ห้องปฏิบัติการวิเคราะห์ไอโซโทปเสถียร (Stable Isotope Laboratory)
เครื่องมือ : เครื่อง Isotopic Water Analyzer (Picarro L-2130i; Cavity Ring-Down Spectroscopy)
วัตถุประสงค์ : เพื่อวิเคราะห์อัตราส่วนดิวเทอเรียม (2H/H) และอัตราส่วนออกซิเจน 18 (18O/16O) ในน้ำ
สถานที่ : สทน.องครักษ์ นครนายก
ชื่อผู้ติดต่อ : นางสาวพัชรียา จันทร์เรือง นายเฉลิมพงษ์ โพธิ์ลี้ และนายเกียรติพงษ์ คำดี
หลักการ
น้ำเป็นทรัพยากรที่มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อสิ่งมีชีวิตเป็นอย่างยิ่งทั้งพืช และสัตว์ล้วนต้องการน้ำเพื่อใช้ในการดำรงชีวิตเป็นอย่างมาก ซึ่งน้ำเป็นองค์ประกอบที่มีมากที่สุดในโลก ทั้งที่อยู่ในรูปของน้ำจืด และน้ำเค็ม โดยมนุษย์ใช้น้ำจืดในการอุปโภค และบริโภค ดังนั้นน้ำจืดจึงมีความจำเป็นอย่างยิ่งต่อสิ่งมีชีวิตทั้งหมดที่อยู่บนโลก ซึ่งน้ำจืดนั้นประกอบไปด้วยน้ำผิวดิน น้ำใต้ดิน และน้ำที่อยู่ในน้ำแข็ง เป็นต้น ดังนั้นการบริหารจัดการทรัพยากรน้ำจึงมีความจำเป็นอย่างยิ่งเพื่อให้การใช้น้ำมีประสิทธิภาพ และยั่งยืนตลอดไป โดยการประยุกต์ใช้เทคนิคไอโซโทปเปรียบเสมือนลายพิมพ์นิ้วมือของน้ำโดยในน้ำแต่ละที่ จะมีค่าที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ความใกล้ไกลทะเล ความสูงต่ำของพื้นที่ซึ่งปัจจัยเหล่านี้จะทำให้ค่าไอโซโทปเสถียรมีความแตกต่างกัน จึงได้นิยมนำเทคนิคไอโซโทปมาช่วยสนับสนุนเทคนิคทั่วไปในการประเมินแหล่งที่มาของน้ำบาดาล ตลอดจนการหาแหล่งที่มาของสารปนเปื้อนในน้ำบาดาล เพื่อจะได้แก้ไขปัญหาคุณภาพของน้ำให้ประชาชนได้มีการใช้น้ำอย่างปลอดภัย
ไอโซโทปเสถียร ที่นิยมใช้ในงานวิจัยทางด้านอุทกวิทยา ได้แก่ Deuterium Oxygen-18 และ Carbon-13 เป็นต้น ซึ่งไอโซโทปเหล่านี้จะถูกวัดด้วยเครื่อง Isotope Ratio Mass Spectrometer หรือ เครื่อง Laser Water Isotope Analyzer ซึ่งแสดงในรูปของ delta (δ) ได้มาจากสมการดังต่อไปนี้
δ = (Rs – Rstd)/ Rstd
โดยที่ Rs คือ อัตราส่วนของไอโซโทปของตัวอย่าง (D/H, 18O/16O, 13C/12C) และ Rstd คือ อัตราส่วนไอโซโทปของสารมาตรฐาน (D/H, 18O/16O, 13C/12C) โดยหน่วยของ δ คือ 1 ใน 1000 (‰) ที่แตกต่างจากสารมาตรฐาน โดยสารมาตรฐานของน้ำ (δ2H และ δ18O) เกือบจะทั่วโลกที่ใช้ คือ SMOW (Standard Mean Ocean Water) โดยสารมาตรฐานนี้อ้างอิงกับสมมุติฐานของค่าอัตราส่วนไอโซโทปเสถียรของ δ2H และ δ18O ที่เข้าใกล้ค่าเฉลี่ยของน้ำทะเล ต่อมาก็ได้เตรียมสารมาตรฐานขึ้นมาใหม่ คือ VSMOW (Vienna Standard Mean Ocean Water) โดยที่ค่า δ18O มีค่าใกล้เคียงกับสารมาตรฐานตัวเดิม แต่ค่า δ2H ต่ำกว่า 0.2 ‰ โดยค่าทั้งสองให้ค่าการวัดที่มีความถูกต้อง 1.0 ‰ และ 0.2‰ สำหรับ δ2H และ δ18O ตามลำดับ
การเก็บตัวอย่าง
การเก็บตัวอย่างไอโซโทปเสถียรเป็นวิธีที่ง่ายไม่ต้องกรองตัวอย่างหรือหยดกรดเพื่อรักษาตัวอย่าง โดยใช้ตัวอย่างปริมาณ 50 มิลลิลิตร ในขวด Double capped, ขวดแก้ว หรือ ขวดโพลีเอทิลีน ซึ่งตัวอย่างจะเก็บจากภาชนะที่บรรจุน้ำอยู่เต็ม บันทึกรายละเอียดตัวอย่างลงในขวดเก็บตัวอย่าง ต้องแน่ใจว่าขวดเก็บตัวอย่างนั้นปิดแน่น ไม่มีฟองอากาศอยู่ในขวด ในระหว่างการเก็บตัวอย่าง การดูแลรักษา และการขนย้ายตัวอย่างไปห้องปฏิบัติการ ต้องเอาใจใส่ให้มากๆ เพื่อหลีกเลี่ยงการระเหยของตัวอย่าง
วิธีการวิเคราะห์
การวิเคราะห์ไอโซโทปเสถียรในน้ำ อาศัยหลักการ การส่งผ่านความเข้มแสงจากต้นกำเนิดแสง laser เข้าไปภายใน chamber ซึ่งจะมีกระจกสะท้อนแสงกลับไป-มา มากกว่า 100,000 ครั้ง หรือระยะทางการเคลื่อนที่ของแสงจะมากกว่า 20 กิโลเมตร ภายใน chamber ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 25 เซนติเมตร โดยค่าความเข้มแสงที่จะลดลงจากการที่แสงสะท้อนกระจกกลับไปมาซึ่งเกิดการ leak ของแสงจนความเข้มเข้าใกล้ศูนย์ในรูปของฟังก์ชัน exponential หรือในรูปของการ decay และเมื่อมีการตัวกลางที่อยู่ระหว่างกระจกสะท้อนจะทำให้เกิดการดูดกลืนความเข้มของแสงทำให้เวลาในการ decay ของแสงนั้นสั้นลง ซึ่งจากหลักการดังกล่าวนี้ไอน้ำที่มีไอโซโทปและมวลแตกต่างกัน จะมีคุณสมบัติการดูดกลืนแสงเลเซอร์ที่แตกต่างกัน จึงใช้เทคนิคเลเซอร์สเปกโทรสโกปี (Laser Spectroscopy) มาวิเคราะห์สัดส่วนของไอโซโทปแต่ละชนิดในน้ำได้ โดยเครื่องวัดจะดูดตัวอย่างที่เป็นของเหลว (ปริมาณน้อยมาก ๆ ไม่เกิน 2 uL) เข้าไปในตัวเครื่อง จากนั้นจะเปลี่ยนน้ำจากสถานะของเหลวให้กลายเป็นไอน้ำ (สถานะแก๊ส) ที่อุณหภูมิ 110 °C ไอน้ำจะเคลื่อนที่เข้าไปใน chamber ซึ่งเป็นระบบสุญญากาศ สัญญานแสงเลเซอร์ที่ความค่าความยาวคลื่นใกล้เคียงย่านอินฟาเรด จะส่งผ่านเข้ามาใน chamber จากนั้นหัววัดวัดค่าความเข้มของแสงเทียบกับเวลาที่ ซึ่งแสดงได้จากรูปด้านล่าง
รูปแสดงความสัมพันธ์ระหว่างสัญญานความเข้มของแสงที่ลดลงเมื่อเทียบกับเวลา โดยเส้นสีน้ำเงินแสดงถึงสัญญานความเข้มของแสงที่ไม่ถูกดูดกลืนโดยโมเลกุลของน้ำ ส่วนสีเขียวแสดงถึงสัญญานความเข้มของแสงที่เคลื่อนที่ผ่านโมเลกุลของน้ำ (https://www.picarro.com/company/technology/crds)
ค่าที่เครื่องรายงานออกมาจะแสดงเป็นอัตราส่วนของดิวเทอเรียมต่อไฮโดรเจน (2H/1H) และอัตราส่วนของ ออกซิเจน-18 ต่อ ออกซิเจน-16 (18O/16O) โดยการคำนวณเทียบกับสารมาตรฐาน โดยรายงานผลการวิเคราะห์เป็นค่าของเดลตา (δ) คือ δD (2H) และ δ18O ในหน่วย ‰ (permil)
จัดทำโดย: พัชรียา จันทร์เรือง
update: พฤศจิกายน 2562