CHƢƠNG 2 : ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.2. Quy trình và phƣơng pháp phân tích thành phần đồng vị
2.2.2. Phương pháp phân tích
2.2.2.1. Giới thiệu về phương pháp phân tích đồng vị bền
Phƣơng pháp phổ biến để xác định giá trị tỷ số đồng vị bền của các nguyên tố trong các mẫu trầm tích hiện nay là sử dụng máy phân tích tỷ số đồng vị quang phổ khối lƣợng (IRMS). Máy phân tích tỷ số đồng vị quang phổ khối lượng dùng để
tách các nguyên tử và phân tử dựa trên cơ sở khác nhau về khối lượng và chuyển động của chúng trong cùng một trường điện từ. Hiện nay có rất nhiều loại máy phân
tích tỷ số đồng vị quang phổ khối lƣợng khác nhau. Các máy phân tích đƣợc sử dụng phổ biến trong nghiên cứu địa hóa, sinh thái, và mơi trƣờng gồm máy phân tích thành phần nguyên tố và tỷ số đồng vị quang phổ khối lƣợng (element analyzer isotope ratio mass spectrometry - EA-IRMS) và sắc ký khí tỷ số đồng vị quang phổ khối lƣợng (gas chromatograph isotope ratio mass spectrometry - GC-IRMS) (Meier-Augenstein, 1999; Muccio và Jackson, 2009). Các loại máy phân tích tỷ số đồng vị quang phổ khối lƣợng thƣờng có cơ chế hoạt động tƣơng tự nhau.
- Cấu trúc của một máy phân tích IRMS gồm có 4 bộ phận chủ yếu là hệ thống dẫn
xác định ion.
Hệ thống dẫn khí vào: (bao gồm cả van chuyển hƣớng) đảm bảo dịng khí của mẫu phân tích và mẫu chuẩn vào máy IRMS là liên tục và nhanh; các khí này đƣợc dẫn bằng hệ thống ống rất nhỏ dài 1m với đƣờng kính 0,1mm; dịng khí di chuyển trong ống phải đảm bảo là dịng khí hỗn hợp; các khí này sẽ va chạm liện tục và tạo thành một hỗn hợp không bị phân tách.
Nguồn ion: là một bộ phận rất quan trọng của các máy phân tích giá trị tỷ số đồng vị. Tại nguồn ion, các phân tử và nguyên tử khí đƣợc tích điện, gia tốc, và ion hóa tạo thành các dịng ion. Các ion đƣợc bắn phá bởi các sợi tóc rất nhỏ cấu tạo bởi kim loại tungsten (vơn-fram) ngun chất nung nóng; các ion đƣợc tích điện tích từ 50 đến 150 eV trƣớc khi đi vào vùng điện từ để phân tách các ion dựa trên sự khác nhau về khối lƣợng.
Trƣờng từ: dùng để phân tách các ion khác nhau dựa trên cơ sở khác nhau về tỷ số khối lƣợng/điện tích (m/e). Khi các ion đi qua trƣờng điện từ, chúng đƣợc dẫn theo đƣờng cong và hƣớng di chuyển của các ion sẽ bị lệch khỏi phƣơng ban đầu. Bởi vì bán kính của đƣờng cong mà các ion di chuyển tỉ lệ với căn bậc 2 của tỷ số m/e, do vậy các ion có khối lƣợng và điện tích khác nhau sẽ đƣợc phân tách thành các dòng riêng biệt khác nhau về khối lƣợng.
Bộ phận đầu đọc xác định ion: Các dòng ion riêng biệt đi ra khỏi trƣờng điện từ sẽ đƣợc thu trong các cốc Fraday và đƣợc chuyển hóa thành các dịng điện với các mức cƣờng độ khác nhau (thƣờng gọi là dòng beam). Giá trị cƣờng độ dòng điện của mẫu phân tích (Im) và chất chuẩn (IS) đƣợc xác định đồng thời, và tỉ lệ thuận với giá trị tỷ số đồng vị nặng/nhẹ của mẫu phân tích (Rm) và chất chuẩn (RS).
Hình 2.5. Sơ đồ đơn giản biểu diễn cấu tạo và chức năng của các bộ phận chính trong một máy phân tích tỷ số đồng vị quang phổ khối lƣợng (IRMS)
Hình 2.7. Tín hiệu đo trong q trình phân tích mẫu thực
Các máy phân tích IRMS hiện đại thì q trình hoạt động của các bộ phận và dữ liệu phân tích đều đƣợc quản lý và quan trắc bằng các phần mềm máy tính. Hiện nay các máy phân tích phần lớn là tự động, nên số mẫu đƣa vào phân tích sẽ đƣợc các phần mềm ghi nhận và lƣu giữ lại. Đồng thời các chỉ số kỹ thuật của các bộ phận nhƣ nguồn ion, trƣờng từ hay bộ đầu đọc xác định ion đều có thể điều chỉnh bằng các phần mềm máy tính. Do vậy, độ chính xác trong các phép phân tích giá trị tỷ số đồng vị của các máy IRMS là rất cao.
Từ nguyên lý hoạt động của máy IRMS cho thấy một yêu cầu bắt buộc của hầu hết các máy phân tích tỷ số đồng vị quang phổ khối lƣợng là phải chuyển hóa các vật chất hay mẫu phân tích từ thể rắn sang dạng khí để thuận lợi cho việc phân tích. Đối với các chất lỏng và khí thì sau khi đƣợc tinh lọc và tạo các q trình cân
bằng đồng vị với các khí chuẩn cũng đƣợc dẫn vào hệ thống dẫn khí và chuyển vào các bộ phận của máy IRMS.
Các tỉ số đồng vị bền δ13C và δ15N trong mẫu sẽ đƣợc phân tích bằng hệ thống phân tích nguyên tố EA (Element Analyzer) kết nối với hệ thống khối phổ IRMS Nu Perspective.
Tỉ số đồng vị bền δ18O trong mẫu sẽ đƣợc phân tích bằng hệ thống phân tích nhiệt phân HT (High Temperature pyrolysis) kết nối với hệ thống khối phổ IRMS Nu Perspective.
2.2.2.2. Quy trình phân tích mẫu bằng phương pháp đồng vị bền
2.2.2.3. Biểu thức tính tốn trong nghiên cứu đồng vị bền
Trong thực tế, giá trị tuyệt đối của thành phần các đồng vị nặng (ví dụ: 13C,
18O) tồn tại trong các loại vật chất tự nhiên là rất nhỏ, nhiều khi khó xác định. Vì thế, để nghiên cứu đặc điểm biến đổi thành phần các đồng vị bền trong các loại vật chất tự nhiên, giá trị tƣơng đối của các đồng vị bền thƣờng đƣợc sử dụng. Trong các nghiên cứu về địa hóa, sinh địa hóa, sinh thái, và mơi trƣờng, giá trị tỷ số của một
đồng vị bền trong các mẫu phân tích thường được xác định bằng tỷ số tương đối của nó với một mẫu chuẩn đã biết. Các cơng trình nghiên cứu cũng thống nhất biểu
thị giá trị tỷ số đồng vị bền bằng biểu thức δ (đọc là delta). Giá trị tỷ số tươngđối δcủa một đồng vị bền được tính tốn bằng tỷ số giữa giá trị đồng vị bền nặng/nhẹ
Khoảng 5 – 10 mg mẫu đƣợc cân và cho vào cốc Ag hoặc Sn
Gói mẫu thành các viên nhỏ khoảng 7 mm
Xếp các mẫu đã đƣợc gói vào khay phân tích
IRMS
trong mẫu phân tích và của chính tỷ số đó trong chất chuẩn quốc tế đã biết. Theo
định nghĩa, giá trị tỷ số đồng vị δ của một mẫu nghiên cứu thƣờng đƣợc tính bằng cơng thức (1.12): ( ) X 1 *1000 1 *1000 ( ) X m H m X X S S X H R L H R L
Trong đó, δ: giá trị tỷ số đồng vị bền của nguyên tố X H: đồng vị nặng của nguyên tố
R: tỷ số của đồng vị nặng (H) với đồng vị nhẹ (L) m: mẫu phân tích
s: chất chuẩn quốc tế
Đối với nguyên tố hydro, biểu thức δ2H có thể biểu diễn dạng δD, trong đó D biểu diễn cho phân tử hydro nặng deuterium. Trong biểu thức tính giá trị tỷ số δ, sự khác nhau giữa giá trị tỷ số đồng vị bền của mẫu phân tích với chất chuẩn sử dụng thƣờng rất nhỏ. Do vậy, giá trị này thƣờng đƣợc nhân với 1000 để làm tăng giá trị tính tốn. Ví dụ, sự khác nhau về tỷ số đồng vị giữa mẫu phân tích với chất chuẩn là 1%, khi đó giá trị tỷ số đồng vị bền dƣợc tính tốn là 10‰. Sử dụng biểu thức tính giá trị tỷ số đồng vị δ sẽ cho phép xác định sự khác nhau rất nhỏ về thành phần đồng vị trong các mẫu phân tích.
Đơn vị của δ là ‰ thƣờng đƣợc đọc là “pơ mil”, xuất phát từ tiếng Latin có nghĩa là phần nghìn.
Hầu hết các vật chất trong tự nhiên có giá trị tỷ số đồng vị δ dao động trong khoảng −100 và +50 ‰ (Fry, 2006). Do vậy, giá trị tỷ số đồng vị δ có thể mang dấu âm hoặc dƣơng. Nhiều khi giá trị âm của δ có thể gây nhầm lẫn trong nghiên cứu và sử dụng. Giá trị tỷ số đồng vị δ mang dấu âm nghĩa là trong mẫu phân tích có thành phần đồng vị nặng thấp hơn so với trong chất chuẩn quốc tế sử dụng để so sánh và ngƣợc lại khi giá trị tỷ số đồng vị δ mang dấu + nghĩa là trong mẫu phân tích có thành phần đồng vị nặng cao hơn so với trong chất chuẩn quốc tế. Theo cơng thức, thì giá trị tỷ số đồng vị δ của chất chuẩn sẽ có giá trị 0 ‰, cần chú ý rằng giá trị này
khơng có nghĩa là trong chất chuẩn khơng có đồng vị nặng, mà nó có nghĩa là thành phần đồng vị nặng của chất chuẩn so với chính nó là không khác nhau.
Bảng 2.2. Thành phần đồng vị bền của một số chất chuẩn quốc tế
Chất chuẩn Tỷ số H/L Giá trị H/L %H %L Standard mean Ocean Water (SMOW) 2H/1H 0,00015576 0,015574 99,984426 17O/16O 0,0003799 0,3790 99,76206 18O/16O 0,0020052 0,20004 99,76206 PeeDee Belemnite (PDB) 13 C/12C 0,011180 1,1056 98,8944 17O/16O 0,0003859 0,0385 99,7553 18O/16O 0,0020672 0,2062 99,7553 Air 15N/14N 0,0036765 0,36630 99,63370 Canyon Diablo Troilite 33S/32S 0,0078772 0,74865 95,03957 34S/32S 0,0441626 4,19719 95,03957 36S/32S 0,0001533 0,01459 95,03957
Trong đó: H là đồng vị nặng, L là đồng vị nhẹ (Nguồn: Fry, 2006)