Nguyên Lý Hoạt Động Của IRMS

Cách Máy Phổ Khối Tỷ Lệ Đồng Vị (IRMS) Đo Đồng Vị Bền Với Độ Chính Xác Cực Cao

Trong bài viết trước, chúng ta đã tìm hiểu về đồng vị (Isotopes), Isotopic Signature và Isotope Fractionation – những nền tảng khoa học tạo nên giá trị của phân tích đồng vị bền.

Tuy nhiên, một câu hỏi quan trọng được đặt ra là:

Làm thế nào để đo được sự khác biệt cực nhỏ giữa Carbon-12 và Carbon-13, hay Nitrogen-14 và Nitrogen-15 trong tự nhiên?

Câu trả lời nằm ở kỹ thuật Isotope Ratio Mass Spectrometry (IRMS) – phương pháp được xem là tiêu chuẩn vàng trong phân tích tỷ lệ đồng vị bền.

Khác với các hệ khối phổ thông thường tập trung vào định tính hoặc định lượng hợp chất, IRMS được thiết kế chuyên biệt để xác định tỷ lệ giữa các đồng vị với độ chính xác ở mức phần nghìn (‰), cho phép các nhà khoa học truy xuất nguồn gốc vật chất, nghiên cứu môi trường, kiểm soát chất lượng thực phẩm và theo dõi các quá trình sinh địa hóa trong tự nhiên.

1. IRMS đo gì?

• IRMS đo tỷ lệ giữa các đồng vị của cùng một nguyên tố

Ví dụ đối với Carbon:

Trong đó: ¹³C là đồng vị nặng

¹²C là đồng vị nhẹ

R là tỷ lệ đồng vị

Tương tự đối với: Nitơ (¹⁵N/¹⁴N), Oxy (¹⁸O/¹⁶O), Hydro (²H/¹H) và Lưu huỳnh (³⁴S/³²S).

Những khác biệt rất nhỏ trong các tỷ lệ này chính là “dấu vân tay đồng vị” giúp xác định nguồn gốc và lịch sử của vật chất.

2. Nguyên lí hoạt động IRMS

Đối với tỷ lệ đồng vị H, C, N, O và S, phương pháp phổ khối tỷ lệ đồng vị (IRMS) được sử dụng.

Bước 1: Đưa mẫu vào hệ thống

Tùy ứng dụng mà mẫu có thể là: đất, trầm tích, tro bay, thực vật, thực phẩm, nước, khí tự nhiên được đưa vào hệ thống cùng khí mang

Tuy nhiên IRMS không thể phân tích trực tiếp các mẫu này

• Mẫu cần được chuyển thành khí đơn giản trước khi đo

Bước 2: Chuyển đổi mẫu thành khí (Conversion Reactor)

Mục đích: chuyển nguyên tố cần phân tích thành khí phù hợp với IRMS.

Chế độ Combustion đối với carbon, nitrogen và sulfur

Ví dụ: ⸹13C => CO₂; ⸹15N => N₂; ⸹34S => SO₂

Chế độ Pyrolysis đối với hydrogen và oxygen

Ví dụ: ⸹²H => H₂; ⸹¹⁸O => CO

• Đây chính là nguyên lý của hệ PyroEArth của Sercon.

Bước 3: Loại bỏ các khí không mong muốn (Trap System)

Sau khi đốt hoặc nhiệt phân, hỗn hợp khí tạo thành rất phức tạp

Ví dụ: CO₂, N₂, H₂O, NO_x, SO₂, O₂ dư

Vì vậy hệ thống sử dụng của bẫy hấp phụ (Traps) để loại bỏ:

• Hơi nước
• Oxy dư
• Các khí gây nhiễu

Bước 4: Tách khí (Gas Separation)

Sau khi làm sạch, các khí tiếp tục đi qua cột sắc ký.

• Tách hoàn toàn từng khí trước khi đưa vào IRMS

Ví dụ: N₂ => CO₂ => SO₂ được tách thành các peak riêng biệt

Nhờ đó hệ thống có thể đo chính xác từng nguyên tố.

Bước 5: Interface – Cầu nối với IRMS

Bộ phận này có nhiệm vụ:

• Điều chỉnh áp suất
• Điều chỉnh lưu lượng khí
• Pha loãng tín hiệu khi cần thiết (Dilution)

Môt số mẫu có hàm lượng carbon hoặc nitrogen rất cao

• Hệ thống dilution sẽ tự động pha loãng khí để giữ tín hiệu nằm trong vùng tuyến tính của detector.

Bước 6: Nguồn ion hóa (Ion source)

IRMS không thể phân tích trực tiếp các phân tử khí trung hòa. Vì vậy, bước đầu tiên bên trong máy IRMS là chuyển các phân tử khí thành ion mang điện tích dương.

Trong hệ Sercon HS2022, nguồn ion sử dụng thiết kế Nier-Type Electron Impact Ion Source.

Nguyên lý hoạt động:

Các electron năng lượng cao va chạm với phân tử khí và tạo thành ion dương.

Ví dụ: CO₂ => CO₂⁺; N₂ => N₂⁺; SO₂ => SO₂⁺

Các ion sau đó được hội tụ thành một chùm ion ổn định và gia tốc về phía bộ phân tích khối lượng.

Bước 7: Tách đồng vị bằng từ trường (Magnetic analyzer)

Sau khi mẫu được chuyển thành khí và ion hóa, các ion sẽ được đưa vào bộ phân tích khối lượng sử dụng từ trường (Magnetic Sector).

Do các đồng vị có khối lượng khác nhau nên khi đi qua từ trường, chúng sẽ bị lệch theo các quỹ đạo khác nhau. Điều này cho phép hệ thống tách riêng từng đồng vị để đo tín hiệu một cách độc lập.

Ví dụ với khí CO₂:

Các ion có m/z 44, 45 và 46 sẽ được tách riêng và dẫn tới các detector tương ứng

Bước 8: Phát Hiện Ion Bằng Hệ Detector Faraday Cup

Một trong những ưu điểm lớn nhất của IRMS là khả năng đo đồng thời nhiều chùm ion.

Hệ thống sử dụng các detector chuyên dụng gọi là Faraday Cup Collectors để thu nhận tín hiệu ion. Mỗi Faraday Cup được đặt tại một vị trí cố định tương ứng với một giá trị m/z nhất định.

Ví dụ: Các ion có m/z 44, 45 và 46 được ghi nhận cùng lúc bởi các Faraday Cup khác nhau.

Điều này giúp loại bỏ ảnh hưởng của:

• Dao động nguồn ion
• Thay đổi áp suất khí
• Phát hiện sai lệch tín hiệu theo thời gian

Nếu đo tuần tự từng ion, những biến động này sẽ tạo ra sai số đáng kể.

Bước 9: Tính toán tỷ lệ đồng vị và so sánh với chuẩn quốc tế

Trong đó:

• R_sample là tỷ lệ đồng vị của mẫu
• R_standard là tỷ lệ đồng vị của chuẩn quốc tế

Kết quả được biểu diễn bằng đơn vị phần nghìn (‰).

Bước 10: Chuẩn hóa kết quả và hiệu chuẩn

Để đảm bảo độ chính xác, mỗi phép đo IRMS đều phải sử dụng các vật liệu chuẩn quốc tế.

Các giá trị này được sử dụng để:

• Truy xuất nguồn gốc thực phẩm.
• Nghiên cứu môi trường.
• Đánh giá chu trình sinh địa hóa.
• Nghiên cứu biến đổi khí hậu.
• Xác định nguồn ô nhiễm.
• Nghiên cứu thủy văn đồng vị.
• Kiểm soát chất lượng sản phẩm.

3. Vì Sao IRMS Là Tiêu Chuẩn Vàng Trong Phân Tích Đồng Vị?

IRMS được xem là tiêu chuẩn vàng nhờ sự kết hợp của nhiều yếu tố:

✓ Nguồn ion ổn định.

✓ Bộ phân tích từ trường có độ phân giải cao.

✓ Hệ detector Faraday Cup có độ tuyến tính vượt trội.

✓ Khả năng đo đồng thời nhiều đồng vị.

✓ Hệ thống chuẩn hóa theo các chuẩn quốc tế.

Nhờ đó, IRMS có thể phát hiện những khác biệt rất nhỏ trong tỷ lệ đồng vị, mở ra khả năng nghiên cứu mà các kỹ thuật phân tích thông thường không thể thực hiện được.

———————————————————————————————————–

Quý khách hàng cần hỗ trợ tư vấn sản phẩm Sercon, liên hệ VIỆT NGUYỄN.