地下萬米深處的“石油煉金術"，被納米尺度“看穿"！

超深層（埋深＞6000 m）原油高溫高壓熱裂解機理是石油地質領域亟待突破的核心科學問題。當前油氣勘探持續向深部拓展，而傳統GC-MS、常規顯微紅外等地球化學分析手段僅能獲取樣品整體均化的集成化學信號，無法定量表征瀝青質微觀結構、納米尺度官能團空間分布與熱演化化學非均質性，制約了深層油氣成藏微觀機制研究；盡管超深層原油非均質裂解廣受學界關注，其微觀地球化學演化機理仍缺乏精細實驗約束驗證。為此，本文選取低成熟原油開展封閉體系黃金管熱模擬，依托光熱紅外光譜（O-PTIR）完成原油熱解有機質納米尺度非均質性的原位表征。結合單點光譜、紅外成像、二維同步紅外及偽范克雷維倫圖解結果，系統厘清445 ℃、480 ℃關鍵溫階下瀝青質官能團、分子結構的動態演化規律，從分子尺度揭示原油熱裂解內在機理，拓展了O-PTIR微區表征技術在油氣地質領域的應用價值,同時為相關學術研究提供了有力支撐。

mIRage “納米紅外之眼"凝視超深層原油

由中國石油勘探開發研究院與長江大學團隊合作的里程碑式成果《Geochemical heterogeneity of ultra-deep oil pyrolysis: Nanoscale infrared spectroscopy insights》 正式發表于《Petroleum Science》^[1]。該研究創新性將基于光學光熱紅外光譜技術O-PTIR的非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測量系統mIRage應用于超深層原油熱模擬產物原位分析，在亞微米尺度上定量揭示了原油裂解過程中化學官能團的演化規律，開創了石油地球化學微觀研究的新范式！

mIRage的技術優勢：

該技術是突破傳統紅外技術瓶頸的新一代亞微米分辨表征方案，核心優勢與對應科研解決方案如下：

• 超高分辨，突破光學衍射極限：空間分辨率優于 500 nm，相較傳統顯微紅外精度提升 20 倍，可捕捉納米尺度官能團空間分布異質性，識別微米、亞微米級微小顆粒、界面、內部核 - 邊緣結構；

• 非接觸無損檢測，適配高粘性液態樣品：摒棄 AFM-IR 探針接觸模式，無探針污染、樣品劃傷風險，原油、粘稠聚合物等液態 / 軟質樣品可直接滴樣測試，全程無損傷；

• 規避熒光干擾：采用 532 nm 可見光作為探測光源，有效消除石油、生物組織、有機文物等強熒光樣品的背景噪聲，光譜信噪比大幅提升；

• 光譜-化學成像-可見光成像三位一體同步采集：同一位置同時獲取紅外光譜、化學分布圖和可見光圖像，三位一體，信息互補；

• 極簡制樣，高通量分析：原油、薄膜、粉體、細胞切片等絕大多數樣品無需切片、包埋、鍍膜等復雜預處理，滴樣 / 貼片即可上機，大幅縮短測試周期；

• 紅外-拉曼同步聯用拓展表征維度：可實現同區域、同時刻紅外與拉曼信號采集，兼顧有機官能團與晶體結構雙重信息，適配半導體、文物、高分子復合材料多維度解析。

依托上述核心性能，非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測量系統mIRage已形成覆蓋石油地球化學、環境微塑料、高分子復合材料、半導體微電子、生命科學、文物保護六大領域標準化微觀表征解決方案。

非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測量系統mIRage

mIRage的有力支撐：

研究團隊對塔里木盆地超深層原油樣品開展金管熱模擬實驗，獲得不同成熟度（Easy Ro=1.33%和1.81%）的熱解殘余油和可溶瀝青質。隨后，使用搭載mIRage系統進行原位分析，以500 nm步長采集樣品在1380 cm?1（CH?彎曲）、1450 cm?1（CH?彎曲）、1600 cm?1（C=C）、1720 cm?1（C=O）的化學分布圖。在感興趣區域采集高質量紅外光譜，進行點光譜分析。同時通過儀器直接生成2D相關光譜，揭示不同官能團在熱演化過程中的協同變化。

在上圖中，LT1-oil和LT1-1-oil的CH?、CH?化學分布圖呈現出斑塊狀、條帶狀的高亮信號（亮黃色區域），清晰勾勒出殘余瀝青質顆粒的輪廓。這證明了：

• 在早期熱演化階段（Easy Ro=1.33%），瀝青質顆粒表面吸附油膜，官能團分布呈現強烈的空間非均質性

• mIRage讓這些“納米斑塊"原形畢露！

而在下圖的瀝青質樣品中發現：

• LT1-1-ASP的C=C和C=O信號主要集中于顆粒邊緣——受油膜吸附影響

• LT1-2-ASP（Easy Ro=1.81%）的信號則集中于顆粒核心，背景呈深藍色——表明瀝青質分子發生環化縮合，官能團分布更加集中

關鍵結論：mIRage 如何支撐科學發現？

結論1：官能團演化分兩階段

• 早期（Ro=1.33%）：O-PTIR光譜顯示1360-1490 cm?1寬吸收帶，CH?/CH?占主導；瀝青質出現明顯C=O峰（1720 cm?1），證明含氧官能團在早期裂解中富集

• 晚期（Ro=1.81%）：1600 cm?1和1720 cm?1峰強顯著增加，芳香化程度劇增

結論2：偽范氏圖揭示化學路徑

• A因子（脂肪指數）從~0.94降至~0.53，證實脂肪烴大量裂解

• B因子（支化度）隨溫度升高而增加，證明短鏈烷基通過自由基重組形成支鏈結構

• mIRage創新性在亞微米尺度上獲取這些比值！

結論3：2D同步光譜破解分子間協同

• LT1-1-oil在1380/1450 cm?1有明顯自相關峰，LT1-2-oil官能團分布更均勻

• 瀝青質在1600/1720 cm?1出現正交叉峰，表明C=C和C=O在熱演化過程中同步增強，傳統紅外光譜技術無法檢出該分子協同演化特征。

研究的意義

該研究在納米尺度證實：超深層原油熱裂解并非均質化學反應，而是發生在瀝青質納米局域的差異化分子演化過程 —— 脂肪烷基組分優先裂解消耗，芳香結構、含氧官能團在顆粒局部不斷富集，最終形成高度芳構化的致密有機骨架。

該突破性認識具備多重行業價值：

• 揭示深層油氣成藏微觀作用機理，彌補傳統宏觀地球化學理論在納米尺度的空白；

• 精細化重構瀝青質熱演化動力學模型，提升深層油氣資源成熟度評價精度；

• 建立基于亞微米紅外成像的新型烴源巖、原油成熟度評價指標體系，為萬米深層油氣勘探提供全新表征技術支撐。

mIRage 多領域表征方案

1.  環境微塑料

微塑料顆粒（~600 nm）的O-PTIR光譜及成像分析

(引自Microscopy Today, 2022, 17, 3, 76-85)

2. 高分子材料

1210 cm^-1處采集的PP/PTFE的O-PTIR光譜和顯微圖像

(引自Materials & Design, 211 (2021), 17, 110157)

3. 半導體

薄膜晶體管顯示器中污染物的O-PTIR分析

器件表面缺陷的紅外和拉曼光譜同步（同時間、同位置）分析

(引自Microscopy Today, 2020, 28, 3, 26-36)

4. 地球化學

無損石油包裹體測試

（引自Analytical chemistry：Molecular Fractionation of Ancient Organic Compounds in Deeply Buried Halite Crystals，doi.org/10.1021/acs.analchem.4c02956）

5. 生命科學

腦組織的明場顯微圖像、O-PTIR光譜及成像分析

6. 文物鑒定

柯羅19世紀繪畫作品中鋅皂異質性的O-PTIR顯微光譜及成像分析

(引自Anal. Chem. 2022, 94, 7, 3103–3110)

樣機體驗：

為滿足國內日益增長的新型紅外表征需求，更好的為國內科研工作者提供專業技術支持和服務，QD中國科學實驗中心引進了非接觸亞微米分辨紅外拉曼同步測量系統——mIRage，為您提供樣品測試、樣機體驗等機會，期待與您的合作！ 歡迎您通過電話：010-85120277/78、郵箱：info@qd-china.com聯系我們。

參考文獻：

[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.