甲烷團簇同位素12CH2D2測試方法優(yōu)化研究

魯 麗，王欣楚，李思亮，2，龐智勇*

（1．天津大學(xué) 地球系統(tǒng)科學(xué)學(xué)院，表層地球系統(tǒng)科學(xué)研究院，天津 300072；2．天津大學(xué) 物質(zhì)綠色創(chuàng)造與制造海河實驗室，天津 300192）

團簇同位素（Clumped isotope）是指含有2個或2個以上重同位素的同位素體［1－2］。甲烷（CH4）共存在10種同位素體，其相對分子量為16～21，相對豐度及準(zhǔn)確質(zhì)量數(shù)如表1所示［1］。含有2個重同位素的團簇同位素相對豐度在×10-6水平甚至更低，而含有3個重同位素團簇同位素的相對豐度僅為×10-9～10-12，各同位素體之間質(zhì)量數(shù)相差甚微，傳統(tǒng)的氣體穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀由于儀器分辨率低而無法檢測，高分辨穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀的出現(xiàn)則為甲烷團簇同位素測試技術(shù)的成功研發(fā)提供了有利的技術(shù)手段［3］?，F(xiàn)有的儀器可將甲烷團簇同位素中質(zhì)量數(shù)為18的13CH3D及12CH2D2區(qū)分開，因此，甲烷團簇同位素一般是指相對分子質(zhì)量為18的13CH3D及12CH2D2同位素體。

表1 甲烷同位素體的相對豐度及準(zhǔn)確質(zhì)量數(shù)［1］Table 1 Relative abundances and exact masses of the isotopologues of methane［1］

傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素的δ值主要用于了解樣品相對于某一標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的同位素差異情況，而團簇同位素的測量結(jié)果代表同位素分子的相對豐度偏離隨機分布狀態(tài)的程度，一般用Δ18（指13CH3D和12CH2D2同位素體的豐度和偏離隨機分布狀態(tài)的程度）、Δ13CH3D（指13CH3D同位素體的豐度偏離隨機分布狀態(tài)的程度）及Δ12CH2D2（指12CH2D2同位素體的豐度偏離隨機分布狀態(tài)的程度）表示［4－6］。甲烷團簇同位素是衡量甲烷是否處于熱力學(xué)同位素平衡狀態(tài)或受動力學(xué)過程影響的獨特指標(biāo)［7］。Δ18常被用于甲烷非生物成因、熱成因氣及生物成因氣的辨識，并取得一系列成果［8］。但對于經(jīng)過動力學(xué)分餾或混合而未能重新平衡的甲烷氣，僅Δ18值可能會掩蓋由于Δ13CH3D及Δ12CH2D2的差異所反映的信息［6］。在同一溫度下，13CH3D及12CH2D2具有各自對應(yīng)的平衡溫度［4，8］，基于此，目前對于甲烷團簇同位素的研究基于對13CH3D及12CH2D2的單獨測試，從而進一步提供甲烷內(nèi)部同位素平衡狀態(tài)的信息［9］。如Young等［4］通過對自然界和實驗室產(chǎn)生的甲烷氣體中的Δ13CH3D及Δ12CH2D2進行測試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩種同位素的鍵序達到平衡狀態(tài)下，可用Δ13CH3D及Δ12CH2D2的溫度關(guān)系進行測溫，微生物活動對甲烷中的13CH3D及12CH2D2消耗較大，而非生物成因表現(xiàn)出對13CH3D和12CH2D2的消耗相對緩和的特征，隨著時間的推移，非生物成因甲烷由于微生物群落的影響，其同位素序列重新排列，這一過程可導(dǎo)致12CH2D2的大量消耗，因此Δ12CH2D2的值可作為微生物循環(huán)的示蹤劑。Giunta等［10］首次系統(tǒng)的將Δ13CH3D與Δ12CH2D2應(yīng)用于陸相沉積盆地，研究了安大略省西南盆地寒武紀(jì)、奧陶紀(jì)和志留紀(jì)的沉積地層以及密歇根盆地志留紀(jì)和泥盆紀(jì)地層的天然氣樣品中的13CH3D和12CH2D2，揭示了每個地層甲烷的可能成因。Thiagarajan等［7］對美國墨西哥灣幾個油田的甲烷團簇同位素（包括Δ13CH3D、Δ12CH2D2和Δ18值）進行測試，發(fā)現(xiàn)部分儲氣層的Δ13CH3D與Δ12CH2D2值與熱成因氣體所表現(xiàn)的同位素值一致，符合熱力學(xué)平衡，即由較大的有機分子熱解產(chǎn)生，而其他儲氣層的Δ13CH3D與Δ12CH2D2值則明顯地脫離了熱力學(xué)平衡所定義的相關(guān)性，且Δ12CH2D2值可為確認(rèn)微生物甲烷的貢獻提供有效信息。Zhang等［2］通過對甲烷水合物團簇同位素的研究，確定了其來源并量化各來源的相對貢獻，揭示了傳統(tǒng)同位素方法大大低估了全球天然氣水合物儲層中熱成因甲烷的比例。

2014年，Stolper等［1］首次利用美國Thermo Fisher公司的253 Ultra高分辨氣體穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀測得甲烷團簇同位素13CH3D及12CH2D2的豐度之和。與此同時，麻省理工學(xué)院的Ono等［11］使用可調(diào)諧紅外激光差分吸收光譜（TILDAS）開發(fā)了13CH3D同位素的測量方法。隨后美國加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）使用更大半徑的高分辨率同位素比質(zhì)譜儀（Nu Instruments Panorama）測定甲烷樣品中的13CH3D及12CH2D2同位素［4，12］。目前，經(jīng)過升級改進的253 UltraHR－IRMS同樣可分別測定甲烷樣品中的13CH3D及12CH2D2同位素［7，13－14］。但對甲烷團簇同位素的測試，尤其針對δ12CH2D2的測試，則對儀器分辨能（MRP）提出了極高要求。

本課題組依托Thermo Fisher公司生產(chǎn)的國內(nèi)首臺253 UltraHR－IRMS成功地將甲烷δ13C、δD及δ13CH3D的測試精度提高到國際水平，但δ12CH2D2的測試精度仍低于國外的測試水平［15］。由于13CH3D和12CH2D2同位素體的測試多采用HR+模式（HR模式下打開Aperture選項），此時的分辨率可超過測試要求（MRP～45 000）。但隨著長周期測試的展開，由于12CH2D2的豐度較13CH3D低，導(dǎo)致12CH2D2的測試信號極低，其標(biāo)準(zhǔn)誤差（Standard error，s.e.）較差。而12CH2D2同位素值的準(zhǔn)確測定及測試精度的進一步提高，有助于完善和提高國內(nèi)甲烷團簇同位素的測試方法和水平。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

253 Ultra高分辨氣體穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀（HR－IRMS，美國賽默飛世爾公司）；鋼瓶甲烷氣（純度99.999%，天津浩倫氣體有限公司）。

1.2 測試方法

采用HR模式，關(guān)閉Aperture選項，接收杯配置為L4、H4CDD，分別用于接收12CH4和12CH2D2的信號，接收杯套峰圖見圖1A。利用H2O+峰調(diào)節(jié)儀器分辨能（MRP），調(diào)至MRP＞30 000。將高純甲烷氣通入雙路（Dual inlet），氣體壓力約1.2×104Pa，調(diào)節(jié)兩邊信號差小于1%。建立LabBook方法，在Labbook中添加3個Dynamic block，分別為Measurement block、Adduct block和Water block，Measurementblock設(shè)Repeat為15，Cycles為8；Adductblock設(shè)定Repeat為3，Cycles為1；Waterblock設(shè)定Repeat為4；所有Block設(shè)定相同的信號強度，Tolerance范圍1%，積分時間33 s，測試總時長約15 h。

圖1 ［12CH2D2+］（A）及［H2O+］峰（B）的質(zhì)量掃描Fig.1 Mass scan for［12CH2D2+］（A）and［H2O+］peak（B）

2 結(jié)果與討論

2.1 峰拖尾校正

在打開Aperture情況下，12CH2D2的信號僅為55 cps［15］。而在關(guān)閉Aperture下，12CH2D2的信號可以提高至100～120 cps（圖1A），信號得到明顯升高，但由于此時的MRP不如打開Aperture時高，12CH2D2峰易受到13CH3D和13CH5峰拖尾的干擾，其中13CH3D的信號約為5.9×103cps，13CH5的信號約為4.6×103cps，均遠大于12CH2D2的信號強度，故拖尾干擾不能忽略［12］。

13CH3D和13CH5峰的拖尾無法直接測得，而不同離子束的峰型函數(shù)都相同［6，8］，由圖1B可見水峰附近無干擾峰，因此可應(yīng)用［H2O+］峰模擬校正13CH3D和13CH5峰對12CH2D2峰的拖尾影響。根據(jù)質(zhì)量掃描結(jié)果測得13CH3D峰中心與12CH2D2峰中心的差值為0.002 8 u，13CH5峰中心與12CH2D2峰中心的差值為0.001 4 u，通過測量水峰中心的信號強度加上兩個差值位置處的信號強度（見圖2），即可計算水峰中心處產(chǎn)生的拖尾影響，從而校正13CH3D和13CH5峰對12CH2D2峰的拖尾影響。

圖2 拖尾校正水峰的掃描示意圖Fig.2 Water peak scan for tailing corrections in δ12CH2D2 analysis

由于拖尾會造成信號基線的升高，所以空白不僅是儀器本底噪聲，還包括拖尾產(chǎn)生的噪聲［13］，其計算公式如下：

式中，bT代表總空白，bBGD代表儀器本底噪聲，b13CH3D和b13CH5分別表示13CH3D峰和13CH5峰拖尾產(chǎn)生的空白。水峰拖尾與峰中心的信號強度比值定義為拖尾因子（tf），公式如下：

式中，itail表示拖尾處信號強度，imax表示水峰中心處信號強度。根據(jù)拖尾因子可計算13CH3D和13CH5峰拖尾產(chǎn)生的空白：

綜合所有公式，計算得到12CH2D2峰處的總空白。根據(jù)計算，13CH3D和13CH5峰拖尾所產(chǎn)生的信號為0.4～3.5 cps?？鄣艨偪瞻卓傻眯盘栒鎸嶍憫?yīng)值，根據(jù)真實響應(yīng)值進一步計算δ12CH2D2值。根據(jù)連續(xù)測試結(jié)果計算得到標(biāo)準(zhǔn)誤差（s.e.）用于指示該儀器測試內(nèi)精度，關(guān)閉Aperture后，信號響應(yīng)值提高，通過水峰模擬計算扣除相鄰峰拖尾產(chǎn)生的空白，得到δ12CH2D2的測試精度可達1.36‰，穩(wěn)定性明顯優(yōu)于方法優(yōu)化前的1.55‰。結(jié)果證明該測試方法可行。

2.2 連續(xù)測試結(jié)果

通過連續(xù)測試CH4純氣以驗證該方法的連續(xù)穩(wěn)定性，結(jié)果見圖3。由圖可知，δ12CH2D2值的連續(xù)測試精度為1.29‰～1.47‰，與加州理工學(xué)院（Caltech）、加州大學(xué)伯克利分校（UC Berkeley）和東京工業(yè)大學(xué)（Tokyo Tech）等較早使用拖尾校正法開展δ12CH2D2測試所報道的數(shù)據(jù)一致［2，7，13］，證明該方法準(zhǔn)確可靠，可用于實際樣品的測試。

圖3 δ12CH2D2連續(xù)測試精度結(jié)果的對比（參考數(shù)據(jù)為各實驗室的平均水平［2，7，13］）Fig.3 The comparison of δ12CH2D2 s.e.values（collected data represent the average level of these references［2，7，13］）

3 結(jié)論

本文調(diào)試了不同條件下美國Thermo Fisher公司在國內(nèi)的首臺253 Ultra高分辨氣體穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀，通過平衡儀器的分辨率和靈敏度，關(guān)閉Aperture以提高儀器信號強度，驗證了可通過拖尾校正模擬計算彌補分辨率的降低，成功建立了甲烷團簇同位素的測試方法。實驗結(jié)果表明：在HR模式下，不打開Aperture，［12CH2D2+］信號得到有效提高，通過［H2O+］峰模擬計算可校正13CH3D峰與13CH5峰拖尾產(chǎn)生的空白，最終計算δ12CH2D2的測試精度可達1.29‰～1.47‰。對方法進行優(yōu)化后，該項參數(shù)的分析指標(biāo)精度與加州大學(xué)伯克利分校等國際機構(gòu)所報道的數(shù)據(jù)一致，達到了國際先進水平，提高了甲烷團簇同位素的分析標(biāo)準(zhǔn)，可以更好地應(yīng)用于實際樣品的測試。