甲烷团簇同位素12CH2D2测试方法优化研究

鲁 丽，王欣楚，李思亮，2，庞智勇*

（1．天津大学 地球系统科学学院，表层地球系统科学研究院，天津 300072；2．天津大学 物质绿色创造与制造海河实验室，天津 300192）

团簇同位素（Clumped isotope）是指含有2个或2个以上重同位素的同位素体［1－2］。甲烷（CH4）共存在10种同位素体，其相对分子量为16～21，相对丰度及准确质量数如表1所示［1］。含有2个重同位素的团簇同位素相对丰度在×10-6水平甚至更低，而含有3个重同位素团簇同位素的相对丰度仅为×10-9～10-12，各同位素体之间质量数相差甚微，传统的气体稳定同位素质谱仪由于仪器分辨率低而无法检测，高分辨稳定同位素质谱仪的出现则为甲烷团簇同位素测试技术的成功研发提供了有利的技术手段［3］。现有的仪器可将甲烷团簇同位素中质量数为18的13CH3D及12CH2D2区分开，因此，甲烷团簇同位素一般是指相对分子质量为18的13CH3D及12CH2D2同位素体。

表1 甲烷同位素体的相对丰度及准确质量数［1］Table 1 Relative abundances and exact masses of the isotopologues of methane［1］

传统稳定同位素的δ值主要用于了解样品相对于某一标准物质的同位素差异情况，而团簇同位素的测量结果代表同位素分子的相对丰度偏离随机分布状态的程度，一般用Δ18（指13CH3D和12CH2D2同位素体的丰度和偏离随机分布状态的程度）、Δ13CH3D（指13CH3D同位素体的丰度偏离随机分布状态的程度）及Δ12CH2D2（指12CH2D2同位素体的丰度偏离随机分布状态的程度）表示［4－6］。甲烷团簇同位素是衡量甲烷是否处于热力学同位素平衡状态或受动力学过程影响的独特指标［7］。Δ18常被用于甲烷非生物成因、热成因气及生物成因气的辨识，并取得一系列成果［8］。但对于经过动力学分馏或混合而未能重新平衡的甲烷气，仅Δ18值可能会掩盖由于Δ13CH3D及Δ12CH2D2的差异所反映的信息［6］。在同一温度下，13CH3D及12CH2D2具有各自对应的平衡温度［4，8］，基于此，目前对于甲烷团簇同位素的研究基于对13CH3D及12CH2D2的单独测试，从而进一步提供甲烷内部同位素平衡状态的信息［9］。如Young等［4］通过对自然界和实验室产生的甲烷气体中的Δ13CH3D及Δ12CH2D2进行测试，发现当两种同位素的键序达到平衡状态下，可用Δ13CH3D及Δ12CH2D2的温度关系进行测温，微生物活动对甲烷中的13CH3D及12CH2D2消耗较大，而非生物成因表现出对13CH3D和12CH2D2的消耗相对缓和的特征，随着时间的推移，非生物成因甲烷由于微生物群落的影响，其同位素序列重新排列，这一过程可导致12CH2D2的大量消耗，因此Δ12CH2D2的值可作为微生物循环的示踪剂。Giunta等［10］首次系统的将Δ13CH3D与Δ12CH2D2应用于陆相沉积盆地，研究了安大略省西南盆地寒武纪、奥陶纪和志留纪的沉积地层以及密歇根盆地志留纪和泥盆纪地层的天然气样品中的13CH3D和12CH2D2，揭示了每个地层甲烷的可能成因。Thiagarajan等［7］对美国墨西哥湾几个油田的甲烷团簇同位素（包括Δ13CH3D、Δ12CH2D2和Δ18值）进行测试，发现部分储气层的Δ13CH3D与Δ12CH2D2值与热成因气体所表现的同位素值一致，符合热力学平衡，即由较大的有机分子热解产生，而其他储气层的Δ13CH3D与Δ12CH2D2值则明显地脱离了热力学平衡所定义的相关性，且Δ12CH2D2值可为确认微生物甲烷的贡献提供有效信息。Zhang等［2］通过对甲烷水合物团簇同位素的研究，确定了其来源并量化各来源的相对贡献，揭示了传统同位素方法大大低估了全球天然气水合物储层中热成因甲烷的比例。

2014年，Stolper等［1］首次利用美国Thermo Fisher公司的253 Ultra高分辨气体稳定同位素质谱仪测得甲烷团簇同位素13CH3D及12CH2D2的丰度之和。与此同时，麻省理工学院的Ono等［11］使用可调谐红外激光差分吸收光谱（TILDAS）开发了13CH3D同位素的测量方法。随后美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）使用更大半径的高分辨率同位素比质谱仪（Nu Instruments Panorama）测定甲烷样品中的13CH3D及12CH2D2同位素［4，12］。目前，经过升级改进的253 UltraHR－IRMS同样可分别测定甲烷样品中的13CH3D及12CH2D2同位素［7，13－14］。但对甲烷团簇同位素的测试，尤其针对δ12CH2D2的测试，则对仪器分辨能（MRP）提出了极高要求。

本课题组依托Thermo Fisher公司生产的国内首台253 UltraHR－IRMS成功地将甲烷δ13C、δD及δ13CH3D的测试精度提高到国际水平，但δ12CH2D2的测试精度仍低于国外的测试水平［15］。由于13CH3D和12CH2D2同位素体的测试多采用HR+模式（HR模式下打开Aperture选项），此时的分辨率可超过测试要求（MRP～45 000）。但随着长周期测试的展开，由于12CH2D2的丰度较13CH3D低，导致12CH2D2的测试信号极低，其标准误差（Standard error，s.e.）较差。而12CH2D2同位素值的准确测定及测试精度的进一步提高，有助于完善和提高国内甲烷团簇同位素的测试方法和水平。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

253 Ultra高分辨气体稳定同位素质谱仪（HR－IRMS，美国赛默飞世尔公司）；钢瓶甲烷气（纯度99.999%，天津浩伦气体有限公司）。

1.2 测试方法

采用HR模式，关闭Aperture选项，接收杯配置为L4、H4CDD，分别用于接收12CH4和12CH2D2的信号，接收杯套峰图见图1A。利用H2O+峰调节仪器分辨能（MRP），调至MRP＞30 000。将高纯甲烷气通入双路（Dual inlet），气体压力约1.2×104Pa，调节两边信号差小于1%。建立LabBook方法，在Labbook中添加3个Dynamic block，分别为Measurement block、Adduct block和Water block，Measurementblock设Repeat为15，Cycles为8；Adductblock设定Repeat为3，Cycles为1；Waterblock设定Repeat为4；所有Block设定相同的信号强度，Tolerance范围1%，积分时间33 s，测试总时长约15 h。

图1 ［12CH2D2+］（A）及［H2O+］峰（B）的质量扫描Fig.1 Mass scan for［12CH2D2+］（A）and［H2O+］peak（B）

2 结果与讨论

2.1 峰拖尾校正

在打开Aperture情况下，12CH2D2的信号仅为55 cps［15］。而在关闭Aperture下，12CH2D2的信号可以提高至100～120 cps（图1A），信号得到明显升高，但由于此时的MRP不如打开Aperture时高，12CH2D2峰易受到13CH3D和13CH5峰拖尾的干扰，其中13CH3D的信号约为5.9×103cps，13CH5的信号约为4.6×103cps，均远大于12CH2D2的信号强度，故拖尾干扰不能忽略［12］。

13CH3D和13CH5峰的拖尾无法直接测得，而不同离子束的峰型函数都相同［6，8］，由图1B可见水峰附近无干扰峰，因此可应用［H2O+］峰模拟校正13CH3D和13CH5峰对12CH2D2峰的拖尾影响。根据质量扫描结果测得13CH3D峰中心与12CH2D2峰中心的差值为0.002 8 u，13CH5峰中心与12CH2D2峰中心的差值为0.001 4 u，通过测量水峰中心的信号强度加上两个差值位置处的信号强度（见图2），即可计算水峰中心处产生的拖尾影响，从而校正13CH3D和13CH5峰对12CH2D2峰的拖尾影响。

图2 拖尾校正水峰的扫描示意图Fig.2 Water peak scan for tailing corrections in δ12CH2D2 analysis

由于拖尾会造成信号基线的升高，所以空白不仅是仪器本底噪声，还包括拖尾产生的噪声［13］，其计算公式如下：

式中，bT代表总空白，bBGD代表仪器本底噪声，b13CH3D和b13CH5分别表示13CH3D峰和13CH5峰拖尾产生的空白。水峰拖尾与峰中心的信号强度比值定义为拖尾因子（tf），公式如下：

式中，itail表示拖尾处信号强度，imax表示水峰中心处信号强度。根据拖尾因子可计算13CH3D和13CH5峰拖尾产生的空白：

综合所有公式，计算得到12CH2D2峰处的总空白。根据计算，13CH3D和13CH5峰拖尾所产生的信号为0.4～3.5 cps。扣掉总空白可得信号真实响应值，根据真实响应值进一步计算δ12CH2D2值。根据连续测试结果计算得到标准误差（s.e.）用于指示该仪器测试内精度，关闭Aperture后，信号响应值提高，通过水峰模拟计算扣除相邻峰拖尾产生的空白，得到δ12CH2D2的测试精度可达1.36‰，稳定性明显优于方法优化前的1.55‰。结果证明该测试方法可行。

2.2 连续测试结果

通过连续测试CH4纯气以验证该方法的连续稳定性，结果见图3。由图可知，δ12CH2D2值的连续测试精度为1.29‰～1.47‰，与加州理工学院（Caltech）、加州大学伯克利分校（UC Berkeley）和东京工业大学（Tokyo Tech）等较早使用拖尾校正法开展δ12CH2D2测试所报道的数据一致［2，7，13］，证明该方法准确可靠，可用于实际样品的测试。

图3 δ12CH2D2连续测试精度结果的对比（参考数据为各实验室的平均水平［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 结论

本文调试了不同条件下美国Thermo Fisher公司在国内的首台253 Ultra高分辨气体稳定同位素质谱仪，通过平衡仪器的分辨率和灵敏度，关闭Aperture以提高仪器信号强度，验证了可通过拖尾校正模拟计算弥补分辨率的降低，成功建立了甲烷团簇同位素的测试方法。实验结果表明：在HR模式下，不打开Aperture，［12CH2D2+］信号得到有效提高，通过［H2O+］峰模拟计算可校正13CH3D峰与13CH5峰拖尾产生的空白，最终计算δ12CH2D2的测试精度可达1.29‰～1.47‰。对方法进行优化后，该项参数的分析指标精度与加州大学伯克利分校等国际机构所报道的数据一致，达到了国际先进水平，提高了甲烷团簇同位素的分析标准，可以更好地应用于实际样品的测试。