Kürzlich hat das Forschungsteam von Xin Zhang vom Institut für Ozeanographie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (IOCS) neue Fortschritte bei der In-situ-Identifizierung und Quantifizierung von Methan-Kohlenstoffisotopen auf der Grundlage der In-situ-Laser-Raman-Spektroskopie erzielt und dabei den signifikanten Unterschied in den Raman-Spektren ausgenutzt von Methan-Kohlenstoffisotopen (13CH4 und 12CH4), und die entsprechenden Ergebnisse wurden kürzlich in der internationalen Spektroskopiezeitschrift Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy veröffentlicht.
Hydrothermale Systeme in der Tiefsee setzen große Mengen an CH4, H2 und anderen reduzierenden Gasen frei, die einzigartige chemosynthetische Biome ernähren, die für die Erforschung der Entstehung frühen Lebens wichtig sind. Die Quelle dieser hohen Methankonzentration ist jedoch immer noch umstritten, z. B. beträgt die Methankonzentration im Super-MgFe-Hydrothermalsystem von Rainbow bis zu 2,5 mmol/kg, was viel höher ist als die Methanausbeute der Wasser-Gesteins-Reaktion im Labor.Die Kohlenstoffisotopenzusammensetzung von CH4 ist ein wirksames Mittel zur Unterscheidung zwischen biogenem und abiogenem Methan, aber die vorhandenen experimentellen Techniken und Methoden zur Prüfung des Kohlenstoffisotopenwerts können nicht verwendet werden, um die Methanausbeute aus dem Labor auszuschließen. Die bestehenden experimentellen Techniken und Methoden zur Messung des Kohlenstoffisotopenwerts sind jedoch nicht in der Lage, den Einfluss von Hintergrundkohlenstoffquellen auszuschließen, was die experimentelle Zuverlässigkeit stark beeinträchtigt. In den letzten Jahren hat die rasante Entwicklung der In-situ-Raman-Spektroskopie die Bestimmung von Gasisotopen in situ ermöglicht, es mangelt jedoch immer noch an Raman-spektroskopischen Untersuchungen von Methan-Kohlenstoffisotopen in hydrothermalen Hochtemperatur- und Hochdrucksystemen.
Um die oben genannten Probleme anzugehen, untersuchte das Forschungsteam systematisch die Raman-Spektraleigenschaften von 13CH4 und 12CH4 im reinen CH4-System und im CH4-H2O-System bei hoher Temperatur und hohem Druck (25-400oC, {{8 }} bar) durch Verwendung eines kapillaren, transparenten Hochdruckhohlraums. Es wurde gezeigt, dass die Peaks der charakteristischen Peaks von 13CH4 im Bereich von 2907 cm-1-2912cm-1 lagen und sich mit steigender Temperatur und sinkendem Druck zu niedrigeren Wellenzahlen bewegten, während die Peaks der Die charakteristischen Peaks von 12CH4 lagen im Bereich von 2912 cm-1 -2917 cm-1, was bei gleicher Temperatur und gleichem Druck immer um 4,6-5,1 cm-1 höher als 13CH4 ist , was darauf hinweist, dass die beiden durch Raman-Spektroskopie gut unterschieden werden können (Abbildung 1). Darüber hinaus erstellte das Forschungsteam auch quantitative Raman-Kalibrierungsmodelle für die Konzentrationen von 13CH4 und 12CH4 in wässrigen Lösungen (Abb. 2), die zeigten, dass die Unterschiede in den quantitativen Raman-Kalibrierungsmodellen für gelöstes 13CH4 und 12CH4 auf Unterschiede in der Konzentration zurückzuführen sind Raman-Streuquerschnitte des gelösten 13CH4 und 12CH4 selbst, und nicht die Änderungen in der molaren Dichte des Wassers oder die Raman-Streuquerschnitte des gelösten 13CH4 und 12CH4. Die damit verbundenen Forschungsergebnisse liefern eine starke Unterstützung für die In-situ-Identifizierung und quantitative Analyse der Kohlenstoffisotopenzusammensetzung von Methan, die eine breite Anwendungsaussicht in hydrothermalen Hochtemperatur- und Hochdruckexperimenten sowie in der Tiefsee-In-situ-Exploration hat.
Der Erstautor des Artikels ist Yuzhou Ge, ein Doktorand am Institut für Ozeanographie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, und Xin Zhang, ein Forscher, ist der korrespondierende Autor des Artikels. Diese Forschung wurde gemeinsam von der National Natural Science Foundation of China und dem Class A Strategic Pilot Program der Chinesischen Akademie der Wissenschaften finanziert.
Die zugehörigen Ergebnisse und Links lauten wie folgt:
Ge, Y., Li, L., Xi, S., Zhang, Y., Luan, Z. und Zhang, X., 2023, Vergleich der Raman-Spektraleigenschaften und quantitativen Methoden zwischen 13CH4 und 12CH4 von 25 bis 400 Grad und 50 bis 400 bar: Spectrochimica Acta Teil A: Molekulare und biomolekulare Spektroskopie, S. 123380.
Abb. 1 Peakpositionen sowie halbe Höhe und volle Breite der charakteristischen Peaks von 13CH4 und 12CH4 bei verschiedenen Temperaturen und Drücken.
Abb. 2 Quantitative Raman-Kalibrierungsmodelle von 13CH4 und 12CH4 basierend auf OH-Biegeschwingungsbanden (a) und Streckschwingungsbanden (b) von Wasser
