近日，中國科學(xué)院海洋研究所張鑫課題組基于共聚焦顯微拉曼技術(shù)和毛細(xì)管高壓透明腔（HPOC）構(gòu)建了高溫高壓實(shí)驗(yàn)顯微模擬裝置（圖1），開展了高溫高壓（50-450oC，50-400 bar）下高純13CO2、12CO2及其混合物的拉曼光譜特征研究，建立了適用于高溫高壓環(huán)境的CO2碳同位素的拉曼光譜原位定量分析方法，相關(guān)成果近日在國際光譜學(xué)期刊《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》正式發(fā)表。
二氧化碳廣泛存在于大氣圈、油氣藏、流體包裹體、深海熱液/冷泉系統(tǒng)等多種環(huán)境，但由于同位素動力學(xué)分餾和熱力學(xué)分餾效應(yīng)的存在，不同物相中CO2的碳同位素組成往往會存在一定差異。量化CO2的碳同位素組成（ 13C），可以示蹤碳的來源，對研究地質(zhì)流體的演化過程、約束全球碳收支，厘清生物代謝機(jī)制等具有重要意義?，F(xiàn)有常用同位素測量技術(shù)（質(zhì)譜），需要經(jīng)過漫長的預(yù)處理、制樣操作才能進(jìn)行上機(jī)測試，測試效率較低。此外，由于其測試條件的限制更無法直接應(yīng)用于高溫高壓熱液環(huán)境的原位測試。
針對這一問題，張鑫團(tuán)隊(duì)利用構(gòu)建的高溫高壓實(shí)驗(yàn)顯微模擬裝置，系統(tǒng)地研究了50-450 ，50-400 bar下高純13CO2、12CO2的拉曼光譜，對比了兩者峰位、峰寬隨溫度、壓力的變化（圖2）。在實(shí)驗(yàn)溫壓范圍內(nèi)，13CO2和12CO2的特征峰的半峰寬均在2-5 cm-1，而兩者的峰位差卻可達(dá)15 cm-1以上，表明兩者在拉曼光譜中可以很好地通過特征峰的峰位進(jìn)行區(qū)分。進(jìn)一步地，研究團(tuán)隊(duì)通過對不同比例的混合氣的研究，探討了不同溫度、壓力下 13CO2和12CO2的拉曼特征峰的峰強(qiáng)比、面積比與兩者含量比的關(guān)系，并最終分別選取I+13/I+12、I-13/I-12為定量指標(biāo)建立起了可用于高溫高壓體系下CO2碳同位素組成(13CO2/12CO2)測定的拉曼定量校準(zhǔn)模型（圖3）。該定量方法的建立，為原位快速監(jiān)測同位素標(biāo)記的實(shí)驗(yàn)體系提供了有效檢測手段，并有望應(yīng)用于流體包裹體及深海熱液流體中CO2碳同位素的原位測試。
中國科學(xué)院海洋研究所博士研究生葛玉洲為文章第一作者，張鑫研究員為文章通訊作者。研究得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院A類戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)等項(xiàng)目聯(lián)合資助。
相關(guān)成果及鏈接如下：
Ge, Y., Li, L., Xi, S., Ma, L., Luan, Z., and Zhang, X*., 2023, Raman spectral characteristics of 12CO2/13CO2 and quantitative measurements of carbon isotopic compositions from 50 to 450 C and 50 to 400 bar. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, v. 296.
https://doi.org/10.1016/j.saa.2023.122651
圖1. 高溫高壓實(shí)驗(yàn)顯微模擬裝置示意圖
圖2. 不同溫度，壓力（密度）下13CO2的拉曼特征峰的峰位變化
圖3. 13CO2和12CO2的峰強(qiáng)比與含量比、密度的關(guān)系
