通过在线气相色谱–热解–气相色谱–同位素比值质谱法对甲苯进行分子内碳同位素分析

《Organic Geochemistry》：Intramolecular carbon isotope analysis of toluene by on-line GC–hydropyrolysis–GC–IRMS

　　

• 在线GC–水热裂解–GC–IRMS可实现对甲苯分子内碳同位素分析。
• 在富氢条件下，甲苯水热裂解主要生成甲烷和苯。
• 富集因子可表征加氢脱甲基过程中的同位素分馏。
• 该方法在高成熟度石油体系的同位素分析中具有潜在应用价值。

**1. 引言**

稳定同位素分析是研究地球系统过程和变化的基本工具，其应用广泛涵盖生物地球化学循环追踪（Holtvoeth等，2019）、污染物转化评估（Hofstetter和Berg，2011）以及古环境重建（Johnson等，2006）。该技术可在三个分析层次上进行：总量稳定同位素分析（BSIA）（Brenna等，1997）、化合物特异同位素分析（CSIA）（Hayes等，1990）和位点特异同位素分析（PSIA）（Corso和Brenna，1997）。

PSIA是一种分子内同位素分析技术，能够在自然丰度水平下分辨分子内部非随机的同位素分布（Gauchotte-Lindsay和Turnbull，2016）。通过确定特定原子位置的同位素组成（Gilbert等，2016），尤其是那些对分馏高度敏感的位置（Sacks和Brenna，2003），PSIA为了解分子起源、反应途径以及平衡或动力学同位素效应提供了关键洞察（Corso和Brenna，1997；Gilbert等，2012a；Cesar等，2019；Polyakov和Horita，2021）。

分子内部的碳和氢同位素特征通常反映其前体物质的同位素特征，并受到化学或生物化学反应的显著影响。这些反应会改变分子特定位置的同位素组成，而反应活性较低的位置则基本不受影响（Gilbert等，2012b；Gauchotte-Lindsay和Turnbull，2016）。自Abelson和Hoering（1961）首次报告氨基酸羧基位置存在13C富集以来，已明确认识到分子内同位素分布本质上是非均匀的。此后，这一现象在多种化学和生物系统中得到证实，凸显了其提供新认识的潜力。实例包括陨石中醋酸的紫外诱导分馏（Oba和Naraoka，2007）、非法药物追溯鉴定（Armellin等，2006；Bussy等，2011）、通过乙醇D/H模式进行葡萄酒鉴定（Gauchotte-Lindsay和Turnbull，2016），以及甲醇、甲苯和溴甲烷等挥发性有机化合物蒸发过程中的位点特异同位素分馏（Julien等，2015）。

目前，已开发了几种分子内同位素测定的分析方法，包括定量13C核磁共振波谱（Gilbert等，2009；Julien等，2015）、高分辨率气源同位素比值质谱法（Eiler等，2013；Piasecki等，2016）、与气相色谱（GC）–燃烧（C）–同位素比值质谱法（IRMS）联用的离线酶催化或化学反应（Gao等，2016）、Orbitrap质谱法（Eiler等，2017）、流注射分析–茚三酮反应–同位素比值质谱法（Fry等，2018）以及在线热解联用GC–C–IRMS（Gilbert等，2016；Li等，2018）。其中，离线化学方法通常复杂、耗时且需要较大样品量（mL级别）（Gao等，2016）。核磁共振分析通常在纯化的或预先分离纯化的目标分析物上进行（Perini等，2024），且灵敏度相对较低，通常需要数十至数百毫摩化合物（Gilbert等，2016）。在线热解技术由Corso和Brenna率先用于脂肪酸甲酯、正构烷烃和甲苯的分析（Corso和Brenna，1997, 1999；Corso等，1998），随后扩展至醋酸、甲基叔丁基醚和乙醇（Yamada等，2002；Gauchotte等，2009；Hattori等，2011；Gilbert等，2013）。该方法具有较高的灵活性，因为样品引入和分离步骤可以针对不同化合物进行调整。例如，Gilbert等（2013）利用顶空固相微萃取（HS-SPME）进行样品引入后在线热解，分析了水溶液中的乙醇，在约30分钟的单次运行中即可获得分子内碳同位素信息，无需大量离线纯化。Gilbert等（2016）进一步展示了这种适应性，将在线热解技术应用于天然气样品中纳米摩尔级别的丙烷，完整GC程序约需1小时。

在线热解技术的发展为研究挥发性有机化合物的分子内同位素组成开辟了新途径，使芳香族烃类中特定碳位的精确表征成为可能。芳香族烃类是凝析油的关键组分，在石油地球化学中起着重要作用，可作为分子工具用于约束源输入（Le Métayer等，2014）、评估热成熟度（Radke，1988；Lu等，2025）以及建立油源对比（Holman和Grice，2018）。甲苯是最简单的烷基苯，其分子内碳同位素非均匀性反映了成键和断键过程的热力学和动力学控制。先前的理论研究为有机分子中位点特异碳同位素分布提供了重要见解。He等（2020）开发了一种理论截断计算方法用于预测大型有机分子的分子内同位素分布，Polyakov和Horita（2021）计算了广泛烃类及其单取代同位素体的碳同位素约化配分函数比值。在实验方面，Julien等（2015）利用核磁共振波谱研究了乙醇、甲基叔丁基醚（MTBE）、甲苯和三氯乙烯蒸发过程中的位点特异碳同位素分馏，表明位点特异同位素效应可以揭示可能在总δ13C值中被掩盖的分子内信息。这些理论和实验研究共同表明，位点特异同位素分析可能为研究甲苯的源区和转化过程提供有价值的分析维度。对甲苯在线热解分析的早期探索由Corso和Brenna（1999）开展，他们使用GC–热解–GC系统联用燃烧/高精度IRMS，研究了热解温度对甲苯碳同位素比值和产率的影响。他们的研究发现，在约850°C以上温度下苯的产率显著降低，且未对热解相关的碳同位素分馏进行定量评估。为克服这些局限性，本研究在裂解反应中引入氢气，以实现高精度IRMS分析所需的信号强度和稳定性，同时抑制二次反应。据此，本研究建立了一套在线GC–水热裂解（HyPy）–GC–IRMS系统，用于测定甲苯中甲基碳的δ13C值和苯基部分的平均δ13C值。

**2. 实验部分**

**2.1. 样品**

甲基-13C标记甲苯（99%同位素丰度；样品A）购自美国剑桥同位素实验室。天然碳同位素丰度的甲苯（99.9%纯度；样品B）购自广州化学试剂厂。采用来自中国西北塔里木盆地收集的8个凝析油样品（已由Deng等（2023）表征），以评估该方法的有效性。

同位素稀释实验可用于评估母体分子与其热解碎片之间的同位素分馏。该方法此前已应用于棕榈酸甲酯（Corso和Brenna，1997）、醋酸和辛酸（Dias等，2002）、丙烷（Gilbert等，2016）和丁烷（Julien等，2020），但据我们所知，尚未报道用于甲苯。通过将样品B与甲基-13C标记的样品A使用校准微量移液器进行添加，制备了6个同位素稀释甲苯样品。混合物均质化后密封于玻璃小瓶中保存待分析。样品的稀释因子分别为2177、3122、4902、7138、12383和未稀释的样品B（见3.2节）。甲苯样品中的同位素分布基于以下假设进行计算。第一，样品A苯基部分的六个碳原子假设具有均匀的天然丰度（1.10% 13C和98.90% 12C）（Berglund和Wieser，2011）。第二，样品B甲苯中的所有七个碳原子被认为是同位素均匀的，其13C/12C比值等于通过GC–IRMS测定的全分子平均碳同位素值。第三，在同位素稀释甲苯系列中，甲基位置的δ13C值取决于添加的甲基-13C标记甲苯的量。同位素稀释甲苯样品的计算13C/12C比值汇总于表1。

表1. 880°C和900°C下同位素稀释甲苯甲基碳的计算13C/12C比值及其热解碎片的测定碳同位素比值。

热解温度（°C） | 样品 | 稀释因子 | 13C/12C比值：母体C7H8 | 甲基CH4 | C6H6
---|---|---|---|---|---
880 | 同位素稀释1 | 2177 | 0.011005 | 0.011400 | 0.011325
880 | 同位素稀释2 | 3122 | 0.010986 | 0.011260 | 0.011205
880 | 同位素稀释3 | 4902 | 0.010969 | 0.011144 | 0.011081
880 | 同位素稀释4 | 7138 | 0.010960 | 0.011080 | 0.011009
880 | 同位素稀释5 | 12383 | 0.010951 | 0.011021 | 0.010965
880 | 样品B | — | 0.010940 | — | 0.010897
900 | 同位素稀释1 | 2177 | 0.011005 | 0.011400 | 0.011334
900 | 同位素稀释2 | 3122 | 0.010986 | 0.011260 | 0.011207
900 | 同位素稀释3 | 4902 | 0.010969 | 0.011144 | 0.011093
900 | 同位素稀释4 | 7138 | 0.010960 | 0.011080 | 0.011038
900 | 同位素稀释5 | 12383 | 0.010951 | 0.011021 | 0.010968
900 | 样品B | — | 0.010940 | — | 0.010904

**2.2. 在线水热裂解系统**

图1所示的系统由三个主要部分组成：气相色谱仪（GC）、实验室组装的热解炉和GC–IRMS。氢气被引入热解炉中以增强甲苯水热裂解产物的产率并抑制二次反应。配置了可切换的气路以去除过量氢气，确保各种热解产物δ13C值的准确测定。该配置可实现甲苯的在线水热裂解，随后通过GC–IRMS进行同位素测定。甲苯首先通过第一台GC（美国安捷伦科技8890型）从分析样品中分离，该GC配有毛细管柱（HP-PONA 50 m × 0.2 mm i.d.，膜厚0.5 μm）和一个两通四阀。在GC下游引入氢气，与流出的甲苯混合。混合物随后由氦气带入高温热解炉进行水热裂解，其中热解区域由连续加热的石英管（60 cm × 5 mm i.d.）组成。温度设定在860°C至920°C之间，使用日本富士电气FePXR-9恒温器控制在±0.5°C以内。过量氢气确保甲苯高效转化，同时抑制其向高碳产物的二次转化。反应结束后，手动终止氢气供应。第二台GC（美国安捷伦科技7890B型）配有二通六阀和两根毛细管柱（HP-PLOT/Q，30 m × 0.32 mm i.d.，膜厚20 μm；CP-Molsieve 5 A，25 m × 0.53 mm i.d.，膜厚50 μm）。热解碎片首先在HP-PLOT/Q柱上进行分离。随后切换阀门，将早流出的小分子（H2、CH4）导向CP-Molsieve 5 A柱，而留在HP-PLOT/Q柱上的后流出碎片（C6H6、C7H8）则通过无涂层转管线送出。根据分析目标，各组分分别送至火焰离子化检测器（FID）进行组成分析或送至IRMS（isoprime visION，Elementar，德国）进行同位素测定。GC–HyPy–GC–IRMS系统中的所有连接均采用钝化熔融石英毛细管（0.32 mm i.d.，安捷伦）作为转管线。

图1. 在线GC–HyPy–GC–IRMS系统示意图。

**2.3. GC–水热裂解（HyPy）–GC–FID分析**

将天然碳同位素丰度的甲苯用正己烷稀释至0.024 mol/L，通过GC–HyPy–GC–FID分析确定热解产物的组成。每次运行中，在注入2 μL稀释甲苯溶液至第一台GC（GC1）之前启动氢气流量。GC1的运行条件如下：柱温初始保持在40°C，以4°C/min升温至120°C，再以20°C/min升至300°C并在此温度保持35 min。进样温度300°C，分流比为10:1，柱流速0.8 mL/min。第二台GC（GC2）柱温保持在50°C 35 min，以20°C/min升温至230°C，并在此温度保持20 min。热解产物利用2.2节所述的柱切换系统进行分离，随后由FID分析。保留时间与标准品（甲烷、苯和甲苯）进行比较。

**2.4. GC–HyPy–GC–IRMS分析**

将一系列同位素稀释甲苯样品和天然碳同位素丰度的甲苯用正己烷稀释至0.024 mol/L，通过GC–HyPy–GC–IRMS分析确定甲苯热解产物的碳同位素值。每次运行注入2 μL样品，分流比为10:1。两台GC的温度程序和阀门切换序列遵循2.3节所述的步骤。氢气流出后，关闭GC2 FID前的阀门，将热解碎片导向氧化炉（880°C），在其中转化为CO2。样品的同位素比值以CO2气体工作标准进行校准，该工作标准的同位素组成以NIST RM-22（石墨）为基准进行校准，并根据以下方程转换为δ值：

(1) δ13C样品 = (R样品/R_VPDB ? 1) × 1000

其中R = 13C/12C，R_VPDB指维也纳皮迪贝莱门石国际标准（13C/12C = 0.0112372）。

报告的δ13C值代表至少两次重复测量的算术平均值，标准偏差小于0.5‰。

**3. 结果**

**3.1. H2辅助条件下的甲苯裂解**

首先在相同分析条件下进行无H2的对照实验，以考察甲苯的热解行为。在860–920°C的温度范围内，仅观察到微弱的甲烷信号。例如，在图2a所示的880°C色谱图中，甲烷对甲苯的积分色谱峰面积比约为0.04。这表明无H2热解不利于产生足够的目标甲烷用于分子内碳同位素分析。

对于如此低强度的甲烷峰，基线校正和峰积分相关的不确定性可能对测得的同位素信号产生更大的相对影响，从而增加相应δ13C值的不确定性。因此，无H?实验被用作定性对照，未纳入后续同位素计算中。相应地，后续方法开发集中在H?辅助裂解上，以增强甲烷的生成并提高分析性能。下载：下载高分辨率图片（128KB）下载：下载全尺寸图片

图2. 880°C甲苯裂解产物的气相色谱图：(a) 未添加氢气；(b) 存在氢气。

在H?辅助条件下，评估了860–920°C的裂解温度以优化分子内同位素分析条件。图2b显示了880°C裂解甲苯的气相色谱图，其中检测到甲烷、苯和残留甲苯。图3给出了不同温度下裂解碎片和残留甲苯的摩尔百分比。在860°C时，主要加氢裂解产物为甲烷（CH?）和苯（C6H6）。随着温度升高，裂解碎片的产率增加。如果仅发生CC键断裂而不发生副反应，碎片（甲烷和苯）的摩尔产率比应为1:1。本研究中，在860°C和880°C时，测得的甲烷与苯的产率比接近该理论值（表2），表明甲苯加氢裂解主要通过单个CC键断裂发生。相比之下，在900°C和920°C时，该比值出现显著偏离，表明发生了更复杂的副反应。为了评估温度对裂解过程中碳同位素分馏的影响，在860–920°C下使用GC–HyPy–GC–IRMS系统分析了具有天然碳同位素丰度的甲苯（样品B）。如图4所示，在所有温度下，甲烷和苯相对于母体甲苯在13C上均贫化，表明裂解过程中优先断裂12C12C键。所有碎片均表现出一致的同位素趋势：随着裂解温度升高，甲烷、苯和残留甲苯在13C上逐渐富集。

下载：下载高分辨率图片（92KB）下载：下载全尺寸图片

图3. 860–920°C甲苯裂解碎片的摩尔转化率（mol%）及残留甲苯。

表2. CH?/C?H?产率比和CH?峰高的温度依赖性

| 温度（°C） | CH?/C?H?产率比 | 与1:1的偏差（%） | CH?峰高（nA） |
|-----------|---------------|----------------|--------------|
| 860 | 0.962 | 3.8 | 0.4 |
| 880 | 0.987 | 1.3 | 0.6 |
| 900 | 0.934 | 6.6 | 0.7 |
| 920 | 0.894 | 10.6 | 0.7 |

下载：下载高分辨率图片（116KB）下载：下载全尺寸图片

图4. 860–920°C残留甲苯及其裂解碎片的δ13C值。

3.2. 甲苯加氢裂解中碎片来源的同位素稀释验证

为限定母体甲苯分子中甲烷的碳源，并评估苯的碳来源，进行了同位素稀释实验。将一系列同位素稀释的甲苯样品（样品B加标样品A）在880°C和900°C下进行裂解。使用GC–HyPy–GC–IRMS系统测量碎片的δ13C值。表1列出了母体甲苯及其裂解碎片的同位素比值测量值，以及计算得出的甲苯中甲基碳的13C/12C比值。计算详情如下。

首先，计算样品A的13C/12C比值时，假设其苯基部分的六个碳原子具有均匀的天然丰度，即13C为1.10%，12C为98.90%（Berglund and Wieser, 2011）。因此，样品A的13C/12C比值（RA）可按下式计算：

(2) RA = 13C_A/12C_A = (1×99% + 6×1.10%) / (1×1% + 6×98.90%) = 0.1776581

使用GC–IRMS测定样品B的化合物特异性碳同位素δ13C为?26.47‰，根据公式(1)计算得RB为0.0109398。

对于每个同位素稀释样品，将样品B的体积归一化为1，样品A的相对体积记为X，则样品A/样品B的体积比为X:1。稀释因子定义为混合物中甲苯总体积与样品A体积之比。这些样品的碳同位素比值（RX）由GC–IRMS测定（表1）。

根据公式：

(3) RX = 13C_X/12C_X = [RB×(1+RA) + RA×(1+RB)×X] / [(1+RA) + (1+RB)×X]

可计算X以获得稀释因子（表1）：

(4) X = (RB ? RX)×(1+RA) / [(1+RB)×(RX ? RA)]

(5) 稀释因子 = 1/X + 1

同位素稀释甲苯样品中甲基碳的同位素比值按以下公式计算：

(6) R_methyl = 13C/12C = [0.99×(1+RB)×X + RB] / [0.01×(1+RB)×X + 1]

为了检查甲苯裂解过程中产生的甲烷的碳源，按照Gilbert等（2016）的方法评估了母体甲苯与甲烷的碳同位素比值之间的关系。由于甲苯含有七个碳原子，如果甲烷反映了甲苯中标记碳位置的同位素组成，则预期理论斜率为7。如图5所示，880°C时甲烷的观察斜率为6.8，R2 > 0.99；如果其他碳位置有显著贡献，则会使该斜率明显偏离理论值7。

下载：下载高分辨率图片（339KB）下载：下载全尺寸图片

图5. 880°C和900°C下同位素稀释甲苯裂解产生甲烷时，同位素稀释甲苯的13R_toluene与13R_methane之间的关系。

甲烷的碳同位素比值还与甲苯中甲基碳的计算同位素比值进行了比较。回归显示斜率接近1，R2 > 0.99（图6），表明甲烷与甲基碳之间存在近似一对一的对应关系。综合这两个同位素关系，证明甲烷主要来源于甲苯的甲基碳。

下载：下载高分辨率图片（356KB）下载：下载全尺寸图片

图6. 880°C和900°C下同位素稀释甲苯系列裂解产生的甲烷的13R_methyl与13R_methane之间的关系。

甲苯裂解过程中产生的苯的碳同位素比值与同位素稀释甲苯进行了比较。回归斜率接近0（图7），表明在分析不确定性范围内，苯的碳同位素比值对标记甲基碳的同位素组成不表现出显著依赖性。结合甲烷与苯接近1:1的摩尔比（表2），这些结果表明甲苯裂解主要通过甲基碳与芳香环之间的CC键断裂进行，甲烷主要来源于甲基碳，苯则来源于甲苯剩余的苯基部分。

下载：下载高分辨率图片（177KB）下载：下载全尺寸图片

图7. 880°C和900°C下同位素稀释甲苯裂解产生的苯的13R_toluene与13R_benzene之间的关系。

4. 讨论

本研究采用在线加氢裂解联用GC–IRMS测定凝析液中甲苯的分子内碳同位素组成。准确测量分子内同位素比值理想上需要三个前提条件：(1) 明确建立的碎片-母体关系；(2) 已知且可重复的与裂解相关的碳同位素分馏，可对其进行定量计算；(3) 在保持足够高的裂解产率以确保可靠的GC–IRMS分析的同时，尽量减少副反应。

4.1. 裂解条件的优化

在理想裂解条件下，生成的碎片应保留直接反映其在母体分子中特定碳位置或部位的分子内同位素特征，确保每个碎片都能充分代表分子内同位素分析中对应的特定位置。这假设裂解是定量进行的，即每个碎片主要源自前驱体中唯一的部位，不存在碳的混杂或副反应。这种关系被描述为"保真度"，反映了碎片的测量同位素比值在多大程度上代表了母体化合物中其特定位置或部位的同位素比值（Sacks and Brenna, 2003; Wolyniak et al., 2005）。然而，在实际操作中，裂解途径往往很复杂，副反应可能在主键断裂完成前就已经发生（Gauchotte-Lindsay and Turnbull, 2016）。因此，实现高结构保真度和同位素保真度通常需要可控的、不完全的裂解条件（Sacks and Brenna, 2003）。

Corso和Brenna（1999）使用联用燃烧/高精度IRMS的GC–裂解–GC系统在800–1050°C的温度范围内研究了甲苯的裂解。他们报告甲烷、苯和残留甲苯是唯一检测到的裂解产物，在他们的实验条件下未观察到其他产物。基于这些发现，本研究的初始加氢裂解温度测试范围为860°C–920°C。与之前的报道一致，在860–920°C范围内，甲烷、苯和残留甲苯是主要的可检测产物。在860°C时，CH?产率过低，无法准确进行δ13C分析，这可能导致可重复性差，除非使用更大的样品量。相比之下，在900°C及以上温度时，CH?/C?H?摩尔比与预期的1:1化学计量比出现较大偏差，这可能表明发生了副反应，从而破坏了苯仍能代表甲苯苯基部分的假设。因此，选择880°C作为最佳裂解温度，因为它在测量精度和最小化副反应之间取得了平衡。氢压力也进行了微调以满足两个约束条件。在低氢压力下，副反应未被有效抑制，碎片产率过低，无法可靠地进行δ13C测量。在高氢压力下，GC通道的流速不匹配导致分离不完全和显著的残留峰。确定0.15 MPa的氢压力为最佳值，确保稳定高效的裂解而不影响切割性能。

4.2. 甲苯加氢脱甲基过程中反应特异性同位素富集因子

加氢脱甲基是石油炼制中的标准工艺，通过氢气与甲苯反应去除甲基，将甲苯转化为苯，如图8所示。在富氢条件下，该反应选择性进行，生成甲烷和苯。相比之下，在贫氢、高转化条件下，更复杂的反应动力学导致双环或多环缩合产物的形成（Silsby and Sawyer, 1956; Amano et al., 1965）。甲苯的非催化加氢脱甲基机理已确定无疑为自由基链式反应（Silsby and Sawyer, 1956; Tominaga et al., 1970）。链引发由氢气解离完成（Silsby and Sawyer, 1956）。在关键的链增长步骤中，氢自由基进攻甲苯上与甲基相连的苯基碳，形成甲基环己二烯基自由基型σ配合物过渡态，该过渡态协同分解为苯和甲基自由基，由于能量壁垒低，该途径在动力学上是有利的（Amano et al., 1965; Tominaga et al., 1970）。链增长通过甲基自由基与分子氢反应生成甲烷并再生氢原子得以维持（Silsby and Sawyer, 1956）。因此，与该机理相关的碳同位素分馏源于形成苯和甲基自由基的CC键断裂。

下载：下载高分辨率图片（89KB）下载：下载全尺寸图片

图8. 甲苯加氢脱甲基的主要反应示意图。

在880°C甲苯不完全裂解过程中，一个碎片的δ13C值代表一个复合信号，结合了其原始分子内同位素特征和加氢裂解过程中引入的同位素分馏。因此，无法直接从裂解产物的测量同位素组成中获得绝对δ13C值（Julien et al., 2020）。在本研究中，富集因子定义为裂解碎片的δ13C值与母体分子中对应碳位置或部位的δ13C值之间的差值。之前的研究表明，同位素分馏在直接参与键断裂和形成的碳原子上最大（Corso and Brenna, 1997）。在甲苯加氢脱甲基的语境下，这意味着CC键断裂相关的同位素分馏主要集中在反应位点（Wolyniak et al., 2005），特别是直接参与键断裂的甲基碳和对位碳。对于苯基部分，这意味着同位素分馏信号集中在单个碳位置上，即对位碳。然而，在实验测量中，该信号被测量为苯（C6H6）的总δ13C值，将单个反应碳的同位素变化在环的六个碳上进行平均。因此，苯中观察到的δ13C变化与甲烷相比被六倍稀释。为了考虑这种同位素衰减，并将碎片测量的同位素比值定量地与母体分子中的原始位置联系起来，我们定义了反应特异性同位素富集因子。其中，ε_methyl代表甲基碳形成甲烷的富集因子，而ε_phenyl代表苯基形成苯的环平均富集因子。对位碳处的富集因子ε_ipso通过六碳平均效应与ε_phenyl相关联。ε值的变化主要来源于裂解温度的差异（Tang et al., 2000）、由Rayleigh分馏控制的烃生成速率（Rooney et al., 1995），或两者兼有。

因此，通过考虑环衰减效应并使用定义的富集因子，每种裂解产物的δ13C值可与母体甲苯中对应的碳部位相关联。

各组分之间的关系由以下方程式给出：
(7) δ13Cmethyl = δ13Cmethane – εmethyl
(8) δ13Cphenyl = δ13Cbenzene – εphenyl
(9) εmethyl = εipso = 6 × εphenyl
(10) δ13Ctol,original = (δ13Cmethyl + 6 × δ13Cphenyl) / 7
其中，δ13Cmethane和δ13Cbenzene为经GC–HyPy–GC–IRMS测得的甲烷和苯的δ13C值；δ13Ctol,original为经GC–IRMS测得的母体甲苯的δ13C值；δ13Cmethyl和δ13Cphenyl分别代表母体甲苯中甲基和苯基部分的δ13C值。在每个温度下，测定甲苯水热解产生的甲烷和苯的δ13C值（甲苯具有天然同位素丰度）。将这些测量结果与原始甲苯的总δ13C值结合，推导出甲基和苯基部分的同位素组成及相应的富集因子。在860–920°C的温度范围内，利用方程式(7)、(8)、(9)、(10)进行计算。结果汇总于表3。

表3. 天然碳同位素丰度甲苯热解碎片的计算富集因子和实测碳同位素比值。

热解温度(°C) | 13Rmethane | 13Rbenzene | 13Rmethyl | 13Rphenyl | εmethyl(‰) | εphenyl(‰)
860 | 0.010897 | 0.010922 | 0.010971 | 0.010935 | ?6.6 | ?1.1
| 0.010892 | 0.010923 | 0.010967 | 0.010935 | ?6.7 | ?1.1
| 0.010894 | 0.010918 | 0.010981 | 0.010933 | ?7.7 | ?1.3
平均值 | 0.010895 | 0.010921 | 0.010973 | 0.010934 | ?7.0 ± 0.6 | ?1.2 ± 0.1
880 | 0.010900 | 0.010924 | 0.010968 | 0.010935 | ?6.1 | ?1.0
| 0.010893 | 0.010923 | 0.010967 | 0.010935 | ?6.5 | ?1.1
| 0.010898 | 0.010926 | 0.010961 | 0.010936 | ?5.7 | ?0.9
平均值 | 0.010897 | 0.010924 | 0.010965 | 0.010936 | ?6.1 ± 0.4 | ?1.0 ± 0.1
900 | 0.010904 | 0.010925 | 0.010967 | 0.010935 | ?5.6 | ?0.9
| 0.010903 | 0.010926 | 0.010962 | 0.010936 | ?5.2 | ?0.9
| 0.010905 | 0.010927 | 0.010961 | 0.010936 | ?5.0 | ?0.8
平均值 | 0.010904 | 0.010926 | 0.010963 | 0.010936 | ?5.3 ± 0.3 | ?0.9 ± 0.0
920 | 0.010908 | 0.010926 | 0.010966 | 0.010935 | ?5.2 | ?0.9
| 0.010909 | 0.010927 | 0.010963 | 0.010936 | ?4.8 | ?0.8
| 0.010911 | 0.010928 | 0.010961 | 0.010936 | ?4.5 | ?0.7
平均值 | 0.010909 | 0.010927 | 0.010963 | 0.010936 | ?4.8 ± 0.4 | ?0.8 ± 0.1

εmethyl和εphenyl均随温度呈系统性变化。同位素分馏的幅度随温度升高而减小。这一趋势表明，该体系中反应特异性同位素分馏主要受热解温度控制。在880°C下测定的ε值为未来天然样品分析中推导分子内碳同位素组成提供了校准参数。

每个直接测定的δ13C值的分析不确定度为±0.5‰。由于方程式(7)、(8)、(9)、(10)是实测δ13C值的线性组合，各计算参数（包括δ13Cmethyl、δ13Cphenyl及对应的富集因子）的传递不确定度采用平方和根（RSS）误差传递法计算，其中实测δ13C值的不确定度按相应方程式的系数加权。在假设两个衍生量之间协方差可忽略的简化前提下，甲基-苯基碳同位素差的传递不确定度由δ13Cmethyl和δ13Cphenyl的传递不确定度取平方和根估算。结果的不确定度估计列于表4。

表4. 由直接测定的δ13C值计算的各同位素参数的传递分析不确定度。

计算参数 | 方程式 | 传递不确定度(‰)
δ13Cmethyl | (δ13Cmethane – 6 × δ13Cbenzene + 7 × δ13Ctol,original) / 2 | ±2.3
δ13Cphenyl | (?δ13Cmethane + 6 × δ13Cbenzene + 7 × δ13Ctol,original) / 12 | ±0.4
εmethyl | (δ13Cmethane + 6 × δ13Cbenzene – 7 × δ13Ctol,original) / 2 | ±2.3
εphenyl | (δ13Cmethane + 6 × δ13Cbenzene – 7 × δ13Ctol,original) / 12 | ±0.4
Δ13Cm-p | (7 × δ13Cmethane – 42 × δ13Cbenzene + 35 × δ13Ctol,original) / 12 | ±2.3

注：实测δ13Cmethane、δ13Cbenzene和δ13Ctol,original值的标准偏差均<0.5‰。

为进一步支持评估，还对同位素稀释甲苯样品进行了分析，相应的富集因子汇总于表5。这些结果仅用于方法评估，未用于后续分析。

表5. 同位素稀释甲苯样品热解碎片的计算富集因子和实测碳同位素比值。

热解温度(°C) | 样品 | 稀释因子 | 13Rmethane | 13Rbenzene | 13Rmethyl | 13Rphenyl | εmethyl(‰) | εphenyl(‰)
880 | 同位素稀释1 | 2177 | 0.011325 | 0.010920 | 0.011420 | 0.010936 | ?8.5 | ?1.4
| 同位素稀释2 | 3122 | 0.011205 | 0.010922 | 0.011288 | 0.010936 | ?7.3 | ?1.2
| 同位素稀释3 | 4902 | 0.011081 | 0.010913 | 0.011193 | 0.010932 | ?10.0 | ?1.7
| 同位素稀释4 | 7138 | 0.011009 | 0.010918 | 0.011111 | 0.010935 | ?9.0 | ?1.5
| 同位素稀释5 | 12383 | 0.010965 | 0.010920 | 0.011051 | 0.010934 | ?7.7 | ?1.3
平均值 | — | — | — | — | — | — | ?8.5 ± 1.5 | ?1.4 ± 0.3
900 | 同位素稀释1 | 2177 | 0.011334 | 0.010926 | 0.011407 | 0.010938 | ?6.5 | ?1.1
| 同位素稀释2 | 3122 | 0.011207 | 0.010928 | 0.011271 | 0.010939 | ?5.7 | ?0.9
| 同位素稀释3 | 4902 | 0.011093 | 0.010924 | 0.011166 | 0.010936 | ?6.5 | ?1.1
| 同位素稀释4 | 7138 | 0.011038 | 0.010929 | 0.011092 | 0.010938 | ?4.8 | ?0.8
| 同位素稀释5 | 12383 | 0.010968 | 0.010924 | 0.011041 | 0.010936 | ?6.5 | ?1.1
平均值 | — | — | — | — | — | — | ?6.0 ± 0.5 | ?1.0 ± 0.2

注：同位素稀释甲苯样品主要用于示踪水热解过程中产生的甲烷的碳源。因此，由这些样品导出的富集因子仅作为方法评估的辅助数据，未纳入后续的定量分析。

4.3 天然样品中分子内δ13C分布的重建

利用各碎片碳同位素组成以及在本体系880°C下确定的富集因子，重建母体甲苯的分子内碳同位素组成，如下：
(11) δ13Cmethyl = δ13Cmethane,880 – εmethyl,880
(12) δ13Cphenyl = δ13Cbenzene,880 – εphenyl,880
(13) δ13Ctol,calculated = (δ13Cmethyl + 6 × δ13Cphenyl) / 7
其中，δ13Cmethane,880和δ13Cbenzene,880分别为在880°C下获得的甲烷和苯碎片的碳同位素组成；εmethyl,880和εphenyl,880为在该温度下确定的相应富集因子；δ13Ctol,calculated为理论上重建的母体甲苯δ13C值。

甲苯的Δ13Cm-p值定义为甲基和苯基部分δ13C值之差，是分子内碳同位素分布的指示参数。
(14) Δ13Cm?p = δ13Cmethyl ? δ13Cphenyl

为方便峰识别并展示直接分析结果，图9比较了BZ102–4井未经处理的冷凝液样品在甲苯洗脱区间进行和未进行阀切换时的GC1色谱图。按照第2节所述的分析流程，利用在线水热解系统与GC–IRMS联用测定了数份冷凝液中甲苯的分子内碳同位素组成，计算依据方程式(11)、(12)、(13)、(14)。样品保存在密封玻璃小瓶中，分析前未经任何预处理。样品信息及对应结果列于表6。

下载：下载高分辨率图片(351KB)
下载：下载全尺寸图片
图9. BZ102–4井未经处理的冷凝液样品在甲苯洗脱区间进行和未进行双位四通阀切换时的GC1色谱图。(a) 未进行阀切换，甲苯峰出现在GC1色谱图中。(b) 进行阀切换后，甲苯峰从GC1色谱图中消失。

表6. 冷凝液中甲苯的分子级和分子内碳同位素组成。

地点 | 井号 | 地层 | 深度(m) | %Ro | Δ13Cm-p(‰) | δ13Cmethyl(‰) | δ13Cphenyl(‰) | 计算δ13Ctol(‰) | 实测δ13Ctol(‰) | 偏差(‰) | /
Sample Ba | / | / | / | 3.5 | ?23.5 | ?27.0 | ?26.5 | ?26.5 | 0.0 | /
Sample Bb | / | / | / | 2.6 | ?24.2 | ?26.8 | ?26.5 | ?26.5 | 0.0 | /
Sample Bc | / | / | / | 2.4 | ?24.4 | ?26.8 | ?26.5 | ?26.5 | 0.0 | /
Sample Bd | / | / | / | 2.4 | ?24.4 | ?26.8 | ?26.5 | ?26.5 | 0.0 | /
博孜气田 | BZ9 | K1bs | 7677.0–7760.5 | 1.2 | ?1.4 | 5.2 | ?19.4 | ?24.5 | ?23.8 | ?23.9 | 0.1
博孜气田 | BZ102-4 | K1bs+K1bx | 6642.0–6924.0 | 6.5 | ?17.3 | ?23.8 | ?22.8 | ?23.1 | 0.3 | /
博孜气田 | BZ120 | 3K1bx | 6561.0–6682.0 | 8.3 | ?16.9 | ?25.3 | ?24.1 | ?24.2 | 0.1 | /
博孜气田 | BZ3 | K1bs | 5971.5–5985.5 | 9.0 | ?16.0 | ?25.0 | ?23.7 | ?23.7 | 0.1 | /
大港气田 | DB17 | K1bs | 6058.0–6197.5 | 1.4 | ?1.5 | 9.1 | ?14.7 | ?23.9 | ?22.6 | ?22.4 | ?0.1
大港气田 | DB102 | K1bs | 5315.0–5479.0 | 9.7 | ?13.9 | ?23.6 | ?22.2 | ?22.5 | 0.2 | /
雅哈凝析气田 | YH301 | N1j | 4946.5–4954.0 | 1.0 | ?1.4 | 7.2 | ?16.6 | ?23.8 | ?22.8 | ?22.4 | ?0.4
英买油气田 | YM21-5 | E1-2km | 4465.5–4477.0 | 1.2 | ?1.3 | 9.8 | ?14.8 | ?24.6 | ?23.2 | ?22.9 | ?0.3

a 860°C测定；b 900°C测定；c 920°C测定；d %Ro值引自Zhang等(2026)。

如表6所示，由分子内同位素组成重建的甲苯总δ13C值与直接实测的甲苯总δ13C值吻合良好（偏差<0.5‰，在GC–IRMS分析精度范围内），证实了该方法的内部一致性和分析可靠性。所计算的Δ13Cm-p值在凝析样之间存在显著差异，表明甲苯的分子亚结构可能记录了不同的同位素响应。苯基部分的δ13C可能相对保守，保留了与烃源岩相关的印记，而甲基部分的δ13C可能对热演化过程中的分馏更为敏感（Le Métayer等，2014）。因此，甲苯的分子内碳同位素特征可能为地质过程和条件提供额外的认识。

本数据集中的若干观察结果说明了这一潜力。Sample B的Δ13Cm-p值为正值，表明甲基部分相对富集13C。与此相反，理论平衡同位素计算预测甲基部分相对亏损13C（Polyakov和Horita，2021）。这一差异表明，所观察到的分子内同位素模式可能反映动力学同位素效应。在博孜凝析样中，BZ3和BZ9的总δ13C值相近，但Δ13Cm-p值分别为5.2‰和9.0‰（图10）。更普遍地，随着温度或深度增加，正的Δ13Cm-p值趋向于减小至零。基于博孜样品的线性回归显示，总δ13C与温度的关系非常弱（R2 = 0.0115），而Δ13Cm-p值与δ13Cmethyl的关系则强得多，R2值分别为0.8836和0.9839（图11a–c）。δ13Cmethyl的关系也显著强于δ13Cphenyl（R2 = 0.1390）（图11d）。这些结果表明，分子内碳同位素分析能够提供仅靠总δ13C所无法捕捉的额外信息。

下载：下载高分辨率图片(113KB)
下载：下载全尺寸图片
图10. 凝析液中甲苯的总δ13C与分子内Δ13Cm-p值的关系。

下载：下载高分辨率图片(947KB)
下载：下载全尺寸图片
图11. 甲苯碳同位素参数随温度的变化及与凝析样数据的对比。(a) 凝析液中甲苯的实测总δ13C值与温度的关系。(b) 利用Polyakov和Horita(2021)报道的位点特异性β因子计算的理论平衡Δ13Cm-p值。(c和d) 分别为由理论Δ13Cm-p值和Sample B实测总δ13C值计算得到的甲基和苯基部分的对应平衡δ13Cmethyl和δ13Cphenyl值。表6中报告的凝析液δ13Ctol、Δ13Cm-p、δ13Cmethyl和δ13Cphenyl值分别绘制于面板(a)、(b)、(c)和(d)中，并按利用各样品中深由当地地热梯度关系式估算的温度进行制图，T = (D + 822.09) / 53.172，其中T为温度(°C)，D为样品中深(m)。该关系式由研究区地层温度数据拟合而成，对应地热梯度约为18.8 °C km?1，适用于本文样品。误差棒表示面板(a)中的分析不确定度(±0.5‰，1 SD)以及面板(b–d)中的传递不确定度(Δ13Cm-p和δ13Cmethyl为±2.3‰，δ13Cphenyl为±0.4‰)，如表4所列。

尽管八个凝析样中甲基和苯基部分δ13C值的变异令人感兴趣，但当前数据集过于有限，尚不足以得出确切结论。将分子内同位素信息应用于天然凝析液需要额外的地球化学约束，因为天然石油体系可能受到多种因素的影响，包括烃源变化、热成熟度和二次改造。由于常规生物标志物参数在中高成熟度石油体系中可能受限，轻质烃地球化学和芳香族成熟度指标等替代分子工具可为石油体系解释提供互补约束（Atwah等，2019；Atwah等，2021；Srinivasan等，2022）。本研究建立了甲苯分子内碳同位素分析的分析基础。未来需要基于更大规模、独立表征的样品集开展研究，以评估控制甲苯分子内碳同位素分布的因素及该方法的实用价值。

5. 结论

本研究建立了在线GC–HyPy–GC–IRMS系统，用于测定天然样品中甲苯的分子内碳同位素组成。首先通过第一台GC将甲苯从复杂基质中分离，然后在不完全转化的条件下进行控制性水热解。利用柱切换系统高效去除过量氢气，从而实现了热解产物的高精度碳同位素分析。同位素稀释实验证实，在富氢条件下甲苯主要通过加氢脱甲基反应生成甲烷和苯，次要反应在分析不确定度范围内可以忽略。由热解产物实测的δ13C值量化了碳同位素富集因子，并用于推导甲苯的分子内δ13C值和Δ13Cm-p。计算值与直接实测的全分子δ13C值的良好一致性证实了该方法的可靠性。因此，GC–HyPy–GC–IRMS系统可作为未来石油地球化学研究的一种潜在补充工具，尤其适用于传统分子参数受限的体系。

CRediT作者贡献声明
Cheng Hui：起草初稿、可视化、资源、方法、调查研究、形式分析、数据管理
Jiang Wenmin：审阅与编辑、监督、方法、形式分析、数据管理
Li Yun：资源、方法、数据管理
Xiong Yongqiang：审阅与编辑、资源、方法、经费获取、形式分析

Hui Cheng | Wenmin Jiang | Yun Li | Yongqiang Xiong