甲烷的多維和高維同位素特性真那么有趣嗎?

更新時(shí)間：2022-01-10 10:48:16

Ultra研制的最初動機(jī)是要更精確地測量CO₂及甲烷（CH₄）的clumped同位素值（屬于HD3），而研制Panorama的最初動機(jī)是要更精確地測定甲烷中的多個(gè)同位素體(isotopologues)及其多個(gè)clumped同位素值。特別是要區(qū)分同樣是質(zhì)量18的¹³CH₃D和¹²CH₂D₂，其需要的mass resolving power 高達(dá)6000（Eiler, 2013）。

哪為什么要測這么多甲烷的同位素體呢？主要原因是要解決自然界甲烷的成因問題。甲烷起源有生物的，有非生物的。有熱平衡的有不平衡的。一開始人們利用D/H同位素和¹³C/¹²C同位素比值，來確定甲烷的起源和成因（屬于HD4）。早期用這二維空間來區(qū)分似乎很管用。但數(shù)據(jù)多了以后人們發(fā)現(xiàn)這δD-δ¹³C的空間其實(shí)還是有點(diǎn)模棱兩可。它們的界限并不很清晰，加上混合的因素，δD-δ¹³C的空間越來越不夠。這就需要有更高維度的信息來解析自然界甲烷的成因。

最初成功對¹³CH₃D和¹²CH₂D₂豐度的精確測定是在UCLA的Panorama原型機(jī)上做的（Young et al., 2017）。其中最新奇的發(fā)現(xiàn)是非生物成因的甲烷大大地虧損¹²CH₂D₂。這一發(fā)現(xiàn)有可能提供一個(gè)可以直接區(qū)分生物和非生物甲烷的高維度的參數(shù)。所關(guān)注的非生物甲烷是由CO₂+H₂表面催化生成。Young et al.（2017）認(rèn)為這過程中的氫的量子隧穿效應(yīng)（quantum tunneling）可以解釋其巨大虧損的¹²CH₂D₂。