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广州地化所建立起一套丙烷分子内特定位置碳同位素测定方法

文章来源:广州地球化学研究所    发布时间:2018-04-17  【字号:      】

  自从氨基酸的羧基位相对其它位富集13C被报道以来(Abelson and Hoering, 1961),分子内特定位置同位素分析(position-specific or site-specific isotope analysis, PSIA),也被称作分子内同位素分析(intramolecular isotope analysis)逐渐引起人们的关注,它可能成为同位素研究领域继从总有机质发展到单体化合物的一次飞跃后,再到化合物分子结构内的又一次飞跃。天然气形成过程中12C-12C键的优先断裂将导致残余生气母质富集13C和新形成的烃类气体产物贫13C,这种同位素分馏效应主要反映在烃类产物的端元位置;随着成熟作用的增加,富13C的残余生气母质将导致晚期形成的气体较早期形成的气体在端元位置富集13C。这种分子特定位置的同位素分馏与天然气的形成机理、成熟度和母质密切相关。因此,除了天然气的化学和碳氢同位素组成外,PSIA可以为天然气来源、成熟度和成因的研究提供更丰富的信息。

  目前,尽管PSIA技术在油气领域的应用还非常少,但仅有的几篇报道已经显示出丙烷分子内碳同位素在油气领域具有较好的应用潜力(Gao et al., 2016; Gilbert et al., 2016; Piasecki et al., 2016)。近期,中国科学院广州地球化学研究所研究员熊永强课题组以丙烷作为研究对象,通过在线裂解与GC-IRMS的联用,建立了一套在线分析天然气中丙烷分子内碳同位素的方法。该研究整体思路如图1所示,天然气样品中的丙烷经过第一台色谱分离后进入自制的高温裂解炉进行裂解,通过条件优化实验确定了丙烷的最佳裂解温度为820°C。在没有二次裂解反应的情况下,主要裂解产物有甲烷(CH4)、乙烯(C2H4)、乙烷(C2H6)和丙烯(C3H6)。通过1-13C标记丙烷的裂解实验建立裂解产物碳和母质碳的亲缘关系,并定义相关反应产生的同位素富集系数分别为ε1ε2、和ε3(图2),从而建立起裂解产物单体碳同位素组成和母质不同位置碳同位素组成之间的相关关系式(方程1~4);通过同位素质量守恒(方程5)计算得到丙烷端元碳和中间碳的碳同位素值( δ13Ca、δ13Cb以及SP值(SP =δ13Ca-δ13Cb

  该方法的主要优点是不需要超高分辨率的同位素比质谱仪,不需要复杂繁琐的气体富集纯化过程,需要的样品量相对较少,整个测定时间也较少。最重要的是可以获得丙烷分子内特定位置的实际碳同位素值,而不是相对值。通过改变裂解炉的裂解温度和色谱的条件,该方法可以很容易地推广到其它化合物的PSIA研究中去。

  该项成果得到国家自然科学基金、先导专项A以及有机地球化学国家重点实验室自主课题资助。论文近期发表在国际期刊Organic Geochemistry上。

    论文信息:Yun Li, Lin Zhang, Yongqiang Xiong*, Shutao Gao, Zhiqiang Yu, Ping’an Peng. Determination of position-specific carbon isotope ratios of propane from natural gas. Organic Geochemistry, 2018, 119: 11-21.

 

1 在线裂解与GC-IRMS的联合测定丙烷分子内碳同位素的示意图

分别代表裂解产物中各碎片所占碳含量)

 

2 丙烷裂解过程中各裂解产物来源示意图




(责任编辑:叶瑞优)

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