לאחרונה, צוות המחקר של שין ג'אנג מהמכון לאוקיאנוגרפיה, האקדמיה הסינית למדעים (IOCS) עשה התקדמות חדשה בזיהוי ובכימות במקום של איזוטופי פחמן מתאן המבוססים על ספקטרוסקופיה ראמאן לייזר במקום, תוך ניצול ההבדל המשמעותי בספקטרום הרמאן. של איזוטופי פחמן מתאן (13CH4 ו-12CH4), והתוצאות הקשורות לכך פורסמו לאחרונה בכתב העת הבינלאומי לספקטרוסקופיה Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy.
מערכות הידרותרמיות בים עמוק משחררות כמויות גדולות של CH4, H2 וגזים מפחיתים אחרים המזינים ביומות כימוסינתטיות ייחודיות, שחשובות לחקר מקור החיים המוקדמים. עם זאת, המקור לריכוז מתאן גבוה שכזה עדיין שנוי במחלוקת, למשל, ריכוז המתאן במערכת ההידרותרמית סופר-MgFe של Rainbow גבוה עד 2.5 מילימול/ק"ג, שהוא גבוה בהרבה מתפוקת המתאן של תגובת מים-סלע. במעבדה. הרכב איזוטופי פחמן של CH4 הוא אמצעי רב עוצמה להבדיל בין מתאן ביוגני לאביוגני, אך לא ניתן להשתמש בטכניקות הניסוי הקיימות ובשיטות בדיקת ערכי איזוטופי פחמן כדי להוציא את תפוקת המתאן מהמעבדה. עם זאת, טכניקות הניסוי הקיימות ושיטות בדיקת ערכי איזוטופי פחמן אינן מסוגלות לשלול את ההשפעה של מקורות פחמן ברקע, מה שמשפיע מאוד על מהימנות הניסוי. בשנים האחרונות, ההתפתחות המהירה של ספקטרוסקופיה ראמאן באתר אפשרה לקבוע איזוטופי גז באתרם, אך עדיין חסרים מחקרים ספקטרוסקופיים של ראמאן של איזוטופי פחמן מתאן במערכות הידרותרמיות בטמפרטורה גבוהה ובלחץ גבוה.
כדי לטפל בבעיות שלעיל, צוות המחקר חקר באופן שיטתי את המאפיינים הספקטרליים של ראמאן של 13CH4 ו-12CH4 במערכת CH4 הטהורה ומערכת CH4-H2O בטמפרטורה גבוהה ובלחץ גבוה (25-400oC, {{8 }} bar) באמצעות חלל שקוף נימי בלחץ גבוה. הוכח שהפסגות של הפסגות האופייניות של 13CH4 היו בטווח של 2907 ס"מ-1-2912ס"מ-1, כשהן נעות למספרי גלים נמוכים יותר עם עליית הטמפרטורה וירידה בלחץ, בעוד השיאים של השיאים האופייניים של 12CH4 היו בטווח של 2912 ס"מ-1 -2917 ס"מ-1, שהוא תמיד גבוה מ-13CH4 ב-4.6-5.1 ס"מ-1 באותה טמפרטורה ולחץ , המצביע על כך שניתן להבחין היטב בין השניים על ידי ספקטרוסקופיה של ראמאן (איור 1). בנוסף, צוות המחקר גם הקים מודלים של כיול כמותי של Raman לריכוזים של 13CH4 ו-12CH4 בתמיסות מימיות (איור 2), שהראו שההבדלים במודלים של כיול כמותי של Raman עבור 13CH4 ו-12CH4 המומסים נבעו מההבדלים ב- חתכי פיזור רמאן של 13CH4 ו-12CH4 המומסים עצמם, ולא השינויים בצפיפות המולרית של המים או חתכי פיזור ראמאן של 13CH4 ו-12CH4 המומסים. תוצאות המחקר הקשורות מספקות תמיכה חזקה לזיהוי באתרו ולניתוח כמותי של הרכב איזוטופי הפחמן של מתאן, שיש לו סיכוי יישום רחב בניסויים הידרותרמיים בטמפרטורה גבוהה ובלחץ גבוה ובחקר ים עמוק באתרו.
המחבר הראשון של המאמר הוא Yuzhou Ge, דוקטורנט במכון לאוקיאנוגרפיה, האקדמיה הסינית למדעים, ושין ג'אנג, חוקר, הוא המחבר המקביל של המאמר. מחקר זה מומן במשותף על ידי הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין ותוכנית הפיילוט האסטרטגי Class A של האקדמיה הסינית למדעים.
התוצאות והקישורים הקשורים הם כדלקמן:
Ge, Y., Li, L., Xi, S., Zhang, Y., Luan, Z., and Zhang, X., 2023, השוואת מאפיינים ספקטרליים של ראמאן ושיטות כמותיות בין 13CH4 ו-12CH4 מ-25 ל-400 מעלות ו-50 עד 400 בר: Spectrochimica Acta חלק א': ספקטרוסקופיה מולקולרית וביומולקולרית, עמ'. 123380.
איור 1 מיקומי שיא וחצי גובה ורוחב מלא של הפסגות האופייניות של 13CH4 ו-12CH4 בטמפרטורות ולחצים שונים.
איור 2 מודלים של כיול כמותי של Raman של 13CH4 ו-12CH4 המבוססים על רצועות רטט מכופפות OH (א) ומתיחה של פסי רטט (ב) של מים
