Wstęp. Spektroetria as jest techniką poiarową uoŝliwiającą wyznaczanie składu izotopowego pierwiastków. Poiar polega na zierzeniu natęŝeń wiązek jonowych proporcjonalnych do zawartości cięŝszego i lŝejszego izotopu w analizowanej próbce gazowej. Cząsteczki próbki i wzorca wprowadzane są na przeian do źródła jonów (rys. 1), gdzie ulegają jonizacji. Jony przyspieszone róŝnicą potencjałów U trafiają w obszar pola agnetycznego o kącie rozwarcia Φ i indukcji B. pole agnetyczne r Φ źródło jonów kolektory Rys. 1. Zasada ogniskowania wiązek jonów w spektroetrze as. pierając się na równowadze siły dośrodkowej i siły Lorentza działających w polu agnetyczny na jon o asie i ładunku q oŝna wyznaczyć proień krzywizny toru po jaki poruszają się jony: r = 2 B U q (A.1) Przy poocy pola elektrycznego i agnetycznego oŝna więc rozseparować wiązki jonów o asach odpowiadających poszczególny izotopo, a następnie ierzyć ich natęŝenie w kolektorach jonów. RóŜnice stosunków izotopowych poiędzy poszczególnyi próbkai są tak niewielkie, Ŝe w celu ułatwienia interpretacji wyników w praktyce poiarowej operuje się względną róŝnicą poiędzy stosunkie izotopowy w próbce i we wzorcu. WyraŜona w proilach wielkość zdefiniowana jest następujący wzore: X WS = R pr R R wz wz 1000 (A.2) gdzie: -liczba asowa izotopu cięŝszego X-sybol cheiczny pierwiastka, którego izotopów dotyczy oznaczenie, R pr, R wz stosunki stęŝeń izotopu cięŝszego do lŝejszego w próbce (pr) i we wzorcu ( wz). Uzyskany w ten sposób wynik, podany względe stosowanego w poiarze wewnętrznego wzorca laboratoryjnego (WS Working Standard), przeliczany jest następnie względe iędzynarodowego wzorca pierwotnego według wzoru: 1
gdzie: X INT wartość próbki względe iędzynarodowego wzorca pierwotnego, X WS wartość próbki względe wzorca laboratoryjnego, X WS/INT wartość wzorca laboratoryjnego względe iędzynarodowego wzorca pierwotnego. Pierwotny wzorce stosowany w poiarach składu izotopowego C 2 pochodzącego z węglanów był PDB (Peedee Belenite), szkielety belenitów pochodzące z kredowej foracji Peedee w południowej Karolinie (USA). Jego zapasy szybko jednak uległy wyczerpaniu. becnie rozprowadzany jest przez US National Bureau of Standards wzorzec wtórny NBS-19, stosowany w praktyce laboratoryjnej do kalibracji standardu roboczego WS (wyznaczenia 13 C WS/PDB i WS/PDB ). Poiary tego wzorca względe poprzedniego, wykonane przez wiodące laboratoria izotopowe, posłuŝyły do ustalenia nowej, obowiązującej obecnie skali, tzw. VPDB (Vienna PDB). W przypadku poiaru składu izotopowego próbek wodnych wartości i 2 Η podaje się względe wzorca SMW (Standard Mean cean Water). W rzeczywistości wzorzec ten nigdy fizycznie nie istniał, a jego skład izotopowy wyznaczono na podstawie średniej z poiarów składu izotopowego wód pochodzących z wszystkich oceanów. becnie Sekcja Hydrologii Międzynarodowej Agencji Energii Atoowej w Wiedniu udostępnia porcje standardu VSMW (Vienna SMW) o wartościach i 2 Η przyjętych oficjalnie za zero skali. Drugi ekstrealny punkte uŝywany do ustalenia skali są wartości standardu SLAP (Standard Light Antarctic Precipitation). Cele ćwiczenia. 1. Zapoznanie się z budową i działanie spektroetru as. 2. panowanie podstawowych eleentów obsługi spektroetru wykonanie przykładowego poiaru 13 C i w próbce C 2, np. w IS2 (wzorzec kontrolny). 3. panowanie techniki przygotowania próbek C 2 z badanych próbek wody przygotowanie serii próbek do poiaru. 4. Przygotowanie spektroetru i uruchoienie poiaru przygotowanych próbek. 5. bliczenie wyników końcowych. I. Budowa i działanie spektroetru. W niniejszy ćwiczeniu skład izotopowy C 2 ierzony będzie przy poocy spektroetru delta S (rys. 2) produkcji firy Finnigan MAT, bh. Jest to spektroetr trójkolektorowy o rozdzielczości (/ ) równej 95. Wytwarzane przez elektroagnes pole agnetyczne o kącie rozwarcia Φ = 90 0 i indukcji B ax = 0,75 T uoŝliwia analizę wiązek jonów o asach do 70 ja. Na rysunku 3 przedstawiono scheat ideowy części próŝniowej spektroetru. Przed rozpoczęcie poiaru do ieszków naleŝy wprowadzić wzorzec (otwierając zawory 21 i 24) i analizowaną próbkę (otwierając zawory 11 i 14). W trakcie poiaru gaz próbki i wzorca wprowadzane są na przeian autoatycznie do analizatora MS za pośrednictwe kapilar i grupy zaworów naprzeiennego dozowania (31 do 34). Koputer sprzęgnięty ze spektroetre steruje przebiegie poiaru według protokołu ustalonego wcześniej przez operatora oraz zbiera sygnały prądowe z kolektorów i na ich podstawie oblicza wynik poiaru. II. Preparatyka. X INT X WS X WS / INT = X WS + X WS / INT + (A.3) 1000 Przediote badań będą próbki wody, w których naleŝy oznaczyć skład izotopowy tlenu, tj. zierzyć wartość. Próbki ogą być przygotowane ręcznie na linii próŝniowej lub przy poocy linii autoatycznej. W obydwu przypadkach preparatyka polega na doprowadzeniu do stanu równowagi w procesie wyiany izotopowej iędzy tlene z wody, a tlene z dopuszczonego nad powierzchnię wody dwutlenku węgla. 2
A. Preparatyka ręczna. W opisanej procedurze stosuje się próbki wody o objętości 3 l. Przy poocy szlifowanego zaworu badaną próbkę wodną, w której naleŝy określić skład izotopowy tlenu / 16, wprowadza się do naczynia szklanego o objętości 50 c 3 (rys. 5). szlif 10x30 zawór szlifowy 19x40 naczynie C 2 wzorzec laboratoryjny próbka wodna Rys. 5. PróŜniowe naczynie szklane uŝywane do przygotowywania próbek wody etodą równowagi izotopowej. Dopływ powietrza atosferycznego do pojenika zayka się, aby unieoŝliwić ciągłą wyianę tlenu atosferycznego z tlene zawarty w badanej próbce wodnej. Tak przygotowany pojenik z wodą podłącza się szlife do linii próŝniowej (rys. 6). anoetr 0 1300 Torr reduktor C 2 do układu wysokiej próŝni wyraŝarka wody szlifowe złącza próŝniowe naczynie na próbkę wodną wyraŝarka C 2 C2 wzorzec laboratoryjny Rys.6. Linia próŝniowa do przygotowywania próbek wody etodą równowagi izotopowej. 3
Próbkę wodną poddaje się zaraŝaniu z zewnątrz ieszaniną acetonu i ciekłego azotu (teperatura ok. 70 0 C), a następnie wypopowuje powietrze zawarte w pojeniku przy poocy kaskadowego układu pop próŝniowych. Po osiągnięciu próŝni 10-3 Tr i ponowny odcięciu się od układu pop zawore próŝniowy, woda w pojeniku zostaje rozroŝona. Powietrze zawarte w wodzie rozpręŝa się do odpopowanego naczynia. Tę ilość powietrza ponownie usuwa się z naczynia stosując ponowne zaraŝanie. Stosowana etoda wyraŝania próbek wodnych pozwala uniknąć silnego parowania wody podczas odpopowywania powietrza, a zate zapobiega efektowi frakcjonowania izotopowego. Po usunięciu powietrza do naczynia z próbką wodną wprowadza się pod ciśnienie 200 Tr dwutlenek węgla o znany składzie izotopowy. Jest on jednocześnie wzorce laboratoryjny uŝywany w Pracowni Spektroetrii Mas. W koplecie 6 przygotowanych równocześnie próbek wodnych znajduje się jedna próbka o wody wzorcowej o znany składzie izotopowy. Jest ona przyjęty przez pracownię tzw. Wzorce Wewnętrzny. W ten sposób zapewniona zostaje stała kontrola procesu przygotowania próbek wodnych do analizy spektroetrycznej. Po zakończeniu odpopowywania i napełniania naczynia dwutlenkie węgla, zostaje ono wprowadzone do basenu wodnego ultraterostatu, gdzie w teperaturze 25,0 ± 0,1 0 C rozpoczyna się proces wyiany izotopowej iędzy tlene z dwutlenku węgla, a tlene z wody według następującej reakcji: C 16 16 16 16 + H 2 C + H 2 (1) Po pewny czasie trwania reakcji zachodzi równowaga w procesie wyiany izotopowej. Równanie równowagi izotopowej oŝna przedstawić następująco: N + n = N + n (2) w gdzie: w - początkowy skład izotopowy tlenu w wodzie, g - początkowy skład izotopowy tlenu w C 2, W - końcowy skład izotopowy tlenu w wodzie, - końcowy skład izotopowy tlenu w C 2, N - ilość graoatoów tlenu znajdująca się w próbce wody, n - ilość graoatoów tlenu znajdująca się w C 2. g W Z równania (2) oblicza się skład izotopowy tlenu w wodzie w stanie osiągniętej równowagi: W = + ρ( ) (3) w gdzie ρ = n/n. (4) g Po osiągnięciu równowagi skład izotopowy wody praktycznie nie ulega zianie tylko w taki przypadku, kiedy ilość graoatoów tlenu w wodzie jest nieskończenie duŝa w porównaniu z ilością graoatoów tlenu w dwutlenku węgla. Końcowy skład izotopowy w wodzie ( W ) i gazie ( ) jest wyraŝony funkcyjnie poprzez współczynnik frakcjonowania następującą zaleŝnością: 1000 + α = (5) 1000 + gdzie: skład izotopowy / 16 zierzony spektroetre as. W Związek iędzy a hipotetyczną wartością składu izotopowego 0, który powinien posiadać wzorcowy dwutlenek węgla będący w równowadze izotopowej z nieskończenie duŝą ilością wody (1/ρ ) oŝna przedstawić przy poocy zaleŝności: 0 = (1 + ρ) αρ (6) 4
Stosunek izotopów tlenu / 16 w dwutlenku węgla jest proporcjonalny do stosunku tych izotopów w wodzie według następującej zaleŝności: 16 16 ( / ) C α( / ) H 2 2 = (7) Współczynnik frakcjonowania izotopowego dla wody w teperaturze 25 0 C wynosi 1,0408. Ilość atoów tlenu w 3 l wody jest znacznie większa (obliczyć!) od ilości tych atoów zawartych w 47 c 3 dwutlenku węgla pod ciśnienie 200 Tr. Czas potrzebny do osiągnięcia pełnego stanu równowagi wyiany izotopowej oŝe wynosić 55 godzin. MoŜna go jednak zredukować do kilku godzin stosując echaniczną wibrację próbek w basenie wodny ultraterostatu. W praktyce okres przebywania próbek w ultraterostacie nie przekracza 30 godzin, o ile skład izotopowy badanych wód jest porównywalny ze składe izotopowy Wzorca Wewnętrznego (KWK Krakowska Woda z Kranu). Wtedy odchylenie od stanu równowagi izotopowej ieści się w granicach niepewności wyznaczania. Wynik poiaru kaŝdej z 6 przygotowanych próbek wodnych powinien być przedstawiony względe wzorca SMW (Standard Mean cean Water). MoŜna się w ty celu posłuŝyć następujący wzore: 0 KWK SMW + 1000 S SMW = ( S WS+ 1000) 1000 ( ) (8) KWK WS + 1000 gdzie: - wartość próbki względe SMW, S SMW S WS - wartość próbki względe WS (Working Standard) 0 KWK SMW = -9,517 ± 0,04 - średnia długoterinowa wartość wzorca KWK względe SMW, KWK WS - wartość próbki wzorcowej KWK przygotowywanej w dany zestawie 6 próbek względe WS. JeŜeli w zestawie próbek KWK jest więcej, naleŝy policzyć średnią. B. Preparatyka przy poocy linii autoatycznej. MULTIPREP (rys. 7) jest w pełni zautoatyzowany urządzenie słuŝący do przygotowywania gazowych próbek C 2 do analizy izotopów stabilnych z próbek wodnych i węglanowych. Pozwala ono na równoczesną preparatykę 20 próbek w jednakowych warunkach: - próbki wodne ekwilibrowane są z C 2 - próbki węglanowe reagują z kwase fosforowy. Urządzenie sterowane jest koputere osobisty wyposaŝony w oprograowanie zawierające bogaty zestaw akroinstrukcji, co uoŝliwia saodzielne zaprojektowanie przebiegu preparatyki i odpowiednie dobranie jej paraetrów (czasy poszczególnych etapów, teperatura ekwilibracji, teperatura wyraŝania). Istotną zaletą jest równieŝ oŝliwość autoatycznego poiaru przygotowanych próbek gazowych przy poocy spektroetru as. Budowa i zasada działania. Podstawową częścią urządzenia jest ruchoe raię, do którego podwiesza się naczynka z próbkai wodnyi lub węglanowyi. Raię połączone jest echanicznie z serwoechanize, który uoŝliwia wytrząsanie próbek (271 cykli na inutę) cele przyśpieszenia wyiany gazowej. MoŜliwe jest równieŝ przechylenie całego zestawu próbek w przypadku preparatyki węglanów (przelanie kwasu fosforowego z palca do części naczynka 5
zawierającej próbkę węglanową). Raię wraz z próbkai uieszczone jest w terostacie powietrzny. Pod perforowany dne skrzynki terostatu znajduje się wentylator, który iesza powietrze wewnątrz zapewniając jednakowy rozkład teperatury w całej objętości. Nad utrzyanie stałej teperatury w czasie preparatyki czuwa układ regulacyjny składający się z platynowego czujnika teperatury, ikroprocesorowego regulatora PID i grzałki w postaci drutu oporowego. 61 21-40 62 63 64 o -70 C 1-20 41-60 popa dyfuzyjna spektroetr asowy C 2 próbka gaz 66 67 popa rotacyjna Rys. 7. Scheat autoatycznej linii do preparatyki próbek wodnych. Układ próŝniowy składa się z popy rotacyjnej, popy dyfuzyjnej, rury ze stali nierdzewnej, do której za pośrednictwe układu zaworów podłączone jest 20 naczynek zawierających próbki (Rys.1) i 20 naczynek gazowych, tj. przeznaczonych do groadzenia i przechowywania wypreparowanego C 2. Sposób podłączenia naczynek daje oŝliwość odpopowania kaŝdego naczynka indywidualnie lub/i wszystkich jednocześnie, a takŝe transport gazu z naczynka próbki do odpowiadającego u naczynka gazowego. Zawory o nuerach 1-20 i 41-60 są zaworai elektroagnetycznyi o specjalnej konstrukcji (FMV- Frequency Modulated Valve) uoŝliwiającej regulację szybkości odpopowywania naczynek. Zniejszenie tepa popowania uzyskuje się przez okresowe, sterowane koputerowo, zaykanie i otwieranie zaworu (czas otwarcia - 0.25s, czas zaknięcia - 0.75s). Zapobiega to wrzeniu próbki wodnej na początku popowania lub wysysaniu sproszkowanej próbki węglanowej. Po zakończeniu procesu preparatyki C 2 z naczynka transportowany jest do naczynka gazowego kanałe złoŝony z 3 eleentów: 2 witonowych węŝyków przedzielonych rurką ze stali nierdzewnej, uieszczoną w obszarze, który na czas trwania tego etapu (12 in.) zraŝany jest do teperatury ok. -70 C. Ma to na celu osuszenie C 2 z pary wodnej przed wpuszczenie do naczynka gazowego, w który przechowywany jest do chwili poiaru. Naczynka gazowe wyposaŝone są w autoatyczne zawory pneuatyczne (21-40) sterowane spręŝony powietrze. Układ wyraŝania składa się ze zbiornika z ciekły azote, w który zanurzony jest rezystywny eleent grzejny zwiększający szybkość parowania azotu. Zassane przez specjalny wentylator pary azotu wędrują izolowaną tericznie rurą do obszaru, w który następuje wyraŝanie. 6
Przygotowywanie próbek C 2 etodą równowagi izotopowej do poiaru zostało opisane w części IIA. Ze względu na nowe oŝliwości jakie daje zautoatyzowana preparatyka proces przygotowywania próbek uległ uproszczeniu i skróceniu z kilkudziesięciu do kilku godzin. Próbki wodne o objętości 2 l nalewane są do 20 naczynek (Rys. 2a) o objętości 15 l kaŝde. Naczynka podłącza się do układu próŝniowego i rozpoczyna się pierwszy etap preparatyki polegający na wolny odpopowywaniu próbek (opcja FMV), co pozwala na uniknięcie silnego parowania wody. Cele zwiększenia efektywności popowania dwukrotnie wpuszcza się do naczynek suchy dwutlenek węgla i odpopowywuje wraz z resztkai pary wodnej. Następnie próbki są przez 2 inuty wytrząsane cele usunięcia z wody powietrza, wpuszczany jest ponownie C 2 i naczynka są raz jeszcze odpopowywane. Kolejny etap rozpoczyna się wpuszczenie do odpopowanych próbek dwutlenku węgla o znany składzie izotopowy pod ciśnienie ok. 930 bar. Proces wyiany izotopowej tlenu z wody z tlene z C2 odbywa się w teperaturze 28.0 ± 0.1 C i trwa ok. 2.5 godziny, co zapewnia osiągnięcie stanu równowagi izotopowej. Tak znaczne skrócenie czasu ekwilibracji stało się oŝliwe dzięki podniesieniu teperatury z 25 C do 28 C i ciągłeu wytrząsaniu próbek. Konstrukcja urządzenia uoŝliwia odpopowywanie w ty czasie naczynek gazowych przy poocy popy dyfuzyjnej (otwarte zawory 62, 41-60, 21-40, zaknięte zawory 1-20). Po upływie 2 godzin od chwili rozpoczęcia ekwilibracji włącza się układ wyraŝania, który w ciągu ok.12 inut schładza obszar wyraŝania do teperatury - 70 C. Po osiągnięciu tej teperatury zaykane są zawory 41-60, otwierane 21-40, a zawory 1-20 pracują w trybie FMV. UoŜliwia to transfer próbek gazowego C 2 do naczynek gazowych bez frakcjonowania, z wyraŝanie po drodze pary wodnej. Próbki C 2 zaknięte w naczynkach gazowych czekają na uruchoienie prograu poiaru we współpracy ze spektroetre asowy. 21,050 21,000 20,950 20,900 20,850 20,800 20,750 20,700 20,650 20,600 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 19 20 gniazdo W kaŝdy zestawie 20 próbek uieszcza się 4 jednakowe wody wzorcowe (zwykle KWK Krakowska Woda z Kranu) o znany składzie izotopowy, za kaŝdy raze w inny gnieździe (Ŝółte punkty na rysunku). Wyniki poiaru wody wzorcowej dla kaŝdego z 20 gniazd groadzone są w oddzielny pliku znane są zate odchylenia wartości KWK w kaŝdy gnieździe (czerwone punkty na rysunku) od wartości średniej (zielona linia). 7
W pierwszy kroku przeprowadzanej w trybie off-line procedury obliczeniowej poprawkę dla kaŝdego gniazda naleŝy dodać do zierzonej wartości SA_WS(easured) (próbka względe wzorca wewnętrznego): SA _ WS = SA _ WS ( easured ) + (9) Ten wynik naleŝy skorygować ze względu na frakcjonowanie izotopowe w czasie ekwilibracji (α i ρ jak we wzorach 5 i 6, o skład izotopowy gazu z butli względe WS): SA _ WS ( corrected ) = SA _ WS (1 + αρ ) αρ statecznie wynik naleŝy przedstawić w iędzynarodowej skali SMW (uwzględniając długość skali k): o (10) SA _ SMW 1000 ( SA _ WS ( = 1000 + corrected ) SMW _ WS SMW _ WS ) k (11) Znajoość długoterinowych średnich wartości wody wzorcowej dla kaŝdego gniazda uoŝliwia ocenę poprawności preparatyki i wprowadzenie do wyniku końcowego ewentualnych poprawek ze względu na połoŝenie próbki. Poiar próbek. Przed przystąpienie do poiaru otwiera się ręcznie zawór 64 prowadzący do spektroetru i odpopowuje cały układ przy poocy popy dyfuzyjnej (otwarty zawór 62). Po uzyskaniu próŝni rzędu 10-3 bar oŝna uruchoić progra poiarowy na linii autoatycznej i progra poiaru na spektroetrze asowy. W pierwszy kroku otwiera się zawór 41, co uoŝliwia odpopowanie objętości nad pierwszą próbką. Po otrzyaniu od spektroetru asowego sygnału Ŝądania próbki zayka się zawór popy dyfuzyjnej (62), a otwiera się pierwsze naczynko z C 2 (21). Taki stan utrzyuje się przez 2 in. (czas ustalony w protokole poiarowy spektroetru), w czasie których gaz transportowany jest do spektroetru. Spektroetr rozpoczyna poiar pierwszej próbki, a linia przygotowuje się do poiaru próbki następnej: zayka zawory 21 i 41, otwiera popę dyfuzyjną i zawór 42. Jest to pierwszy krok cyklu poiaru drugiej próbki. Trwa on do chwili ukończenia poiaru pierwszej próbki (ok. 25 in.). pisana powyŝej sekwencja jest powtarzana aŝ do oentu wyczerpania zadanej liczby próbek. III. Przebieg ćwiczenia. 1. Zapoznanie się z budową spektroetru lokalizacja poszczególnych eleentów z rys. 3. 2. Wykonanie poiaru wzorca IS2. 3. Przeprowadzenie preparatyki 20 wskazanych próbek wodnych przy poocy linii autoatycznej. 4. Przygotowanie spektroetru do poiaru przygotowanych próbek C 2. IV. pracowanie. 1. Policzyć stosunek ρ liczby graoatoów tlenu w 2 l wody i 15 c 3 C 2 pod ciśnienie 930bar. 2. pisać szczegółowo przebieg wykonanego poiaru spektroetrycznego wzorca IS. 3. bliczyć wartości SA_SMW dla 20 zierzonych próbek (wzory 9 11). 8