ИСП-МС для анализа микроэлементного и изотопного состава морских вод.
Изучение состава следовых элементов и изотопов в морской воде играет ключевую роль в современных океанографических и геохимических исследованиях. Такие данные позволяют ученым глубже понять процессы формирования океанических водных масс, пути их перемещения, а также взаимодействие океана с континентами и мантией Земли.
Особое значение в этих исследованиях имеет стронций (Sr), изотопный состав которого служит чувствительным индикатором геологических и климатических процессов. Анализ отношений изотопов стронция применяется для реконструкции эволюции океана, датирования осадочных пород и оценки вклада различных источников вещества. Для получения достоверных результатов требуется высокоточное аналитическое оборудование, способное определять микроэлементный и изотопный состав на уровне следовых концентраций.
Исследование Sr в Мировом океане
Изотопный состав стронция в океанической воде формируется в результате смешения нескольких источников Sr, обладающих различными изотопными характеристиками:
- Континентальные породы – реки, ледники и ветровой перенос вымывают стронций с высоким отношением ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr. Сегодня это значение составляет примерно 0,7116.
- Базальты срединно-океанических хребтов и породы океанического дна – при их разрушении Sr поступает с низким отношением ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr (0,7037).
- Морские карбонаты – при перекристаллизации выделяется Sr со средним изотопным составом 0,7084.
Поскольку время пребывания стронция в морской воде на три порядка превышает время полного перемешивания океанических вод, изотопный состав Sr успевает полностью усредниться до его фиксации в осадках. В настоящее время отношение ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr в водах Мирового океана составляет 0,70917.
Изменение баланса между континентальными и мантийными потоками отражается в изотопном составе Sr Мирового океана, что позволяет ученым определять возраст осадочных пород и прослеживать геологические процессы на вариационной кривой. Минимумы кривой совпадают с периодами растяжения земной коры и повышенной плюмовой активности, а максимумы – с периодами усиленной эрозии континентов.
Изотопный состав стронция океанических и морских вод чаще всего изучается по донным осадкам или раковинам моллюсков, отобранным на побережьях. Детальные исследования поведения Sr и микроэлементов непосредственно в морской воде остаются весьма ограниченными.
Целью настоящего исследования было определение разницы в микроэлементном и изотопном составе придонных и приповерхностных вод Тихого океана. Образцы были отобраны с глубин 1,1 – 2,6 км, а также из приповерхностного слоя (глубина 10 метров) при помощи автоматического аппарата. Регион отбора – Северный сегмент Центральной Пацифики, а именно в непосредственной близости от подводных гор Коко, Дзингу, Нинтоку и Суйко.
Определение микроэлементного состава методом ИСП-МС
Измерения проводились в чистых помещениях класса 10 000. Пробы объемом 5 мл помещались в полипропиленовые пробирки, к ним добавляли:
- 100 мкл раствора In (внутренний стандарт, 1 мг/л)
- 150 мкл 14 М HNO₃
Раствор доводили до 10 мл ультрачистой водой, обеспечивая концентрацию HNO₃ 3% (об./об.). Калибровка проводилась с использованием многоэлементных стандартных растворов. Для количественного определения изотопов широкого спектра элементов от Li до U использовался квадрупольный масс-спектрометр.
Концентрирование проб Sr и ионообменная хроматография
Объем пробы воды, содержащей приблизительно 600 нг Sr, помещали в бюксы из PFA и выпаривали досуха на нагревательной плите при температуре 120 °C. Полученный остаток растворяли в 0,5 мл 7 М HNO₃, переносили в микропробирку и центрифугировали при 6000 об/мин в течение 15 мин с использованием центрифуги.
Для выделения стронция применялась одностадийная хроматографическая методика. Смола SR загружалась в предварительно очищенные колонки со следующей конфигурацией слоя: D = 0,7 см, h = 3 см, V = 1,15 мл.
Экстракционный протокол включал предварительное кондиционирование смолы 5 мл 7 М HNO₃ с последующим элюированием матрицы последовательными порциями 1 мл 7 М HNO₃, 4 мл 7 М HNO₃ и 2 мл 0,05 М HNO₃. Элюирование Sr осуществлялось в 3 мл 0,05 М HNO₃. Полученный раствор выпаривали досуха и затем переводили в 3% HNO₃ (об./об.) для последующего измерения изотопных отношений.
Изотопный анализ стронция
Изотопные измерения проводились в Институте геологии и геохимии им. академика А.Н. Заварицкого УрО РАН. Изотопный анализ Sr выполнялся с использованием квадрупольного масс-спектрометра с индуктивно связанной плазмой и системой ввода образца ASX-110 FR.
Каждое индивидуальное измерение включало регистрацию 91 изотопного отношения при времени интеграции 8 с и предварительном измерении фона в течение 30 с перед каждым блоком из 13 отношений. Коррекция холостого сигнала осуществлялась по раствору 3% HNO₃ (об./об.) с регистрацией 20 отношений при времени интеграции 8 с.
Для коррекции массовой дискриминации использовалась комбинация экспоненциальной нормализации и метода брекетинга. Отношение ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr нормировалось по значению ⁸⁸Sr/⁸⁶Sr = 8,37861. Дополнительно проводилась коррекция изобарных помех с учетом вкладов ⁸⁶Kr и ⁸⁷Rb с использованием соотношений ⁸³Kr/⁸⁶Kr = 0,664162, ⁸³Kr/⁸⁴Kr = 0,201579 и ⁸⁷Rb/⁸⁵Rb = 0,386 (также нормированных).
Нормированные значения дополнительно корректировались по среднему отклонению значений стандарта SRM-987, измеряемого в режиме брекетинга через каждые две пробы, относительно референтного значения 0,710245.
Для контроля аналитической процедуры стандарт SRM-987 регулярно измерялся, при этом получено значение ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr = 0,710261 ± 20 (2SD, N = 257). Точность метода оценивалась как внутрилaбораторная стандартная неопределенность (2σ), полученная для SRM-987, и составляла 0,003%. Прецизионность каждого индивидуального результата (1 SE) при измерении проб не превышала 25 ppm.
Современное решение для анализа микроэлементов SUPEC 7000
Анализ микроэлементного и изотопного состава морских вод, донных осадков и биологических объектов может быть выполнен с использованием квадрупольного масс-спектрометра с индуктивно связанной плазмой SUPEC 7000. Прибор разработан для высокочувствительного многоэлементного анализа и обеспечивает надежное определение концентраций и изотопных отношений в широком диапазоне элементов.
Ключевые возможности спектрометра SUPEC 7000
- Широкий элементный диапазон — определение микроэлементов и изотопов Sr, Li, Be, Ti, Zn, Pb и других элементов от легких до тяжелых.
- Высокая точность и прецизионность измерений — воспроизводимость результатов на уровне до 25 ppm.
- Эффективность и удобство эксплуатации — прибор адаптирован для анализа водных проб, донных осадков, биологических материалов и других веществ.
- Продуманная конструкция и инженерные решения повышают стабильность измерений, упрощают обслуживание и обеспечивают надежную работу прибора.
Использование SUPEC 7000 позволяет получать достоверные данные о распределении микроэлементов и изотопов в морской среде и существенно повышает информативность океанографических и геохимических исследований.
Заключение
В результате было установлено, что концентрация микроэлементов (в том числе редкоземельных элементов) в пробах тихоокеанской воды выше, чем в стандартной атлантической морской воде IAPSO. Распределение и взаимные корреляции элементов, участвующих в биохимических процессах, указывают на активную роль планктона в накоплении этих элементов, а также на увеличение его количества с повышением температуры воды. Выявлено, что проникновение дождевой воды и разбавление очень значительны: они довольно сильно выражены на глубине 10 м от поверхности как на химическом, так и на изотопном уровне Sr. Вероятно, вертикальное движение вещества играет важную роль в этом процессе, поскольку пробы, отобранные в периоды без осадков более однородные.
Результаты исследования подтверждают, что изотопный состав Sr в водах океана является чувствительным маркером геохимических процессов и может быть использован для прослеживания динамических процессов перемешивания водных масс и путей их миграции. Для анализа изотопного состава Sr и других элементов применяются современные аналитические приборы, такие как квадрупольный масс-спектрометр с индуктивно связанной плазмой SUPEC 7000, обеспечивающий высокую точность, стабильность и воспроизводимость результатов. Использование такого оборудования позволяет существенно повысить эффективность лабораторных и прикладных океанографических исследований.
Квадрупольный ИСП-МС SUPEC 7000 можно приобрести в компании «Группа Ай-Эм-Си». Наши специалисты обеспечивают профессиональный подбор приборов, техническую поддержку, методическое сопровождение и сервисное обслуживание, что гарантирует стабильную работу оборудования и высокое качество аналитических данных на всех этапах исследований.
Автор: Вишневская Ирина Андреевна, к.г.-м.н., ведущий специалист по ТИМС ООО «Группа Ай-Эм-Си».
Получить консультацию и оставить заявку на масс-спектрометр с индуктивно связанной плазмой SUPEC 7000 вы можете по телефону, электронной почте или на сайте ООО «Группа Ай-Эм-Си».