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(shí)驗(yàn)室，天津 300192）

團(tuán)簇同位素（Clumped isotope）是指含有2個(gè)或2個(gè)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(duì)分子量為16～21，相對(duì)豐度及準(zhǔn)確質(zhì)量數(shù)如表1所示［1］。含有2個(gè)重同位素的團(tuán)簇同位素相對(duì)豐度在×10-6水平甚至更低，而含有3個(gè)重同位素團(tuán)簇同位素的相對(duì)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(wú)法檢測(cè)，高分辨穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀的出現(xiàn)則為甲烷團(tuán)簇同位素測(cè)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(tuán)簇同位素中質(zhì)量數(shù)為18的13CH3D及12CH2D2區(qū)分開(kāi)，因此，甲烷團(tuán)簇同位素一般是指相對(duì)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(duì)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(duì)于某一標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的同位素差異情況，而團(tuán)簇同位素的測(cè)量結(jié)果代表同位素分子的相對(duì)豐度偏離隨機(jī)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(jī)分布狀態(tài)的程度）、Δ13CH3D（指13CH3D同位素體的豐度偏離隨機(jī)分布狀態(tài)的程度）及Δ12CH2D2（指12CH2D2同位素體的豐度偏離隨機(jī)分布狀態(tài)的程度）表示［4－6］。甲烷團(tuán)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(dòng)力學(xué)過(guò)程影響的獨(dú)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(shí)，并取得一系列成果［8］。但對(duì)于經(jīng)過(guò)動(dòng)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(huì)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(duì)應(yīng)的平衡溫度［4，8］，基于此，目前對(duì)于甲烷團(tuán)簇同位素的研究基于對(duì)13CH3D及12CH2D2的單獨(dú)測(cè)試，從而進(jìn)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(guò)對(duì)自然界和實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的甲烷氣體中的Δ13CH3D及Δ12CH2D2進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩種同位素的鍵序達(dá)到平衡狀態(tài)下，可用Δ13CH3D及Δ12CH2D2的溫度關(guān)系進(jìn)行測(cè)溫，微生物活動(dòng)對(duì)甲烷中的13CH3D及12CH2D2消耗較大，而非生物成因表現(xiàn)出對(duì)13CH3D和12CH2D2的消耗相對(duì)緩和的特征，隨著時(shí)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(guò)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(gè)地層甲烷的可能成因。Thiagarajan等［7］對(duì)美國(guó)墨西哥灣幾個(gè)油田的甲烷團(tuán)簇同位素（包括Δ13CH3D、Δ12CH2D2和Δ18值）進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)部分儲(chǔ)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(jī)分子熱解產(chǎn)生，而其他儲(chǔ)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(xiàn)提供有效信息。Zhang等［2］通過(guò)對(duì)甲烷水合物團(tuán)簇同位素的研究，確定了其來(lái)源并量化各來(lái)源的相對(duì)貢獻(xiàn)，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(chǔ)層中熱成因甲烷的比例。

2014年，Stolper等［1］首次利用美國(guó)Thermo Fisher公司的253 Ultra高分辨氣體穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀測(cè)得甲烷團(tuán)簇同位素13CH3D及12CH2D2的豐度之和。與此同時(shí)，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(kāi)發(fā)了13CH3D同位素的測(cè)量方法。隨后美國(guó)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(cè)定甲烷樣品中的13CH3D及12CH2D2同位素［4，12］。目前，經(jīng)過(guò)升級(jí)改進(jìn)的253 UltraHR－IRMS同樣可分別測(cè)定甲烷樣品中的13CH3D及12CH2D2同位素［7，13－14］。但對(duì)甲烷團(tuán)簇同位素的測(cè)試，尤其針對(duì)δ12CH2D2的測(cè)試，則對(duì)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(guó)內(nèi)首臺(tái)253 UltraHR－IRMS成功地將甲烷δ13C、δD及δ13CH3D的測(cè)試精度提高到國(guó)際水平，但δ12CH2D2的測(cè)試精度仍低于國(guó)外的測(cè)試水平［15］。由于13CH3D和12CH2D2同位素體的測(cè)試多采用HR+模式（HR模式下打開(kāi)Aperture選項(xiàng)），此時(shí)的分辨率可超過(guò)測(cè)試要求（MRP～45 000）。但隨著長(zhǎng)周期測(cè)試的展開(kāi)，由于12CH2D2的豐度較13CH3D低，導(dǎo)致12CH2D2的測(cè)試信號(hào)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(cè)定及測(cè)試精度的進(jìn)一步提高，有助于完善和提高國(guó)內(nèi)甲烷團(tuán)簇同位素的測(cè)試方法和水平。

1 實(shí)驗(yàn)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(guó)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(cè)試方法

采用HR模式，關(guān)閉Aperture選項(xiàng)，接收杯配置為L(zhǎng)4、H4CDD，分別用于接收12CH4和12CH2D2的信號(hào)，接收杯套峰圖見(jiàn)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(hào)差小于1%。建立LabBook方法，在Labbook中添加3個(gè)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(hào)強(qiáng)度，Tolerance范圍1%，積分時(shí)間33 s，測(cè)試總時(shí)長(zhǎng)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(kāi)Aperture情況下，12CH2D2的信號(hào)僅為55 cps［15］。而在關(guān)閉Aperture下，12CH2D2的信號(hào)可以提高至100～120 cps（圖1A），信號(hào)得到明顯升高，但由于此時(shí)的MRP不如打開(kāi)Aperture時(shí)高，12CH2D2峰易受到13CH3D和13CH5峰拖尾的干擾，其中13CH3D的信號(hào)約為5.9×103cps，13CH5的信號(hào)約為4.6×103cps，均遠(yuǎn)大于12CH2D2的信號(hào)強(qiáng)度，故拖尾干擾不能忽略［12］。

13CH3D和13CH5峰的拖尾無(wú)法直接測(cè)得，而不同離子束的峰型函數(shù)都相同［6，8］，由圖1B可見(jiàn)水峰附近無(wú)干擾峰，因此可應(yīng)用［H2O+］峰模擬校正13CH3D和13CH5峰對(duì)12CH2D2峰的拖尾影響。根據(jù)質(zhì)量掃描結(jié)果測(cè)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(guò)測(cè)量水峰中心的信號(hào)強(qiáng)度加上兩個(gè)差值位置處的信號(hào)強(qiáng)度（見(jiàn)圖2），即可計(jì)算水峰中心處產(chǎn)生的拖尾影響，從而校正13CH3D和13CH5峰對(duì)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(huì)造成信號(hào)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(jì)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(hào)強(qiáng)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(hào)強(qiáng)度，imax表示水峰中心處信號(hào)強(qiáng)度。根據(jù)拖尾因子可計(jì)算13CH3D和13CH5峰拖尾產(chǎn)生的空白：

綜合所有公式，計(jì)算得到12CH2D2峰處的總空白。根據(jù)計(jì)算，13CH3D和13CH5峰拖尾所產(chǎn)生的信號(hào)為0.4～3.5 cps。扣掉總空白可得信號(hào)真實(shí)響應(yīng)值，根據(jù)真實(shí)響應(yīng)值進(jìn)一步計(jì)算δ12CH2D2值。根據(jù)連續(xù)測(cè)試結(jié)果計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)誤差（s.e.）用于指示該儀器測(cè)試內(nèi)精度，關(guān)閉Aperture后，信號(hào)響應(yīng)值提高，通過(guò)水峰模擬計(jì)算扣除相鄰峰拖尾產(chǎn)生的空白，得到δ12CH2D2的測(cè)試精度可達(dá)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(cè)試方法可行。

2.2 連續(xù)測(cè)試結(jié)果

通過(guò)連續(xù)測(cè)試CH4純氣以驗(yàn)證該方法的連續(xù)穩(wěn)定性，結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖可知，δ12CH2D2值的連續(xù)測(cè)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(kāi)展δ12CH2D2測(cè)試所報(bào)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(shí)際樣品的測(cè)試。

圖3 δ12CH2D2連續(xù)測(cè)試精度結(jié)果的對(duì)比（參考數(shù)據(jù)為各實(shí)驗(yàn)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(guó)Thermo Fisher公司在國(guó)內(nèi)的首臺(tái)253 Ultra高分辨氣體穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀，通過(guò)平衡儀器的分辨率和靈敏度，關(guān)閉Aperture以提高儀器信號(hào)強(qiáng)度，驗(yàn)證了可通過(guò)拖尾校正模擬計(jì)算彌補(bǔ)分辨率的降低，成功建立了甲烷團(tuán)簇同位素的測(cè)試方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在HR模式下，不打開(kāi)Aperture，［12CH2D2+］信號(hào)得到有效提高，通過(guò)［H2O+］峰模擬計(jì)算可校正13CH3D峰與13CH5峰拖尾產(chǎn)生的空白，最終計(jì)算δ12CH2D2的測(cè)試精度可達(dá)1.29‰～1.47‰。對(duì)方法進(jìn)行優(yōu)化后，該項(xiàng)參數(shù)的分析指標(biāo)精度與加州大學(xué)伯克利分校等國(guó)際機(jī)構(gòu)所報(bào)道的數(shù)據(jù)一致，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，提高了甲烷團(tuán)簇同位素的分析標(biāo)準(zhǔn)，可以更好地應(yīng)用于實(shí)際樣品的測(cè)試。