Nedavno je istraživački tim Xin Zhanga s Instituta za oceanografiju Kineske akademije znanosti (IOCS) postigao novi napredak u in situ identifikaciji i kvantifikaciji izotopa ugljika metana na temelju in situ laserske Ramanove spektroskopije, koristeći značajnu razliku u Ramanovim spektrima izotopa ugljika metana (13CH4 i 12CH4), a srodni rezultati nedavno su objavljeni u međunarodnom spektroskopskom časopisu Spectrochimica Acta Dio A: Molekularna i biomolekularna spektroskopija.
Dubokomorski hidrotermalni sustavi oslobađaju velike količine CH4, H2 i drugih redukcijskih plinova koji hrane jedinstvene kemosintetske biome, koji su važni za proučavanje podrijetla ranog života. Međutim, izvor tako visoke koncentracije metana još uvijek je kontroverzan, npr. koncentracija metana u super-MgFe hidrotermalnom sustavu Rainbowa iznosi čak 2,5 mmol/kg, što je puno više od prinosa metana u reakciji vode i stijene. u laboratoriju. Sastav izotopa ugljika CH4 moćno je sredstvo za razlikovanje biogenog i abiogenog metana, ali postojeće eksperimentalne tehnike i metode ispitivanja vrijednosti izotopa ugljika ne mogu se koristiti za isključivanje prinosa metana iz laboratorija. Međutim, postojeće eksperimentalne tehnike i metode ispitivanja vrijednosti izotopa ugljika ne mogu isključiti utjecaj pozadinskih izvora ugljika, što uvelike utječe na eksperimentalnu pouzdanost. Posljednjih godina, brzi razvoj in situ Ramanove spektroskopije omogućio je određivanje plinskih izotopa in situ, ali još uvijek nedostaju Ramanova spektroskopska istraživanja izotopa ugljika metana u hidrotermalnim sustavima visoke temperature i visokog tlaka.
Kako bi riješio gore navedene probleme, istraživački tim sustavno je istraživao Ramanove spektralne karakteristike 13CH4 i 12CH4 u čistom CH4 sustavu i CH4-H2O sustavu pri visokoj temperaturi i visokom tlaku (25-400oC, {{8 }} bar) korištenjem kapilarne visokotlačne prozirne šupljine. Pokazalo se da su vrhovi karakterističnih vrhova 13CH4 bili u rasponu od 2907cm-1-2912cm-1, prelazeći prema nižim valnim brojevima s porastom temperature i padom tlaka, dok su vrhovi karakteristični vrhovi 12CH4 bili su u rasponu od 2912cm-1 -2917 cm-1, što je uvijek više od 13CH4 za 4.6-5.1 cm-1 pod istom temperaturom i tlakom , što ukazuje da se njih dvoje mogu dobro razlikovati Ramanovom spektroskopijom (Slika 1). Osim toga, istraživački tim je također uspostavio Ramanove kvantitativne kalibracijske modele za koncentracije 13CH4 i 12CH4 u vodenim otopinama (slika 2), koji su pokazali da su razlike u Ramanovim kvantitativnim kalibracijskim modelima za otopljeni 13CH4 i 12CH4 nastale zbog razlika u Presjeci Ramanovog raspršenja samih otopljenih 13CH4 i 12CH4, umjesto promjena u molarnoj gustoći vode ili presjeka Ramanovog raspršenja otopljenih 13CH4 i 12CH4. Povezani rezultati istraživanja daju snažnu potporu in situ identifikaciji i kvantitativnoj analizi sastava izotopa ugljika metana, koji ima široku perspektivu primjene u hidrotermalnim eksperimentima na visokim temperaturama i visokim tlakovima i in situ istraživanju dubokog mora.
Prvi autor rada je Yuzhou Ge, doktorand na Institutu za oceanografiju Kineske akademije znanosti, a Xin Zhang, istraživač, dopisni je autor članka. Ovo istraživanje zajednički su financirali Nacionalna zaklada za prirodne znanosti Kine i Strateški pilot program klase A Kineske akademije znanosti.
Povezani rezultati i veze su sljedeći:
Ge, Y., Li, L., Xi, S., Zhang, Y., Luan, Z. i Zhang, X., 2023, Usporedba Ramanovih spektralnih karakteristika i kvantitativnih metoda između 13CH4 i 12CH4 od 25 do 400 stupnjeva i 50 do 400 bara: Spectrochimica Acta Dio A: Molekularna i biomolekularna spektroskopija, str. 123380.
Slika 1. Položaji vrhova te poluvisina i puna širina karakterističnih vrhova 13CH4 i 12CH4 pri različitim temperaturama i tlakovima.
Slika 2 Ramanovi kvantitativni kalibracijski modeli 13CH4 i 12CH4 temeljeni na OH savijajućim vibracijskim vrpcama (a) i istežućim vibracijskim vrpcama (b) vode
