Nedavno je istraživački tim Xin Zhang sa Instituta za oceanografiju Kineske akademije nauka (IOCS) napravio novi napredak u in situ identifikaciji i kvantificiranju izotopa ugljika metana na osnovu in situ laserske Raman spektroskopije, koristeći značajnu razliku u Ramanovim spektrima izotopa ugljika metana (13CH4 i 12CH4), a srodni rezultati su nedavno objavljeni u međunarodnom časopisu za spektroskopiju Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy.
Dubokomorski hidrotermalni sistemi oslobađaju velike količine CH4, H2 i drugih redukcijskih plinova koji hrane jedinstvene hemosintetske biome, koji su važni za proučavanje porijekla ranog života. Međutim, izvor tako visoke koncentracije metana je još uvijek kontroverzan, npr. koncentracija metana u super-MgFe hidrotermalnom sistemu Rainbow je čak 2,5 mmol/kg, što je mnogo više od prinosa metana u reakciji vode i stijene u laboratoriji. Sastav izotopa ugljika u CH4 je moćno 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 Raman spektroskopske studije izotopa ugljika metana u hidrotermalnim sistemima visoke temperature i visokog pritiska.
Kako bi riješio gore navedene probleme, istraživački tim je sistematski istraživao Ramanove spektralne karakteristike 13CH4 i 12CH4 u čistom CH4 sistemu i CH4-H2O sistemu na visokoj temperaturi i visokom pritisku (25-400oC, {{8 }} bar) pomoću kapilarne prozirne šupljine visokog pritiska. Pokazalo se da su vrhovi karakterističnih pikova 13CH4 u rasponu od 2907cm-1-2912cm-1, krećući se ka nižim talasnim brojevima sa porastom temperature i smanjenjem pritiska, dok su vrhovi karakteristični pikovi 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 pritiskom , što ukazuje da se ova dva mogu dobro razlikovati Ramanovom spektroskopijom (slika 1). Pored toga, istraživački tim je takođe uspostavio Ramanove kvantitativne kalibracione modele za koncentracije 13CH4 i 12CH4 u vodenim rastvorima (slika 2), koji su pokazali da su razlike u Ramanovim kvantitativnim modelima kalibracije za rastvoreni 13CH4 i 12CH4 posledica razlika u Ramanski presjeci raspršenja samih otopljenih 13CH4 i 12CH4, a ne promjene molarne gustine vode ili poprečni presjeci Ramanskog raspršenja otopljenih 13CH4 i 12CH4. Srodni rezultati istraživanja pružaju snažnu podršku in situ identifikaciji i kvantitativnoj analizi sastava izotopa ugljika metana, koji ima široku perspektivu primjene u hidrotermalnim eksperimentima na visokim temperaturama i visokim tlakom i in situ istraživanjima dubokog mora.
Prvi autor rada je Yuzhou Ge, doktorand na Institutu za oceanografiju Kineske akademije nauka, a Xin Zhang, istraživač, je odgovarajući autor članka. Ovo istraživanje zajednički su finansirali Nacionalna fondacija za prirodne nauke Kine i Strateški pilot program klase A Kineske akademije nauka.
Povezani rezultati i linkovi su sljedeći:
Ge, Y., Li, L., Xi, S., Zhang, Y., Luan, Z., i Zhang, X., 2023, Poređenje Ramanovih spektralnih karakteristika i kvantitativnih metoda između 13CH4 i 12CH4 od 25 do 400 stepeni i 50 do 400 bara: Spectrochimica Acta Dio A: Molekularna i biomolekularna spektroskopija, str. 123380.
Slika 1 Položaji vrhova i pola visine i pune širine karakterističnih pikova 13CH4 i 12CH4 na različitim temperaturama i pritiscima.
Slika 2 Ramanovi kvantitativni kalibracioni modeli 13CH4 i 12CH4 zasnovani na OH savijajućim vibracionim trakama (a) i rastezljivim vibracionim trakama (b) vode
