甲烷（CH₄）是仅次于二氧化碳（CO₂）的第二大人为排放温室气体。它的摩尔分数从工业前增加到2013年的1824 ppb，人为排放部分估计占总排放量的60%。一种有前景的方法是利用“稀有重同位素来”区分不同的甲烷排放源过程。同位素构形体”（Isotopologues）是一种特殊的分子结构，其中至少有一个原子含有不同数量的中子，使得化学结构相同但物理性质不同。这些同位素构形体可以在分子的任何位置发生，类似于不同元素的构造异构体。近年来，随着高分辨气体同位素质谱分析技术的发展，可通过测量同位素构形体的丰度比例，可以确定不同同位素构形体的存在和相对丰度。通过研究分子同位素构形体，可以提供关于地球化学和生物地球化学过程的重要信息，帮助我们了解地球的演化历史和环境变化。这一领域的研究引起了越来越多的关注，并在地质学、生物地球化学和气候研究中得到了广泛应用。

   使用先进的量子级联激光高精度气体分析技术（QCLAS）来持续监测¹²CH₄、¹³CH₄和CH₃D以及相应的同位素构型体的比值。量子级联激光器（Quantum Cascade Laser，QCL）诞生于1994年的美国，是基于半导体耦合量子阱子带（一般为导带）间的电子跃迁所产生的一种单极性光源。波长范围可覆盖中红外至远红外，输出功率从mW至W量级。具有高单色性、高相干性、高方向性、高亮度、长寿命等特点。目前是被中红外气体分子检测实名Pick出的理想发光器件。

   （QCLAS检测原理图如下：首先，信号发生器产生调制信号，包括低频扫描锯齿波和高频调制正弦波。这些调制信号加载到激光器上，激光经过调制后被待测气体吸收。接下来，红外探测器用于检测经气体吸收后的激光信号。然后，通过锁相放大器对激光信号进行解调，提取出各阶次谐波信号。最后，根据二次谐波信号与气体浓度成正比的关系，实现对气体浓度的测量。）

   在一项正在进行的项目中，通过将紧凑型QCLAS光谱仪与预浓缩装置TRace gas EXtractor（TREX）相结合，实现了一个可在野外部署的自主平台。这个装置能将甲烷的摩尔分数提高高达500倍以上，同时定量分离干扰的微量气体，如N₂O和CO₂（Eyer等，2014年；Eyer等，2016年）。

甲烷的同位素构型体

   同时，利用激光光谱技术对双取代的”团簇”甲烷同位素¹³CH₃D和¹²CH₂D₂进行高精度分析。通过实时分析环境空气中的δ¹³C-CH4和δD-CH₄，我们能够更好地了解甲烷的来源和过程。利用先进的QCLAS技术，能够实时监测甲烷的同位素组成，包括稳定碳同位素δ¹³C和稳定氘同位素δD。这些同位素比值的变化可以提供关于甲烷的来源、生产和消耗过程的重要线索。研究还包括对双取代的“团簇”甲烷同位素¹³CH₃D和¹²CH₂D₂的高精度分析。这些同位素分析的结果可以进一步揭示甲烷的来源和形成机制。这些技术的应用有助于我们更好地了解甲烷在全球气候变化中的作用，特别是对于评估人类活动对甲烷排放的贡献以及采取相应的减排措施具有重要意义。通过实时监测和高精度分析甲烷同位素，我们能够获得更全面、准确的甲烷排放数据，为应对气候变化提供科学依据。

双取代“团簇”甲烷同位素¹³CH₃D和¹²CH₂D₂的激光光谱高精度分析

参考文献：

1. Methane isotopic analysis（https://www.empa.ch/web/s503/intro-ch4-isotopes）

 2. https://zhuanlan.zhihu.com/p/328005827（知乎）

3. 中国矿物岩石地球化学学会网站，同位素世界中的分子变形——探讨“同位素构形体”和“同位素异构体”，作者：李中平 ，发表时间：2023年5月16日