantitatívne kalibračné modely 13CH4 a 12CH4 založené na OH ohybových vibračných pásmach (a) a natiahnutí vibračných pásov (b) vody
