Positionsspecifik isotopanalys (PSIA) är en teknik som mäter isotopsammansättningen för en viss position i en molekyl. Det kan ge värdefull information om bildningsmekanismerna för en molekyl.

Butan (C ₄ H ₁₀ ) representerar ett typiskt kolväte med ett biotiskt eller abiotiskt ursprung under djupa jordförhållanden. Den har två strukturella isomerer:normal butan (n-butan) och isobutan (i-butan). De intramolekylära isotopkompositionerna av C ₄ H ₁₀ lovar att fungera som en ny termometer och spårämne.

En internationell forskargrupp ledd av Prof. Liu Yun från Institute of Geochemistry vid den kinesiska vetenskapsakademin (IGCAS) genomförde kvantkemimodellering med korrigeringar bortom den harmoniska approximationen och Born-Oppenheimer approximationen för att erhålla exakta intramolekylära och intermolekylära kol- och väteisotoper fraktioneringsfaktorer för butanisomerer vid jämvikt.

Forskarna beräknade också mängdförhållandet mellan n-butan och i-butan vid jämvikter vid olika temperaturer. De fann att de tidigare beräkningarna av isotopfraktioneringar med "cutoff"-behandling inte var lämpliga för studier av isotopeffekter i och mellan butanisomerer.

Under tiden, deras resultat visade att den jämviktspositionsspecifika isotopfraktioneringsfaktorn för i-butan var nästan dubbelt så hög som n-butan för antingen kol- eller väteisotopsubstitutioner, som kan fungera som en indikator för att identifiera processer relaterade till isomerisering av alkaner.

"Vår beräkning visar att mängden i-butan vid jämvikt teoretiskt sett borde vara mycket större än för n-butan. beräkningen står i kontrast till observationerna i naturliga miljöer, som indikerar att andelen butanisomerer kan kontrolleras av prekursorkolväten och bildningsmekanismer, " sa Dr. Liu Qi från IGCAS. "T.ex. andelen kan ärva från kerogen och modifieras av kinetiska processer under bildning, och då kan krackningsprocesserna för butan också påverka isotopfördelningarna i metan, etan, och propan."

Deras beräkningsresultat kan användas ytterligare för att kalibrera experimentella mätningar, etablering av nya geotermometrar, och att känna igen kinetiska isotopeffekter.

Forskarna bedömer den potentiella tillämpningen av intramolekylära isotopjämvikter som en geotermometer såväl som ett spårämne för mikrobiella oxidationer och abiotiskt ursprung av kolväten.

Studien publicerades i Kemisk geologi den 17 dec.