一种用于古温度测定的烯酮生物标志物分析概述

古温度测定法（Paleothermometry）是指通过分析自然样品中特定化学物质来推算过去温度的方法，例如史前藻类遗留下来的化学成分。

藻类是一类多样化的生物，数千年来在地球的海洋和湖泊中大量存在。某些由远古藻类沉积在沉积物中的化学化合物可作为生物标志物（biomarkers）——即能够为研究人员提供有关地球历史重要信息的有机化合物。事实上，通过分析沉积物中藻类生物标志物的含量，研究人员能够确定数亿年前地球的温度。

其中一种记录来源于颗石藻（coccolithophores）的某些物种。这类藻类会根据其所处环境的温度产生不同含量的烯酮（alkenones），这是一类稳定的生物标志物。烯酮分析主要用于推算数十亿年前地球海洋表层的温度。

本视频将演示烯酮在古气候学中的应用，并介绍分离、纯化和分析烯酮以计算过去海洋表层温度的完整过程。

顾名思义，“烯酮古温度测定法”基于对一类称为 烯酮 的脂质的分析。烯酮古温度测定法所依据的烯酮是一类长链、不饱和的烷基酮，含有37个碳原子和2至4个双键。每个双键均为一个不饱和位点。在较低的海水表层温度下，产生烯酮的生物会合成比饱和烯酮更多的不饱和烯酮。饱和度与不饱和度的比值被称为烯酮不饱和指数。

通常评估的烯酮为 C_37:2 和 C_37:3，它们分别具有37个碳原子和两个或三个双键。这些烯酮的不饱和指数，即 U^K'₃₇，与海水表层温度呈正相关。通常，气相色谱分析方法的灵敏度足以将这些烯酮彼此分离。然而，产生烯酮的藻类通常还会生成化学结构相似的脂肪酸甲酯，即烯酸酯，而该类物质使用此技术无法与烯酮区分开来。 此外，来自污染的烃类污染物也可能进一步干扰色谱分析。为了准确测定烯酮的相对浓度，在分析前必须通过皂化和尿素加合的方法去除烯酸酯及未知烃类物质。

在回顾了沉积物中烯酮比值与海水表层温度之间的关系后，接下来我们来看从总脂提取物中纯化烯酮并分析其不饱和比值的技术步骤。

采集并提取海洋沉积物后，总脂质提取物（TLE）必须经过多步纯化过程并进行分析。首先，提取物在强碱和加热条件下进行皂化反应，将烯酮酯转化为羧酸盐和甲醇。TLE中其他存在的脂肪酸酯也会被皂化为盐和甘油。

将混合物冷却至室温后，加入水相盐溶液以促进盐和甘油的形成。随后将混合物酸化，使羧酸根阴离子质子化，生成游离脂肪酸。最后，用正己烷从混合物中萃取出烯酮和脂肪酸。

接着进行硅胶柱层析，以去除皂化产生的非极性化合物和极性脂肪酸。将干燥并完成皂化的TLE溶于正己烷后上柱。硅胶对极性化合物的保留强于非极性化合物。

首先使用非极性溶剂（如正己烷）去除非极性组分；然后使用中等极性溶剂（如二氯甲烷）洗脱烯酮，而高极性的脂肪酸及其他不需要的极性化合物则保留在柱上。

如果原始沉积物样品采自高度污染区域，则需进行尿素加合处理，以去除残留的高支链或环状烃类。将干燥后的中等极性组分溶于尿素难溶的混合溶剂（如二氯甲烷与正己烷）中，然后向TLE中加入甲醇中的浓尿素溶液，促使尿素晶体析出。

直链分子（如烯酮）可嵌入尿素晶体晶格的分子间隙中，而高度支链化或环状分子则无法嵌入，因而被排出。

待晶体生长完成后，收集尿素晶体并用非极性溶剂洗涤以去除被排出的杂质，随后将晶体溶于少量水中。再用非极性溶剂从水中萃取出烯酮用于后续分析。

尽管此前的所有纯化步骤均未区分不同烯酮类化合物，但其沸点和分子结构的微小差异已足以在气相色谱柱上实现分离。当与火焰离子化检测器联用时，可测定样品中 烯酮类化合物的相对浓度。

分子在色谱图上的保留时间（即化合物离开色谱柱所需的时间）可用于鉴定其种类。目标化合物的保留时间通过烯酮标准品进行确定。

通过分析目标峰峰面积，可确定烯酮类化合物的相对浓度。随后根据样品中 C_37:2 和 C_37:3 的浓度计算 U^K'₃₇ 值。结合海水表面温度代用指标关系式与 U^K'₃₇ 值，分析人员即可推算出沉积物沉积时期的海水表面温度。

通过分析沉积物和沉积岩，可以研究地球历史的诸多不同方面。

生物地层学是通过分析所含化石来确定岩层（或地层）年代的学科。由于沉积物来源多样，同一地质时期的沉积岩在全球范围内可能具有显著不同的成分。在地球历史中，某些生物类群（如菊石）曾广泛分布于全球，并经历了快速演化。如果外观差异显著的岩层中均含有同一种菊石，则可据此建立两者之间的时代关联。结合古温度测定等技术，可从自然样品的化石记录中获取大量关于地球历史的信息。

全球海洋沉积物中普遍存在多种有孔虫（foraminifera，简称forams）。有孔虫具有碳酸钙外壳，在地球海洋中已存在数百万年。许多物种 生活于海底，因此能够提供有关海洋深层区域的温度信息。有孔虫壳体中的镁钙比 与温度相关，因为在较温暖的气候条件下，它们会将更多的镁元素掺入壳体中。由于有孔虫物种数量众多且丰度高，其化石记录在追踪地球历史上海洋洋流变化以及进行生物地层学研究方面具有重要价值。

当构造板块分离时，新的岩石会在板块之间形成。相应地，离散型板块边界周围的岩石特性可提供有关板块随时间运动的信息。例如，地球磁场的变化会被保存在化石、岩石和沉积物中的某些矿物内。在洋中脊两侧发现磁性变化的对称分布，这一发现极大地推动了当前对海底扩张和板块构造理论的理解。

您刚刚观看了 JoVE 关于烯酮古温度计的概述视频。您现在应该了解了古温度计的基本原理，以及海洋沉积物中烯酮比值与海表温度之间的关系。本系列接下来的视频将更详细地介绍这一复杂过程。

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