For nylig har forskerholdet af Xin Zhang fra Institute of Oceanography, Chinese Academy of Sciences (IOCS) gjort nye fremskridt i in situ identifikation og kvantificering af methan carbon isotoper baseret på in situ laser Raman spektroskopi, ved at udnytte den betydelige forskel i Raman spektre af methan-carbonisotoper (13CH4 og 12CH4), og de relaterede resultater er for nylig blevet offentliggjort i det internationale spektroskopitidsskrift Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy.
Dybhavshydrotermiske systemer frigiver store mængder CH4, H2 og andre reducerende gasser, der tilfører unikke kemosyntetiske biomer, som er vigtige for at studere oprindelsen af tidligt liv. Kilden til en så høj metankoncentration er dog stadig kontroversiel, f.eks. er metankoncentrationen i det super-MgFe hydrotermiske system i Rainbow så høj som 2,5 mmol/kg, hvilket er meget højere end metanudbyttet fra vand-sten-reaktionen i laboratoriet.Carbonisotopsammensætning af CH4 er et kraftfuldt middel til at skelne mellem biogen og abiogen metan, men de eksisterende eksperimentelle teknikker og kulstofisotopværditestmetoder kan ikke bruges til at udelukke metanudbyttet fra laboratoriet. De eksisterende eksperimentelle teknikker og metoder til afprøvning af kulstofisotopværdier er imidlertid ikke i stand til at udelukke indflydelsen fra baggrundskulstofkilder, hvilket i høj grad påvirker den eksperimentelle pålidelighed. I de senere år har den hurtige udvikling af in situ Raman-spektroskopi gjort det muligt at bestemme gasisotoper in situ, men der mangler stadig Raman-spektroskopiske undersøgelser af methan-kulstofisotoper under hydrotermiske systemer med høj temperatur og højtryk.
For at løse ovenstående problemer undersøgte forskerholdet systematisk Raman-spektralegenskaberne for 13CH4 og 12CH4 i det rene CH4-system og CH4-H2O-systemet ved høj temperatur og højt tryk (25-400oC, {{8 }} bar) ved at bruge et kapillært højtryksgennemsigtigt hulrum. Det blev vist, at toppene af de karakteristiske toppe af 13CH4 var i intervallet 2907cm-1-2912cm-1, og bevægede sig til lavere bølgetal med stigning i temperatur og fald i tryk, mens toppene af karakteristiske toppe for 12CH4 var i området 2912 cm-1 -2917 cm-1, hvilket altid er højere end 13CH4 gange 4.6-5.1 cm-1 under samme temperatur og tryk , hvilket indikerer, at de to godt kan skelnes ved Raman-spektroskopi (figur 1). Derudover etablerede forskerholdet også Raman kvantitative kalibreringsmodeller for koncentrationerne af 13CH4 og 12CH4 i vandige opløsninger (fig. 2), som viste, at forskellene i Raman kvantitative kalibreringsmodeller for opløst 13CH4 og 12CH4 skyldtes forskellene i Raman-spredningstværsnit af det opløste 13CH4 og 12CH4 selv, snarere end ændringerne i vandets molære tæthed eller Raman-spredningstværsnittene af det opløste 13CH4 og 12CH4. De relaterede forskningsresultater giver en stærk støtte til in situ identifikation og kvantitativ analyse af kulstofisotopsammensætningen af metan, som har et bredt anvendelsesperspektiv i højtemperatur- og højtrykshydrotermiske eksperimenter og dybhavsin situ-udforskning.
Artiklens første forfatter er Yuzhou Ge, en ph.d.-studerende ved Institute of Oceanography, Chinese Academy of Sciences, og Xin Zhang, en forsker, er den tilsvarende forfatter til artiklen. Denne forskning blev i fællesskab finansieret af National Natural Science Foundation i Kina og Klasse A Strategic Pilot Program fra det kinesiske videnskabsakademi.
De relaterede resultater og links er som følger:
Ge, Y., Li, L., Xi, S., Zhang, Y., Luan, Z. og Zhang, X., 2023, Sammenligning af Raman-spektrale karakteristika og kvantitative metoder mellem 13CH4 og 12CH4 fra 25 til 400 grader og 50 til 400 bar: Spectrochimica Acta del A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, s. 123380.
Fig. 1 Toppositioner og halvhøjde og fuld bredde af de karakteristiske toppe for 13CH4 og 12CH4 ved forskellige temperaturer og tryk.
Fig. 2 Raman kvantitative kalibreringsmodeller af 13CH4 og 12CH4 baseret på OH-bøjning af vibrationsbånd (a) og strækning af vibrationsbånd (b) af vand
