打通原油热演化微观黑箱！非接触亚微米红外拉曼显微技术，揭开万米地下石油分子密码
发布日期：2026-07-31
地下万米深处的“石油炼金术”，被纳米尺度“看穿”！
超深层（埋深＞6000 m）原油高温高压热裂解机理是石油地质领域亟待突破的核心科学问题。当前油气勘探持续向深部拓展，而传统GC-MS、常规显微红外等地球化学手段仅能获取样品整体均化的集成化学信号，无法定量表征沥青质微观结构、纳米尺度官能团空间分布与热演化化学非均质性，制约了深层油气成藏微观机制研究；尽管超深层原油非均质裂解广受学界关注，其微观地球化学演化机理仍缺乏精细实验约束。为此，本文选取低成熟原油开展封闭体系黄金管热模拟，依托光热红外光谱（O-PTIR）完成原油热解有机质纳米尺度非均质性的首次原位表征。结合单点光谱、红外成像、二维同步红外及伪范克雷维伦图解结果，系统厘清445 ℃、480 ℃关键温阶下沥青质官能团、分子结构的动态演化规律，从分子尺度揭示原油热裂解内在机理，拓展了O-PTIR微区表征技术在油气地质领域的应用价值,同时为相关学术研究提供了有力支撑。
mIRage “纳米红外之眼”凝视超深层原油
由中国石油勘探开发研究院与长江大学团队合作的里程碑式成果《Geochemical heterogeneity of ultra-deep oil pyrolysis: Nanoscale infrared spectroscopy insights》 正式发表于《Petroleum Science》[1]。该研究创新性将基于光学光热红外光谱技术O-PTIR的非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统mIRage应用于超深层原油热模拟产物原位分析，在亚微米尺度上定量揭示了原油裂解过程中化学官能团的演化规律，开创了石油地球化学微观研究的新范式！
mIRage的技术优势：
该技术是突破传统红外技术瓶颈的新一代亚微米分辨表征方案，核心优势与对应科研解决方案如下：
超高分辨，突破光学衍射极限：空间分辨率优于 500 nm，相较传统显微红外精度提升 20 倍，可捕捉纳米尺度官能团空间分布异质性，识别微米、亚微米级微小颗粒、界面、内部核 - 边缘结构；
非接触无损检测，适配高粘性液态样品：摒弃 AFM-IR 探针接触模式，无探针污染、样品划伤风险，原油、粘稠聚合物等液态 / 软质样品可直接滴样测试，全程无损伤；
规避荧光干扰：采用 532 nm 可见光作为探测光源，有效消除石油、生物组织、有机文物等强荧光样品的背景噪声，光谱信噪比大幅提升；
光谱-化学成像-可见光成像三位一体同步采集：同一位置同时获取红外光谱、化学分布图和可见光图像，三位一体，信息互补；
极简制样，高通量分析：原油、薄膜、粉体、细胞切片等绝大多数样品无需切片、包埋、镀膜等复杂预处理，滴样 / 贴片即可上机，大幅缩短测试周期；
红外-拉曼同步联用拓展表征维度：可实现同区域、同时刻红外与拉曼信号采集，兼顾有机官能团与晶体结构双重信息，适配半导体、文物、高分子复合材料多维度解析。
依托上述核心性能，非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统mIRage已形成覆盖石油地球化学、环境微塑料、高分子复合材料、半导体微电子、生命科学、文物保护六大领域标准化微观表征解决方案。
非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统mIRage
mIRage的有力支撑：
研究团队对塔里木盆地超深层原油样品开展金管热模拟实验，获得不同成熟度（Easy Ro=1.33%和1.81%）的热解残余油和可溶沥青质。随后，使用搭载mIRage系统进行原位分析，以500 nm步长采集样品在1380 cm⁻¹（CH₃弯曲）、1450 cm⁻¹（CH₂弯曲）、1600 cm⁻¹（C=C）、1720 cm⁻¹（C=O）的化学分布图。在感兴趣区域采集高质量红外光谱，进行点光谱分析。同时通过仪器直接生成2D相关光谱，揭示不同官能团在热演化过程中的协同变化。
在上图中，LT1-oil和LT1-1-oil的CH₃、CH₂化学分布图呈现出斑块状、条带状的高亮信号（亮黄色区域），清晰勾勒出残余沥青质颗粒的轮廓。这证明了：
在早期热演化阶段（Easy Ro=1.33%），沥青质颗粒表面吸附油膜，官能团分布呈现强烈的空间非均质性
mIRage让这些“纳米斑块”原形毕露！
而在下图的沥青质样品中发现：
LT1-1-ASP的C=C和C=O信号主要集中于颗粒边缘——受油膜吸附影响
LT1-2-ASP（Easy Ro=1.81%）的信号则集中于颗粒核心，背景呈深蓝色——表明沥青质分子发生环化缩合，官能团分布更加集中
关键结论：mIRage 如何支撑科学发现？
结论1：官能团演化分两阶段
早期（Ro=1.33%）：O-PTIR光谱显示1360-1490 cm⁻¹宽吸收带，CH₃/CH₂占主导；沥青质出现明显C=O峰（1720 cm⁻¹），证明含氧官能团在早期裂解中富集
晚期（Ro=1.81%）：1600 cm⁻¹和1720 cm⁻¹峰强显著增加，芳香化程度剧增
结论2：伪范氏图揭示化学路径
A因子（脂肪指数）从~0.94降至~0.53，证实脂肪烃大量裂解
B因子（支化度）随温度升高而增加，证明短链烷基通过自由基重组形成支链结构
mIRage创新性在亚微米尺度上获取这些比值！
结论3：2D同步光谱破解分子间协同
LT1-1-oil在1380/1450 cm⁻¹有明显自相关峰，LT1-2-oil官能团分布更均匀
沥青质在1600/1720 cm⁻¹出现正交叉峰，表明C=C和C=O在热演化过程中同步增强，传统红外光谱技术无法检出该分子协同演化特征。
研究的意义
该研究首次在纳米尺度证实：超深层原油热裂解并非均质化学反应，而是发生在沥青质纳米局域的差异化分子演化过程 —— 脂肪烷基组分优先裂解消耗，芳香结构、含氧官能团在颗粒局部不断富集，最终形成高度芳构化的致密有机骨架。
该突破性认识具备多重行业价值：
完善深层油气成藏微观作用机理，弥补传统宏观地球化学理论在纳米尺度的空白；
精细化重构沥青质热演化动力学模型，提升深层油气资源成熟度评价精度；
建立基于亚微米红外成像的新型烃源岩、原油成熟度评价指标体系，为万米深层油气勘探提供全新表征技术支撑。
mIRage 多领域表征方案
1. 环境微塑料
微塑料颗粒（~600 nm）的O-PTIR光谱及成像分析
(引自Microscopy Today, 2022, 17, 3, 76-85)
2. 高分子材料
1210 cm-1处采集的PP/PTFE的O-PTIR光谱和显微图像
(引自Materials & Design, 211 (2021), 17, 110157)
3. 半导体
薄膜晶体管显示器中污染物的O-PTIR分析
器件表面缺陷的红外和拉曼光谱同步（同时间、同位置）分析
(引自Microscopy Today, 2020, 28, 3, 26-36)
4. 地球化学
无损石油包裹体测试
（引自Analytical chemistry：Molecular Fractionation of Ancient Organic Compounds in Deeply Buried Halite Crystals，doi.org/10.1021/acs.analchem.4c02956）
5. 生命科学
脑组织的明场显微图像、O-PTIR光谱及成像分析
6. 文物鉴定
柯罗19世纪绘画作品中锌皂异质性的O-PTIR显微光谱及成像分析
(引自Anal. Chem. 2022, 94, 7, 3103–3110)
样机体验：
为满足国内日益增长的新型红外表征需求，更好的为国内科研工作者提供专业技术支持和服务，QD中国科学实验中心引进了非接触亚微米分辨红外拉曼同步测量系统——mIRage，为您提供样品测试、样机体验等机会，期待与您的合作！ 欢迎您通过电话：010-85120277/78、邮箱：info@qd-china.com或扫码下方二维码联系我们。
参考文献：
[1] Jia-Kai Hou, Rui-Lin Wang, et al., Geochemical heterogeneity of ultra-deep oil pyrolysis: Nanoscale infrared spectroscopy insights, Petroleum Science,2025, ISSN 1995-8226, https://doi.org/10.1016/j.petsci.2025.11.033.
