Untitled Tạp chí phân tích Hóa, Lý và Sinh học Tập 25, Số 2/2020 NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP PHA LOÃNG ĐỒNG VỊ KẾT HỢP KHỐI PHỔ PLASMA CAO TẦN CẢM ỨNG (ID ICP MS) ĐỂ XÁC ĐỊNH TỶ LỆ ĐỒNG VỊ 87Sr/86Sr TRONG[.]
Tạp chí phân tích Hóa, Lý Sinh học - Tập 25, Số 2/2020 NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP PHA LOÃNG ĐỒNG VỊ KẾT HỢP KHỐI PHỔ PLASMA CAO TẦN CẢM ỨNG (ID-ICP-MS) ĐỂ XÁC ĐỊNH TỶ LỆ ĐỒNG VỊ 87Sr/86Sr TRONG MẪU NƯỚC KHOAN DẦU KHÍ Đến tịa soạn 2-8-2019 Nguyễn Thị Kim Dung Trung tâm phân tích Viện Cơng nghệ xạ Thái Thị Thu Thủy Khoa Hóa, Đại học Khoa Học Tự Nhiên SUMMARY STUDY ON THE ISOTOPE DILUTION –INDUCTIVELY COUPLED PLASMA MASS SPECTROMETRY (ID-ICP-MS) FOR DETERMINING 87Sr/ 86Sr ISOTOPIC RATIO IN PETROLEUM DRILLHOLES WATER SAMPLES 87 Sr/86Sr isotopic ratio is one of the useful tools that can authenticate the original source of the natural products from the earth-created and/or geological processes However, the effect of the interferences such as thickness of sample matrix or isotopic signal of 87Rb might cause the low precision of 87Sr/86Sr determination using quadrupole inductively coupled plasma spectrometry (ICP-MS) With the assistance of the isotope dilution technique using enriched 86Sr isotope standard solution for the control of separation process, the 87Sr/86Sr isotopic ratio was sucessfully determined using ICP-MS together with the signal correction by a strontium isotopic ratio standard reference material (NIST SRM 987) The proposed analytical procedure can thus be applied for the determination of 87Sr/86Sr isotopic ratio in the petroleum drillholes water samples with the acceptable precision and the relatively high accuracy Key words: 87Sr/86Sr isotopic ratio, petroleum drillholes water, ID-ICP-MS ĐẶT VẤN ĐỀ Trong tự nhiên, stronti có đồng vị bền 84Sr (0,56%), 86Sr (9,86%), 87Sr (7,0%) 88Sr (82,58%), 87Sr đồng vị bền sinh từ phân rã phóng xạ β 87Rb : 87Rb = 87Sr + β– (với thời gian bán rã t1/2 Rb 4,88.1010 năm)[1] Trong đá kiến tạo, thành phần 87Rb thường cao nên hàm lượng 87Sr cao, tỷ số 87Sr/86Sr nước cổ (nước nguyên sinh) tầng dầu khí cao so với nước bơm ép từ nước biển bề mặt [2] Tỷ lệ đồng vị 87Sr/ 86Sr khoáng vật đá dao động từ khoảng 0,7 đến lớn 4,0 tổng hàm lượng Sr hòa tan trung bình nước biển khoảng mg/L [3] Tỷ lệ đồng vị 87Sr/ 86Sr biến động nước đại dương 0,7092, giếng dầu có giá trị khoảng 0,707 – 0,730 [4] Dựa vào mối tương quan tổng hàm lượng strontium hòa tan nước tỷ số đồng vị 87 Sr/86Sr mẫu thu được, nhận biết nguồn gốc nước tầng dầu khí [2,5], từ đánh giá trữ lượng dầu khai thác [2] Tỷ lệ đồng vị nhiều nguyên tố thường xác định phổ khối ion hóa nhiệt (TIMS), phổ khối ion hóa thứ cấp (SIMS) với độ xác cao [6] Phổ khối plasma ICP- 141 2.1 Thiết bị, dụng cụ, hóa chất Thiết bị khối phổ plasma cao tần cảm ứng ICPMS (Model 7500a-Agilent); Hóa chất sử dụng loại tinh khiết phân tích: axit HNO3 65% (Merck, CHLB Đức), dung dịch chuẩn Ca, Sr, Rb (1000mg/l, Merck, CHLB Đức) dùng cho ICP-MS; mẫu chuẩn tỉ lệ đồng vị stronti SRM 987 (Cacbonat Stronti-SrCO3 NIST (USA)); Dung dịch chuẩn đồng vị 86Sr làm giàu (97,02 %); nước cất tinh khiết (điện trở 18 MΩcm-1), nhựa trao đổi cationit BioRad AG50W-X8 (200-400mesh) nhựa trao đổi anionit Bio-Rad AG1W-X8 (200400mesh) Hóa chất chuẩn bị thực nghiệm tiến hành nhiệt độ phòng 2.2 Phương pháp nghiên cứu Mẫu sau thu thập lọc để tách loại cặn lơ lửng cặn dầu (nếu có), pha lỗng axit hóa để phân tích bán định lượng tồn thành phần cation hòa tan Tiến hành tách loại Ca khỏi Rb Sr cột nhựa trao đổi anionit, tách Rb khỏi Sr cột cationit [8] Sử dụng kỹ thuật pha loãng đồng vị với dung dịch chuẩn đồng vị giàu 86Sr để xác định tỷ lệ đồng vị 87Sr/86Sr phân đoạn tách từ mẫu nước khoan dầu khí thiết bị ICPMS Các thơng số thiết bị sau khảo sát tối ưu trình bày Bảng MS (dạng tứ cực-quadrupole hay đa đầu thumulti-collector) nhà nghiên cứu lựa chọn sử dụng thay hai phương pháp thời gian phân tích nhanh, thao tác vận hành thiết bị tương đối đơn giản giá thành mẫu phân tích khơng cao, ảnh hưởng mẫu trùng khối vị trí đồng vị cần phân tích phải loại trừ [5,7] Việc loại trừ ảnh hưởng mẫu có mặt đa lượng cation kim loại kiềm, kiềm thổ nước biển (đại diện Ca) ảnh hưởng trùng khối 87Rb thực thành công hệ hai cột sắc ký trao đổi anion cation [8] Để kiểm sốt q trình sắc ký tách loại ngun tố đa lượng mẫu sau tách Rb khỏi Sr, kỹ thuật pha loãng đồng vị sử dụng Đây kỹ thuật hữu hiệu [9] để đánh giá độ thu hồi độ phương pháp phân tích, đặc biệt việc phân tích vết đồng vị/nguyên tố [10] Trong báo này, kết nghiên cứu phương pháp pha loãng đồng vị kết hợp ICP-MS dùng đồng vị giàu 86Sr để xác định tỷ lệ đồng vị 87 Sr/86Sr có mặt mẫu sau tách loại yếu tố ảnh hưởng trình bày Phương pháp phân tích sau ứng dụng để xác định định tỷ lệ 87Sr/86Sr số mẫu nước khoan dầu khí THỰC NGHIỆM Bảng Thơng số vận hành thiết bị ICP-MS Thông số Giá trị Thông số Giá trị Cơng suất RF 1450W Áp suất phân tích 3.10-4-2.10-3 Pa RF Matching 1,45V Lưu lượng nước làm mát 2,4 L/phút Thời gian hút mẫu 90 s Nhiệt độ buồng phun mẫu oC Tốc độ hút mẫu 0,1 mL/phút Chiều sâu mẫu 6,4 mm Dạng phổ điểm Lưu lượng khí plasma 15L/phút Thời gian tích phân 1,0 s Lưu lượng khí mang 1,2 L/phút Đo lặp lại điểm Xử lý liệu: đồng vị 87Sr/86Sr, mẫu nước lỗ khoan dầu khí tiến hành định lượng, kết trình bày Bảng KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Khảo sát mẫu nước lỗ khoan dầu khí Để tìm hiểu xác ngun tố gây ảnh hưởng đến kết phân tích tỷ lệ 142 Bảng Thành phần kim loại mẫu nước lỗ khoan dầu khí STT Ng.tố Hàm lượng (µg/l) STT Ng.tố Hàm lượng (µg/l) Li Be Mg K Ca Mn Fe Co Ni 80,6 0,15 3133,3 28002 134452 41,1 2,49 6,18 1,22 10 11 12 13 14 15 16 17 18 As Sr Rb Ag Cd Cs Ba Hg Pb 4,16 6614,0 282,9 0,008 7,46 0,07 72,6 0,03 2,46 vị 86Sr, 87Sr mẫu chuẩn đồng vị tương ứng As, Bs Tỷ lệ đồng vị 87Sr/86Sr mẫu sau thêm đồng vị giàu 86Sr đo thiết bị ICP-MS R Khối lượng nguyên tử Sr tự nhiên dung dịch chuẩn đồng vị Wx, Ws Khi tỷ lệ đồng vị mẫu xác định theo công thức sau Kết phân tích thành phần mẫu cho thấy hàm lượng Ca, Mg nguyên tố kim loại kiềm cao tạo nên muối gây ảnh hưởng đến kết phân tích trực tiếp tỷ lệ đồng vị 87 Sr/86Sr Do đó, việc loại trừ ảnh hưởng mẫu cần thiết Bên cạnh đó, hàm lượng Rb mẫu không lớn trùng khối 87Rb (chiếm 27,83% phân bố đồng vị) đến số khối 87Sr cần phân tích làm độ xác phép đo giảm đi, bắt buộc phải loại trừ ảnh hưởng Hàm lượng tạp chất kim loại khác nhỏ, khơng ảnh hưởng đến tín hiệu phân tích tỷ lệ 87Sr/86Sr Vì vậy, việc định lượng xác tỷ lệ 87Sr/86Sr có mẫu nước biển nước lỗ khoan dầu khí, nước chiết từ đá dầu thực áp dụng quy trình tách kim loại Rb khỏi Sr trước phân tích phương pháp ICP-MS [8] 3.2 Khảo sát lượng đồng vị 86Sr thêm vào mẫu Để theo dõi trình tách sắc ký trao đổi anion loại ảnh hưởng mẫu sau sắc ký trao đổi cation loại Rb, tính tốn hiệu suất tách, kỹ thuật pha loãng đồng vị với dung dịch chuẩn đồng vị 86Sr làm giàu đến 97,02% sử dụng tác nhân nội chuẩn Lượng đồng vị thêm vào khảo sát dung dịch Sr chuẩn 100 µg/L Thành phần đồng vị tự nhiên 86Sr, 87Sr mẫu gọi Ax, Bx Nồng độ nguyên tố Sr mẫu mẫu chuẩn đồng vị Cx, Cs, với thành phần đồng 87 87 Sr Srthêm 87 Srmâu (1) 86 86 86 Sr Sr Sr đo thêm mâu Trong đó: As = 0,9702; Bs = 0,0078 (thành phần đồng vị dung dịch chuẩn đồng vị giàu 86 Sr); Ax = 0,0986; Bx = 0,07 (thành phần đồng vị tự nhiên dung dịch chuẩn Sr); 87Srthêm = Bs×Cs; 86Srthêm = As×Cs; 87Srmẫu = Bx×Cx; 87 Srmẫu = As×Cx (2) Trong nghiên cứu này, giá trị Wx Ws lần lượt: Wx = 87,617; Ws = 85,958 Hiệu suất thu hồi tính từ tỉ lệ Rm (thu từ thực nghiệm) Rm (tính theo lý thuyết) Để đánh giá ảnh hưởng lượng đồng vị 86Sr thêm vào, giá trị R’= 86Srthêm/ Srtổng khảo sát từ đến 0,5 Kết thể bảng 143 Bảng Khảo sát lượng đồng vị 86Sr thêm mẫu chuẩn R’ 0,05 0,1 0,25 86 Sr thêm (µg/L) 2,5 12,5 87 86 Sr/ Sr (tt) 0,7104 0,5697 0,4205 0,3413 87 Sr/86Sr (lt) 0,7099 0,5867 0,4165 0,2250 Hiệu suất thu hồi (%) 97,10 100,96 151,67 189,13 Sr/ Sr (tt): tỷ lệ đo ICP-MS Sr/86Sr (lt): tỷ lệ tính theo cơng thức pha loãng đồng vị 87 87 100,07 0,5 25 0,2456 0,1299 86 thường chiếm tỉ lệ 1/10 giá trị hàm lượng nguyên tố (hoặc đồng vị) cần xác định [8,11] 3.3 Xác định giới hạn phát giới hạn định lượng phép đo ICP-MS Tiến hành chuẩn bị mẫu blank mẫu chuẩn SRM 987 SrCO3 100 µg/L đo thiết bị ICP-MS Ghi nhận tín hiệu stronti hai số khối m/Z = 87 86 Kết thể bảng Kết khảo sát cho thấy nồng độ đồng vị 86Sr cần thêm vào cho phép pha loãng nhỏ 0,1 lần nồng độ stronti tổng mẫu chuẩn cho độ thu hồi cao hơn, đạt từ 97,11% đến 100,96% (so với tỷ lệ đồng vị tính theo lý thuyết mẫu chuẩn ban đầu) Khi thêm lượng lớn (0,25-0,5 lần), sai số phương phép đo lớn (độ thu hồi 151189%) Trong thực tế, nồng độ đồng vị thêm vào Bảng Giá trị LOD, LOQ phép đo ICP-MS Đồng vị Istd (số đếm/giây) Iblank (số đếm/giây) SDblank LOD (µg/L) LOQ (µg/L) 86 Sr 635087,29 8484,86 144,31 0,0068 0,0164 87 Sr 467777,53 8338,57 367,07 0,0168 0,0559 dung dịch chuẩn Chuẩn bị dung dịch chuẩn stronti 100 µg/l, thêm dung dịch chuẩn đồng vị 86Sr có nồng độ 0-10 µg/l Các dung dịch tách qua hai cột trao đổi điều kiện rửa giải tối ưu [8] Dung dịch rửa giải từ cột trao đổi cationit phân tích thiết bị ICP-MS Tỷ lệ đồng vị 87Sr/86Sr hiệu chỉnh theo phương trình hiệu chỉnh thiết lập với mẫu trắng Kết đánh giá tóm tắt bảng sau Kết tính tốn cho thấy giới hạn phát hiện, giới hạn định lượng stronti hai đồng vị 86Sr 87 Sr mức hàm lượng ppt Như phương pháp ICP-MS xác định xác hàm lượng hai đồng vị 86 Sr 87Sr mẫu có hàm lượng stronti thấp khơng có mặt Rb mẫu 3.4 Đánh giá độ thu hồi độ xác phương pháp Đánh giá độ thu hồi thực Bảng Hiệu suất thu hồi Sr phương pháp (%) 86 87 Hàm lượng Sr Sr thêm Srtổng 87 Sr/86Sr (tt) (µg/l) (µg/l) (µg/l) 100 7,000 0,72013 100 7,0814 0,66695 100 7,1628 0,61097 100 7,4071 0,50834 100 7,6512 0,43883 100 10 7,8142 0,39737 87 Sr/86Sr (tt): tỷ lệ đo ICP-MS 87 Sr/86Sr (lt): tỷ lệ tính theo cơng thức pha lỗng đồng vị 144 87 Sr/86Sr (lt) 0,70994 0,65206 0,60395 0,49846 0,42840 0,39346 Hiệu suất (tt/lt) 101,44 102,28 101,16 101,98 102,43 100,99 Kết khảo sát cho thấy hiệu suất thu hồi tỷ lệ 87Sr/86Sr nằm khoảng 100,99% 102,43%, phương pháp có độ tin cậy cao dù sử dụng quy trình tách phân đoạn nhiều bước Do đó, phù hợp để áp dụng phân tích tỷ lệ đồng vị 87 Sr/86Sr mẫu nước lỗ khoan dầu khí Độ lặp lại độ xác phương pháp khảo sát qua mẫu chuẩn SRM 987 NIST Dung dịch chứa 100µg/l pha từ chuẩn SRM 987 NIST nạp lên cột theo quy trình tách qua hai cột [8] Dung dịch rửa giải Sr thu hồi đem phân tích ICP-MS Thí nghiệm lặp lại ba lần Kết khảo sát thể bảng Bảng Khảo sát độ phép phân tích Tỷ lệ 87Sr/86Sr chuẩn cơng nhận Tỷ lệ 87Sr/86Sr xác định Độ lệch khỏi giá trị chuẩn (%) 0,71034 ± 0,00026 0,71453 ± 0,00836 + 0,59 Độ xác tương đối kết phân tích 99,41% so với giá trị thực mẫu chuẩn NIST SRM 987 Do đóng góp độ lệch tín hiệu đo từ ICP-MS gây sai số lần đo, kết phân tích đồng vị xác sử dụng MC-ICP-MS [12] hay TIMS [13] Tuy vậy, phương pháp ICP-MS áp dụng để phân tích tỷ lệ đồng vị 87Sr/86Sr mẫu nước khoan dầu khí kết hợp sử dụng kỹ thuật pha lỗng đồng vị hiệu chỉnh tín hiệu đo mẫu chuẩn SRM 3.5 Phân tích tỷ lệ đồng vị 87Sr/86Sr mẫu nước khoan dầu khí Bảng Kết phân tích số mẫu nước khoan dầu khí Ký hiệu EW01 EW02 EW03 EW05 EW08 EW16 PW01 PW02 PW03 PW04 PW14 PW17 87 Sr/86Sr 0,70759 ± 0,00375 0,70715 ± 0,00120 0,70793 ± 0,00092 0,70734 ± 0,00552 0,70773 ± 0,00248 0,70722 ± 0,00297 0,70669 ± 0,00339 0,70693 ± 0,00254 0,70686 ± 0,00262 0,70639 ± 0,00445 0,70674 ± 0,00325 0,70677 ± 0,00170 RSD% 0,53 0,17 0,13 0,78 0,35 0,42 0,48 0,36 0,37 0,63 0,46 0,24 Ký hiệu PW23 A1 A2 A3 B1 B2 B3 C1 C2 D1 D2 D3 Kết từ bảng cho thấy, tỷ lệ đồng vị Sr/86Sr mẫu nước khoan dầu khí khác mẫu khác nhau: mẫu EW (nước chiết từ đá dầu) nằm khoảng 0,70783-0,70793, tỷ lệ lớn so với mẫu PW (từ lỗ khoan khai thác dầu) 0,70639 0,70693 Dữ liệu tương đối phù hợp với 87 Sr/86Sr 0,70683 ± 0,00410 0,70391 ± 0,00028 0,70449 ± 0,00190 0,69916 ± 0,00105 0,70358 ± 0,00091 0,70564 ± 0,00191 0,70118 ± 0,00084 0,70821 ± 0,00333 0,70722 ± 0,00156 0,69997 ± 0,00609 0,70069 ± 0,00070 0,70134 ± 0,00449 RSD% 0,58 0,04 0,27 0,15 0,13 0,27 0,12 0,47 0,22 0,87 0,10 0,64 liệu thu từ nghiên cứu tương tự Viện Dầu khí Việt Nam [2] Các mẫu A, B, C, D (có nguồn gốc từ mỏ dầu Kuwait) cho tỷ lệ đồng vị 87Sr/86Sr khác nhau, nhiên có tương đồng nhóm mẫu (đại diện theo lơ mẫu dung dịch nước lỗ khoan) KẾT LUẬN 87 145 Nghiên cứu xác định tỷ lệ đồng vị 87Sr/86Sr mẫu nước khoan dầu khí phương pháp ICP-MS sử dụng kỹ thuật pha loãng đồng vị lần thực nước Quy trình phân tích đề xuất thay cho phương pháp TIMS (phải gửi nước ngoài) với độ cao, độ lặp lại tốt, chi phí phân tích phù hợp Ngồi việc góp phần đánh giá trữ lượng dầu mỏ, nghiên cứu xác định tỷ lệ đồng vị 87Sr/86Sr ứng dụng để xác định nguồn gốc, xuất xứ sản phẩm nơng nghiệp có nguồn gốc tự nhiên như: gạo, rượu, mật ong, loại quả,… Lời cảm ơn: Các tác giả chân thành cảm ơn Viện Dầu khí Việt Nam, Trung tâm Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân công nghiệp (Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam) cung cấp mẫu nghiên cứu Cơng trình nghiên cứu hỗ trợ phần kinh phí từ đề tài cấp ĐTCB.09/18/VCNXH TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] S Chassery, F E Grousset, G Lavaux, and C R Quetel, (1998) “87Sr/86Sr measurements on marine sediments by inductively coupled plasma-mass spectrometry,” Fresenius J Anal Chem., vol 360, pp 230–234 [2] Lương Văn Huấn, Lê Thị Thu Hường, Hoàng Long, Nguyễn Minh Quý, Võ Thị Tường Hạnh, (2014) “Ứng dụng phương pháp phân tích đồng vị bền (δ18O δ2H) cân tỷ số đồng vị 87Sr/86Sr để xác định nguồn gốc nước đối tượng móng nứt nẻ khai thác dầu khí”, Dầu Khí, Thăm dị khai thác dầu khí, số 2/2014 [3] E E Angino, G K Billings, and N Andersen, (1966) “Observation Variations in the Strontium Concentration of Sea Water” vol 1, pp 145–153 [4] M E dos Santos, H E L Palmieri, R M Moreira, (2013) “Testing the 87 Sr/ 86 Sr isotopic ratio measured by ICP-MS as a tracer for inter-well investigation in oil reservoirs,” EPJ Web Conf., vol 50, p 02004 [5] K Notsu, H Wakita, and Y Nakamura, (1988) “Strontium isotopic composition of oilfield and gas-field waters, Japan” Appl Geochemistry, Vol.3, no.2, pp 173–176 [6] F.-Y Wu, R H Mitchell, Q.-L Li, C Zhang, Y.-H Yang, (2017) “Emplacement age and isotopic composition of the Prairie Lake carbonatite complex, Northwestern Ontario, Canada”, Geol Mag 154 (2), pp 217–236 [7] T Nakano, Y Kajiwara, C.W Farell, (1989) “Strontium isotope constraint on the genesis of crude oils, oil-field brines and Kuroko ore deposits from the Green Tuff region of northeastern Japan” Geochimica et Cosmochimica Acta, 53(10), 2683-2688 [8] Nguyen Thi Kim Dung, Thai Thi Thu Thuy, (2018) “Study on the removal of interferences for the determination of 87Sr/86Sr isotopic ratio in petroleum drill-hole water samples using isotope dilution – inductively coupled plasma spectrometry”, Journal of Nuclear Science and Technology, Vol.8 No.4, pp ISSN: 1810-5408 [9] C Pin, S Joannon, (2001) “Isotope dilution-chemical separation: a powerful combination for high precision analysis at the ultra-trace level using ICP mass spectrometry; example of U and Th determination in silicate rocks” J Anal At Spectrom., 16, 739–743 [10] A.M Volpe, (1996) “Multi-element Isotope Dilution Analyses Using ICP-MS”, IAEA Technical Book, pp 75-79 (http://inis.iaea.org) [11] V Martins, M Babinski, I Ruiz, K Sato, S Souza, R Hirata, (2008) “Analytical procedures for determining Pb and Sr isotopic compositions in water samples by ID-TIMS”, Química Nova, 31-7: 1836-1842 [12] S Garcia-Ruiz, M Moldovan and J.I.G Alonso, (1998) “Measurement of strontium isotope ratios by MC-ICP-MS after online RbSr ion chromatography separation”, J Anal.Chem., Vol 360, 230-234 [13] P R Trincherini, C Baffi, P Barbero, E Pizzoglio, S Spalla, (2014) “Precise determination of strontium isotope ratios by TIMS to authenticate tomato geographical origin” Food Chemistry, Vol 145, 349-355 146 ... phân tích vết đồng vị/ nguyên tố [10] Trong báo này, kết nghiên cứu phương pháp pha loãng đồng vị kết hợp ICP-MS dùng đồng vị giàu 86Sr để xác định tỷ lệ đồng vị 87 Sr/86Sr có mặt mẫu sau tách... lơ mẫu dung dịch nước lỗ khoan) KẾT LUẬN 87 145 Nghiên cứu xác định tỷ lệ đồng vị 87Sr/86Sr mẫu nước khoan dầu khí phương pháp ICP-MS sử dụng kỹ thuật pha loãng đồng vị lần thực nước Quy trình... vậy, phương pháp ICP-MS áp dụng để phân tích tỷ lệ đồng vị 87Sr/86Sr mẫu nước khoan dầu khí kết hợp sử dụng kỹ thuật pha lỗng đồng vị hiệu chỉnh tín hiệu đo mẫu chuẩn SRM 3.5 Phân tích tỷ lệ đồng