SPEKTROMETRIA IRMS. (Isotope Ratio Mass Spectrometry) Pomiar stosunków izotopowych (R) pierwiastków lekkich (H, C, O, N, S)

Podobne dokumenty
METODY PRZYGOTOWANIA PRÓBEK DO POMIARU STOSUNKÓW IZOTOPOWYCH PIERWIASTKÓW LEKKICH. Spektrometry IRMS akceptują tylko próbki w postaci gazowej!

Podstawowe pojęcia i prawa chemiczne, Obliczenia na podstawie wzorów chemicznych

Wpływ Młodych Naukowców na Osiągnięcia Polskiej Nauki (7)

Mol, masa molowa, objętość molowa gazu

I. Preparatyka próbek wody metodą równowagi izotopowej do pomiaru δ 18 O w wodzie.

Krzywe energii potencjalnej dla molekuły dwuatomowej ilustracja przejść dysocjacyjnych IDENTYFIKACJA ZWIĄZKÓW ORGANICZNYCH

Próżnia w badaniach materiałów

Masowo-spektrometryczne badania reakcji jonowo-molekularnych w mieszaninach amoniaku i argonu

Ćwiczenie 3++ Spektrometria promieniowania gamma z licznikiem półprzewodnikowym Ge(Li) kalibracja energetyczna i wydajnościowa

Anna Grych Test z budowy atomu i wiązań chemicznych

ĆWICZENIE 13 TEORIA BŁĘDÓW POMIAROWYCH

Ćwiczenie nr 5 : Badanie licznika proporcjonalnego neutronów termicznych

SPEKTROMETRIA CIEKŁOSCYNTYLACYJNA

Rozróżnianie steroidów endogennych od egzogennych za pomocą GC/C/IRMS

pętla nastrzykowa gaz nośny

PODSTAWY DATOWANIA RADIOWĘGLOWEGO

Podstawowe prawa opisujące właściwości gazów zostały wyprowadzone dla gazu modelowego, nazywanego gazem doskonałym (idealnym).

Wojewódzki Konkurs Przedmiotowy z Chemii dla uczniów gimnazjów województwa śląskiego w roku szkolnym 2014/2015

Materiały pomocnicze do laboratorium z przedmiotu Metody i Narzędzia Symulacji Komputerowej

Doświadczenie B O Y L E

Podstawy akceleratorowej spektrometrii mas. Techniki pomiarowe

relacje ilościowe ( masowe,objętościowe i molowe ) dotyczące połączeń 1. pierwiastków w związkach chemicznych 2. związków chemicznych w reakcjach

Chemia Grudzień Styczeń

Układ stabilizacji natężenia prądu termoemisji elektronowej i napięcia przyspieszającego elektrony zwłaszcza dla wysokich energii elektronów

podstawami stechiometrii, czyli działu chemii zajmującymi są obliczeniami jest prawo zachowania masy oraz prawo stałości składu

Laboratorium Podstaw Pomiarów

Ćwiczenie: "Pomiary rezystancji przy prądzie stałym"

Spektrometria mas (1)

KONKURS CHEMICZNY DLA UCZNIÓW GIMNAZJÓW

Estymacja wektora stanu w prostym układzie elektroenergetycznym

Ćwiczenie LP2. Jacek Grela, Łukasz Marciniak 25 października 2009

Obliczenia chemiczne

Proteomika. Spektrometria mas. i jej zastosowanie do badań białek

imię i nazwisko, nazwa szkoły, miejscowość Zadania I etapu Konkursu Chemicznego Trzech Wydziałów PŁ V edycja

dobry punkt wyjściowy do analizy nieznanego związku

Dr inż. Michał Marzantowicz,Wydział Fizyki P.W. p. 329, Mechatronika.

Wojewódzki Konkurs Przedmiotowy z Chemii dla uczniów gimnazjów województwa śląskiego w roku szkolnym 2012/2013

Ćwiczenie LP1. Jacek Grela, Łukasz Marciniak 22 listopada 2009

Pomiar rezystancji metodą techniczną

Nazwy pierwiastków: ...

Metodę poprawnie mierzonego prądu powinno się stosować do pomiaru dużych rezystancji, tzn. wielokrotnie większych od rezystancji amperomierza: (4)

KONKURS CHEMICZNY DLA UCZNIÓW GIMNAZJÓW. Eliminacje wojewódzkie III stopień

ĆWICZENIE 5. POMIARY NAPIĘĆ I PRĄDÓW STAŁYCH Opracowała: E. Dziuban. I. Cel ćwiczenia

Ćwiczenie ELE. Jacek Grela, Łukasz Marciniak 3 grudnia Rys.1 Schemat wzmacniacza ładunkowego.

ZASADY DOKUMENTACJI procesu pomiarowego

Energetyka konwencjonalna odnawialna i jądrowa

Konkurs przedmiotowy z chemii dla uczniów gimnazjów 13 stycznia 2017 r. zawody II stopnia (rejonowe)

POLITECHNIKA OPOLSKA

Rachunek Błędów Zadanie Doświadczalne 1 Fizyka UW 2006/2007

O 2 O 1. Temat: Wyznaczenie przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego

X / \ Y Y Y Z / \ W W ... imię i nazwisko,nazwa szkoły, miasto

Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych

DOKUMENTACJA SYSTEMU ZARZĄDZANIA LABORATORIUM. Procedura szacowania niepewności

Ćw. nr 31. Wahadło fizyczne o regulowanej płaszczyźnie drgań - w.2

Budowa atomu. Izotopy

Wyznaczanie bezwzględnej aktywności źródła 60 Co. Tomasz Winiarski

Fizyka i wielkości fizyczne

Zadania powtórkowe do egzaminu maturalnego z chemii Budowa atomu, układ okresowy i promieniotwórczość

Zagadnienia: równanie soczewki, ogniskowa soczewki, powiększenie, geometryczna konstrukcja obrazu, działanie prostych przyrządów optycznych.

Ćw. 32. Wyznaczanie stałej sprężystości sprężyny

Podstawy metody radiowęglowej. Kalibracja radiowęglowej skali czasu.

Za poprawną metodę Za poprawne obliczenia wraz z podaniem zmiany ph

Cz. I Materiał powtórzeniowy do sprawdzianu dla klas II LO - Wiązania chemiczne + przykładowe zadania i proponowane rozwiązania

TECHNIKA SPEKTROMETRII MAS ROZCIEŃCZENIA IZOTOPOWEGO (IDMS)-

OZNACZENIE JAKOŚCIOWE I ILOŚCIOWE w HPLC

Sprawdzenie narzędzi pomiarowych i wyznaczenie niepewności rozszerzonej typu A w pomiarach pośrednich

Przykłady: zderzenia ciał

R X 1 R X 1 δr X 1 R X 2 R X 2 δr X 2 R X 3 R X 3 δr X 3 R X 4 R X 4 δr X 4 R X 5 R X 5 δr X 5

Różne dziwne przewodniki

Ćwiczenie nr 2. Pomiar energii promieniowania gamma metodą absorpcji

Energetyka w Środowisku Naturalnym

VII Podkarpacki Konkurs Chemiczny 2014/2015

Budowa atomu. Wiązania chemiczne

Pracownia Astronomiczna. Zapisywanie wyników pomiarów i niepewności Cyfry znaczące i zaokrąglanie Przenoszenie błędu

Doświadczalne wyznaczanie współczynnika sztywności (sprężystości) sprężyny

Wymagania edukacyjne na poszczególne oceny: I. Substancje i ich przemiany

Wymagania programowe na poszczególne oceny w klasie pierwszej. I. Substancje i ich przemiany

Ćwiczenie 3 Temat: Oznaczenia mierników, sposób podłączania i obliczanie błędów Cel ćwiczenia

Fizyka 1 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

Wymagania programowe na poszczególne oceny chemia kl. I

Repetytorium z wybranych zagadnień z chemii

Procedura szacowania niepewności

Wymagania edukacyjne na poszczególne oceny - klasa I a, I b, I c, I d. I. Substancje i ich przemiany. Ocena dopuszczająca [1]

Ćwiczenie nr 2 : Badanie licznika proporcjonalnego fotonów X

Rok akademicki: 2013/2014 Kod: EIB BN-s Punkty ECTS: 3. Kierunek: Inżynieria Biomedyczna Specjalność: Bionanotechnologie

I ,11-1, 1, C, , 1, C

Wymagania programowe na poszczególne oceny z chemii dla klasy 1 gimnazjum. I. Substancje i ich przemiany

Wymagania edukacyjne z chemii dla klasy I oparte na Programie nauczania Chemia Nowej Ery

Wojewódzki Konkurs Przedmiotowy z Chemii dla uczniów dotychczasowych gimnazjów województwa śląskiego w roku szkolnym 2017/2018

KONKURS CHEMICZNY DLA UCZNIÓW GIMNAZJUM ROK SZKOLNY 2013/2014 ETAP SZKOLNY

Akademickie Centrum Czystej Energii. Ogniwo paliwowe

Zadanie 3. (2 pkt) Uzupełnij zapis, podając liczbę masową i atomową produktu przemiany oraz jego symbol chemiczny. Th... + α

I Etap szkolny 16 listopada Imię i nazwisko ucznia: Arkusz zawiera 19 zadań. Liczba punktów możliwych do uzyskania: 39 pkt.

Niepewność pomiaru masy w praktyce

Zadanie 1. [ 3 pkt.] Uzupełnij zdania, wpisując brakującą informację z odpowiednimi jednostkami.

Konkurs przedmiotowy z chemii dla uczniów dotychczasowych gimnazjów 24 stycznia 2018 r. zawody II stopnia (rejonowe)

Teoria błędów. Wszystkie wartości wielkości fizycznych obarczone są pewnym błędem.

XIV Konkurs Chemiczny dla uczniów gimnazjum województwa świętokrzyskiego. II Etap - 18 stycznia 2016

1. Stechiometria 1.1. Obliczenia składu substancji na podstawie wzoru

Procentowa zawartość sodu (w molu tej soli są dwa mole sodu) wynosi:

Transkrypt:

SPEKTROMETRIA IRMS (Isotope Ratio Mass Spectrometry) Pomiar stosunków izotopowych (R) pierwiastków lekkich (H, C, O, N, S) R = 2 H/ 1 H; 13 C/ 12 C; 15 N/ 14 N; 18 O/ 16 O ( 17 O/ 16 O), 34 S/ 32 S Konstrukcja spektrometrów IRMS umożliwia równoczesny pomiar natężeń prądów jonowych molekuł izotopowych zawierających mierzone izotopy: Przykładowo: R = I( 1 H 2 H)/I( 1 H 1 H) R = I( 13 C 16 0 2 )/I( 12 C 16 O 2 ) R = I( 12 C 18 O 16 O)/I( 12 C 16 O 2 ) Ponieważ stosunki izotopowe R są z reguły małymi liczbami, powszechnie stosuje się pomiar względny, tzn. stosuje się naprzemienny pomiar stosunku izotopowego w mierzonej próbce i w standardzie, w ramach jednego cyklu pomiarowego i odnosi się mierzony skład izotopowy do składu izotopowego standardu, podając wynik w promilach.

Definicja wielkości δ: δ = R PRÓBKA R R STANDARD STANDARD 1000 Jak wynika z definicji wielkości δ, skład izotopowy wyrażony poprzez wielkość δ może być liczbą dodatnią bądź ujemną. Ujemna wartość δ oznacza że zawartość ciężkiego izotopu ( 2 H, 13 C, 18 O, 15 N, 34 S) jest większa w badanej próbce niż w standardzie. Podstawowe standardy kalibracyjne (definiują początek skali): 1. V-SMOW (Standard Mean Ocean Water) - 2 H, 18 O 2. V-PDB (Vienna Pe Dee Bellemnite) - 13 C, 18 O 3. Atmosferyczny azot - 15 N 4. Canon Diablo Meteorite (CDT) - 34 S 5. SLAP (Standard Light Antarctic Precipitation) - 2 H, 18 O NBS-19-13 C, 18 O IAEA-S-1-34 S IAEA-S-2-34 S

STANDARDY KALIBRACYJNE

RELACJE MIĘDZY STANDARDAMI KALIBRACYJNYMI V-SMOW, V-PDB, NBS-19, SLAP ( 18 O) Przy pomocy standardów kalibracyjnych i pomocniczych oraz przy pomocy okresowo organizowanych między-laboratoryjnych testów porównawczych laboratoria zajmujące się pomiarami stosunków izotopowych pierwiastków lekkich mogą zapewnić odpowiednią precyzję oraz dokładność pomiarów izotopowych. Wyniki analiz izotopowych produkowanych przez różne laboratoria mogą być porównywane za sobą porównywane.

STANDARDY POMOCNICZE

Ogólny schemat ideowy spektrometru IRMS Źródło jonów:

Detekcja w spektrometrze dwu-kolektorowym: Zawór przełączający:

Zapis mierzonych wielkości:

We wczesnych konstrukcjach spektrometrów IRMS konieczne było wprowadzanie szeregu instrumentalnych poprawek do mierzonych wartości δ: 1. Poprawka na tło i na nakładanie się pików Dla spektrometrów z podwójnym ogniskowaniem poprawka ta może być zredukowana do pomijalnych wartości. 2. Poprawki przy pomiarach izotopowych dwutlenku węgla Udział procentowy różnych molekuł izotopowych CO 2 w standardzie PDB (CaCO 3 ) podano w tabeli poniżej:

Problem: Z powodu obecności w CO 2 molekuł izotopowych o tych samych masach (molekuły izobaryczne), nie możemy mierzyć bezpośrednio δ 13 C i δ 18 O.

Celem naszym jest zmierzenie stosunków izotopowych r 13 ( 13 C/ 12 C) i r 18 ( 18 O/ 16 O) w badanej próbce, wyrażonych poprzez wielkości δ: 13 δ C 18 δ O r = [ r r = [ r 13P 13W 18 P 18W 1] 1] (1) (2) Gdzie indeks P odnosi się do próbki a indeks W odnosi się do stosowanego wzorca. Trzy mierzone prądy jonowe reprezentujące stosunki m/q równe 44, 45 i 46, są budowane przez następujące molekuły izotopowe: I 44 = 12 C 16 O 2 I 45 = 13 C 16 O 2 ; 12 C 16 O 17 O I 46 = 12 C 16 O 18 O; 12 C 17 O 2 ; 13 C 16 O 17 O Stosunki izotopowe: r 45 = I 45 /I 44 r 46 = I 46 /I 44 Z uwagi na symetrię molekuł CO 2 zawierających 17 O bądź 18 O ( prawe i lewe położenie atomu 17 O bądź 18 O w cząsteczce) mamy dwie cząsteczki z 17 O bądź 18 O dające wkład do masy 45 bądź 46. Stąd mierzone stosunki izotopowe można wyrazić:

r 45 = r 13 + 2r 17 (3) r 46 = 2r 18 + 2r 13 r 17 + (r 17 ) 2 (4) (pokazać!) Wielkości mierzone w spektrometrze: δ δ 45 46 P = [ W 45 P = [ W 45 46 46 ] 1] (5) gdzie P oznacza odpowiedni stosunek izotopowy w próbce mierzonej względem wzorca W. W spektrometrach dwu-kolektorowych (Micromass VG 602C) mierzy się bezpośrednio stosunek I 45 do I 44 dla otrzymania δ 45, ale dla uzyskania δ 46 mierzony jest stosunek I 46 do sumy I 44 i I 45. Stąd konieczna jest odpowiednia poprawka. Na podstawie rozważań opartych o fizykę statystyczną przyjmuje się że stosunek zawartość 17 O i 18 O w mierzonej próbce i w standardzie jest wyrażona następującą zależnością:

r r 17 P 17 S = r r 18 P 18S (6) r 17 P = k ( r18 P ) 1/ 2 Dla CO 2 z próbki o składzie izotopowym podobnym do składu izotopowego standardu z powyższej relacji wynika następujące przybliżone wyrażenie: δ 17 = δ 18 /2 Stąd ostatecznie otrzymujemy następujące wyrażenia na poszukiwane wartości δ 13 C i δ 18 O 13 δ C = R R 45 13 δ 45 R R 17 13 δ 46 18 δ O = δ [1 46 R R 45 R 18 17 ] (sprawdzić!) Gdzie R oznacza odpowiedni stosunek izotopowy w gazie wzorcowym stosowanym w pomiarze. W spektrometrze 3-kolektorowym wszystkie trzy prądy jonowe (I 44, I 45, I 46 ) mierzone są oddzielnie. Przyjęto bardziej wiarygodną relację między r 17 i r 18 :

α r 17 = k( r 18 ) (7) gdzie α = 0.516 a przyjęta wartość k będzie zależała od zastosowanego gazu wzorcowego. Dla gazu o składzie izotopowym identycznym z VPDB wartość k = 0.0099235. Wstawiając zależność (7) do równań (3) i (4) otrzymujemy następujące wyrażenie: 2 2α α 3k ( r ) + 2kr ( r ) + 2r r 18 45 18 18 46 = 0 (8) równanie to rozwiązywane jest numerycznie i uzyskiwana jest wartość r 18. Równanie (7) jest użyte do uzyskania r 17, a r 13 jest uzyskiwane z równania (3). 3. Poprawki przy pomiarach składu izotopowego H 2 Przy analizie składu izotopowego wodoru, rejestrowane są następujące jony: 1 H 2 + (masa 2), 1 H 2 H + (masa 3) oraz jon 1 H 1 H 1 H + (masa 3). Stąd należy zastosować odpowiednią poprawkę na obecność jonu H 3 +. Jon H 3 + powstaje w źródle jonów w reakcji: H 2 + + H 2 H 3 + + H Reakcja jonizacji wodoru w źródle jonów jest reakcją pierwszego rzędu, tzn. koncentracje jonów izotopowych wodoru są proporcjonalne do ciśnień cząstkowych odpowiednich molekuł izotopowych:

[H 2 + ] = Ap(H 2 ) [ 1 H 2 H + ] = A i p( 1 H 2 H) gdzie A i A i są odpowiednimi stałymi jonizacji. Formowanie się jonów H 3 + zachodzi w reakcji drugiego rzędu: koncentracja H 3 + jest proporcjonalna do iloczynu koncentracji H 2 + i H 2. Stąd: [H 3 + ] = Bp 2 (H 2 ) Zatem mierzony stosunek izotopowy R 3 będzie równy: R 2 + [ H H ] + [ H [ H ] ] Ai = K A 1 + 3 = K R + p( H 3 + 2 2 B A ) gdzie R jest szukanym stosunkiem izotopowym ( 1 H 2 H/ 1 H 2 ) a K jest stałą. Jak widać, R 3 jest liniowo zależne od p(h 2 ). Ten fakt został wykorzystany przy korekcji mierzonych wartości δ 2 H na obecność jonów H 3 + (patrz rysunek poniżej). Ponieważ poprawka na obecność jonów H 3 + jest funkcją p(h 2 ) różnice prądów jonowych I 2 dla próbki i wzorca mogą prowadzić do błędów analizy: 2% różnica w I 2 2 w mierzonej wartości δ 2 H. Nowoczesne spektrometry są wyposażone w elektroniczny system korekcji H 3 +. W normalnych warunkach pracy udział jonów H3+ nie powinien przekraczać 5% prądu pochodzącego od jonów 1 H 2 H +.

KOREKCJA H 3 +

SPEKTROMETR DELTA S (FINNIGAN MAT)

Widok ogólny spektrometru:

Elementy źródła jonów i optyki formującej wiązkę: Połączenie źródła jonów i układu wejściowego:

System detekcji:

Przyporządkowanie mierzonych mas odpowiednim detektorom:

System pompowania spektrometru:

Układ wejściowy spektrometru: