甲烷團簇同位素12CH2D2測試方法優化研究

魯 麗，王欣楚，李思亮，2，龐智勇*

（1．天津大學 地球系統科學學院，表層地球系統科學研究院，天津 300072；2．天津大學 物質綠色創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，相對豐度及準確質量數如表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，各同位素體之間質量數相差甚微，傳統的氣體穩定同位素質譜儀由于儀器分辨率低而無法檢測，高分辨穩定同位素質譜儀的出現則為甲烷團簇同位素測試技術的成功研發提供了有利的技術手段［3］。現有的儀器可將甲烷團簇同位素中質量數為18的13CH3D及12CH2D2區分開，因此，甲烷團簇同位素一般是指相對分子質量為18的13CH3D及12CH2D2同位素體。

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

傳統穩定同位素的δ值主要用于了解樣品相對于某一標準物質的同位素差異情況，而團簇同位素的測量結果代表同位素分子的相對豐度偏離隨機分布狀態的程度，一般用Δ18（指13CH3D和12CH2D2同位素體的豐度和偏離隨機分布狀態的程度）、Δ13CH3D（指13CH3D同位素體的豐度偏離隨機分布狀態的程度）及Δ12CH2D2（指12CH2D2同位素體的豐度偏離隨機分布狀態的程度）表示［4－6］。甲烷團簇同位素是衡量甲烷是否處于熱力學同位素平衡狀態或受動力學過程影響的獨特指標［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］。但對于經過動力學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部同位素平衡狀態的信息［9］。如Young等［4］通過對自然界和實驗室產生的甲烷氣體中的Δ13CH3D及Δ12CH2D2進行測試，發現當兩種同位素的鍵序達到平衡狀態下，可用Δ13CH3D及Δ12CH2D2的溫度關系進行測溫，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，這一過程可導致12CH2D2的大量消耗，因此Δ12CH2D2的值可作為微生物循環的示蹤劑。Giunta等［10］首次系統的將Δ13CH3D與Δ12CH2D2應用于陸相沉積盆地，研究了安大略省西南盆地寒武紀、奧陶紀和志留紀的沉積地層以及密歇根盆地志留紀和泥盆紀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，發現部分儲氣層的Δ13CH3D與Δ12CH2D2值與熱成因氣體所表現的同位素值一致，符合熱力學平衡，即由較大的有機分子熱解產生，而其他儲氣層的Δ13CH3D與Δ12CH2D2值則明顯地脫離了熱力學平衡所定義的相關性，且Δ12CH2D2值可為確認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高分辨氣體穩定同位素質譜儀測得甲烷團簇同位素13CH3D及12CH2D2的豐度之和。與此同時，麻省理工學院的Ono等［11］使用可調諧紅外激光差分吸收光譜（TILDAS）開發了13CH3D同位素的測量方法。隨后美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）使用更大半徑的高分辨率同位素比質譜儀（Nu Instruments Panorama）測定甲烷樣品中的13CH3D及12CH2D2同位素［4，12］。目前，經過升級改進的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公司生產的國內首臺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，導致12CH2D2的測試信號極低，其標準誤差（Standard error，s.e.）較差。而12CH2D2同位素值的準確測定及測試精度的進一步提高，有助于完善和提高國內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高分辨氣體穩定同位素質譜儀（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+峰調節儀器分辨能（MRP），調至MRP＞30 000。將高純甲烷氣通入雙路（Dual inlet），氣體壓力約1.2×104Pa，調節兩邊信號差小于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Repeat為15，Cycles為8；Adductblock設定Repeat為3，Cycles為1；Waterblock設定Repeat為4；所有Block設定相同的信號強度，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）的質量掃描Fig.1 Mass scan for［12CH2D2+］（A）and［H2O+］peak（B）

2 結果與討論

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都相同［6，8］，由圖1B可見水峰附近無干擾峰，因此可應用［H2O+］峰模擬校正13CH3D和13CH5峰對12CH2D2峰的拖尾影響。根據質量掃描結果測得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。根據拖尾因子可計算13CH3D和13CH5峰拖尾產生的空白：

綜合所有公式，計算得到12CH2D2峰處的總空白。根據計算，13CH3D和13CH5峰拖尾所產生的信號為0.4～3.5 cps。扣掉總空白可得信號真實響應值，根據真實響應值進一步計算δ12CH2D2值。根據連續測試結果計算得到標準誤差（s.e.）用于指示該儀器測試內精度，關閉Aperture后，信號響應值提高，通過水峰模擬計算扣除相鄰峰拖尾產生的空白，得到δ12CH2D2的測試精度可達1.36‰，穩定性明顯優于方法優化前的1.55‰。結果證明該測試方法可行。

2.2 連續測試結果

通過連續測試CH4純氣以驗證該方法的連續穩定性，結果見圖3。由圖可知，δ12CH2D2值的連續測試精度為1.29‰～1.47‰，與加州理工學院（Caltech）、加州大學伯克利分校（UC Berkeley）和東京工業大學（Tokyo Tech）等較早使用拖尾校正法開展δ12CH2D2測試所報道的數據一致［2，7，13］，證明該方法準確可靠，可用于實際樣品的測試。

圖3 δ12CH2D2連續測試精度結果的對比（參考數據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 結論

本文調試了不同條件下美國Thermo Fisher公司在國內的首臺253 Ultra高分辨氣體穩定同位素質譜儀，通過平衡儀器的分辨率和靈敏度，關閉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‰。對方法進行優化后，該項參數的分析指標精度與加州大學伯克利分校等國際機構所報道的數據一致，達到了國際先進水平，提高了甲烷團簇同位素的分析標準，可以更好地應用于實際樣品的測試。