Gần đây, nhóm nghiên cứu của Xin Zhang từ Viện Hải dương học, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (IOCS) đã đạt được tiến bộ mới trong việc xác định và định lượng tại chỗ các đồng vị cacbon metan dựa trên quang phổ Raman laser tại chỗ, sử dụng sự khác biệt đáng kể trong phổ Raman đồng vị cacbon metan (13CH4 và 12CH4), và các kết quả liên quan gần đây đã được công bố trên tạp chí quang phổ quốc tế Spectrochimica Acta Phần A: Quang phổ phân tử và sinh học phân tử.
Các hệ thống thủy nhiệt dưới biển sâu giải phóng một lượng lớn CH4, H2 và các loại khí khử khác cung cấp cho các quần thể sinh vật hóa tổng hợp độc đáo, rất quan trọng để nghiên cứu nguồn gốc của sự sống sơ khai. Tuy nhiên, nguồn gốc của nồng độ metan cao như vậy vẫn còn đang gây tranh cãi, ví dụ nồng độ metan trong hệ thủy nhiệt siêu MgFe của Rainbow cao tới 2,5 mmol/kg, cao hơn nhiều so với hiệu suất sinh metan của phản ứng nước-đá. trong phòng thí nghiệm. Thành phần đồng vị cacbon của CH4 là một phương tiện mạnh mẽ để phân biệt giữa khí mêtan sinh học và sinh học tự nhiên, nhưng các kỹ thuật thí nghiệm hiện tại và phương pháp kiểm tra giá trị đồng vị cacbon không thể được sử dụng để loại trừ sản lượng mêtan khỏi phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, các kỹ thuật thí nghiệm và phương pháp kiểm tra giá trị đồng vị carbon hiện có không thể loại trừ ảnh hưởng của nguồn carbon nền, điều này ảnh hưởng lớn đến độ tin cậy của thí nghiệm. Trong những năm gần đây, sự phát triển nhanh chóng của quang phổ Raman tại chỗ đã giúp xác định được các đồng vị khí tại chỗ, nhưng vẫn còn thiếu các nghiên cứu quang phổ Raman về đồng vị cacbon metan trong hệ thống thủy nhiệt ở nhiệt độ cao và áp suất cao.
Để giải quyết các vấn đề trên, nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu một cách hệ thống các đặc tính phổ Raman của 13CH4 và 12CH4 trong hệ CH4 tinh khiết và hệ CH4-H2O ở nhiệt độ cao và áp suất cao (25-400oC, {{8 }} bar) bằng cách sử dụng khoang mao dẫn trong suốt áp suất cao. Cho thấy các đỉnh của các đỉnh đặc trưng của 13CH4 nằm trong khoảng 2907cm-1-2912cm-1, di chuyển về các số sóng thấp hơn khi nhiệt độ tăng và giảm áp suất, trong khi các đỉnh của các đỉnh đặc trưng của 12CH4 nằm trong khoảng 2912 cm-1 -2917 cm-1, luôn cao hơn 13CH4 x 4.6-5.1 cm-1 trong cùng nhiệt độ và áp suất , chỉ ra rằng cả hai có thể được phân biệt rõ bằng quang phổ Raman (Hình 1). Ngoài ra, nhóm nghiên cứu còn xây dựng mô hình hiệu chuẩn định lượng Raman cho nồng độ 13CH4 và 12CH4 trong dung dịch nước (Hình 2), cho thấy sự khác biệt trong mô hình hiệu chuẩn định lượng Raman đối với 13CH4 và 12CH4 hòa tan là do sự khác biệt về thành phần Mặt cắt tán xạ Raman của bản thân 13CH4 và 12CH4 hòa tan, thay vì sự thay đổi mật độ mol của nước hoặc mặt cắt tán xạ Raman của 13CH4 và 12CH4 hòa tan. Các kết quả nghiên cứu liên quan cung cấp sự hỗ trợ mạnh mẽ cho việc xác định tại chỗ và phân tích định lượng thành phần đồng vị carbon của metan, có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong các thí nghiệm thủy nhiệt ở nhiệt độ cao và áp suất cao cũng như thăm dò tại chỗ ở vùng biển sâu.
Tác giả đầu tiên của bài báo là Yuzhou Ge, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Viện Hải dương học, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc và Xin Zhang, một nhà nghiên cứu, là tác giả tương ứng của bài báo. Nghiên cứu này được đồng tài trợ bởi Quỹ khoa học tự nhiên quốc gia Trung Quốc và Chương trình thí điểm chiến lược hạng A của Viện Hàn lâm khoa học Trung Quốc.
Các kết quả và liên kết liên quan như sau:
Ge, Y., Li, L., Xi, S., Zhang, Y., Luan, Z., và Zhang, X., 2023, So sánh đặc điểm phổ Raman và phương pháp định lượng giữa 13CH4 và 12CH4 từ 25 đến 400 độ và 50 đến 400 bar: Spectrochimica Acta Phần A: Quang phổ phân tử và sinh học phân tử, tr. 123380.
Hình 1. Vị trí đỉnh và nửa chiều cao và toàn bộ chiều rộng của các đỉnh đặc trưng của 13CH4 và 12CH4 ở các nhiệt độ và áp suất khác nhau.
Hình 2 Mô hình hiệu chuẩn định lượng Raman của 13CH4 và 12CH4 dựa trên các dải dao động uốn cong OH (a) và các dải dao động giãn (b) của nước
