เครื่องวิเคราะห์ไอโซโทปของน้ำ

วิเชียร รตนธงชัย
กลุ่มวิจัยและพัฒนานิวเคลียร์
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

น้ำเป็นส่วนประกอบที่สำคัญของสิ่งมีชีวิต และเป็นสิ่งที่เราพบเห็นทั่วไปในชีวิตประจำวัน ซึ่งมีทั้งสถานะที่เป็นของแข็ง ของเหลว และแก๊ส น้ำที่เรานำมาใช้งานส่วนใหญ่อยู่ในสถานะของเหลว พื้นผิวโลก 71% ปกคลุมด้วยน้ำประมาณ 1 360 000 000 ลูกบาศก์กิโลเมตร (km3) โดยเป็นน้ำในมหาสมุทรประมาณ 1 320 000 000 km3 (97.2%) เป็นพืดน้ำแข็ง (ice cap/sheet) และธารน้ำแข็ง (glacier) 25 000 000 km3 (1.8%) เป็นน้ำใต้ดิน 13 000 000 km3 (0.9%) เป็นน้ำจืดในแม่น้ำและทะเลสาบ 250 000 km3 (0.02%) และเป็นไอน้ำในอากาศ 13 000 km3 (0.001%) น้ำมีการเคลื่อนที่เป็นวัฏจักร โดยมีการระเหยเป็นไอขึ้นไปในอากาศ ตกลงมาบนพื้นโลก แล้วไหลกลับลงไปในทะเล ประมาณ 36 เทระตัน (Tt) ต่อปี [1]

น้ำมีสูตรโมเลกุลเป็น H2O ประกอบด้วยไฮโดรเจน 2 อะตอม กับออกซิเจน 1 อะตอม ไฮโดรเจนมีไอโซโทปเสถียร 2 ไอโซโทป ได้แก่ โปรเทียม (protium : 1H) 99.985% กับ ดิวเทอเรียม (Deuterium : 2H) 0.015% ส่วนออกซิเจน ประกอบด้วยไอโซโทปเสถียร 3 ไอโซโทปได้แก่ 16O (99.759%) 17O (0.037%) และ 18O (0.204%

โมเลกุลของน้ำส่วนใหญ่ประกอบด้วยไอโซโทปที่เบากว่าของออกซิเจน (16O) กับไฮโดรเจน (H) ได้แก่ H216O (มวล=18) ขณะที่น้ำบางส่วนประกอบด้วยไอโซโทปที่หนักกว่าของไฮโดรเจน (2H หรือ D) และออกซิเจน (18O) โดยอาจจะอยู่ในรูป HD16O (มวล=19) H218O (มวล=20) หรือ HD18O (มวล=21) ซึ่งมีมวลมากกว่าน้ำส่วนใหญ่ มวลที่แตกต่างกันนี้ จะทำให้โมเลกุลของน้ำที่เบา ผ่านกระบวนการระเหยเป็นไอได้ดีกว่า ขณะที่น้ำที่มีมวลหนักกว่าจะกลั่นตัวเป็นน้ำได้ดีกว่า แหล่งน้ำแต่ละแห่งจึงมีสัดส่วนของไอโซโทปไฮโดรเจนกับออกซิเจนไม่เท่ากัน และสามารถนำข้อมูลของไอโซโทปในน้ำมาวิเคราะห์หาที่มาของแหล่งน้ำได้

การวิเคราะห์ไอโซโทปของธาตุส่วนใหญ่ใช้เทคนิค Isotope Ratio Mass Spectrometry ซึ่งใช้อุปกรณ์ที่มีราคาสูงและต้องการการบำรุงรักษาสูง แต่การที่ไอโซโทปในน้ำมีมวลที่แตกต่างกันอย่างชัดเจน ทำให้มีสมบัติการดูดกลืนแสงเลเซอร์ที่แตกต่างกัน จนสามารถใช้เทคนิคสเปกโทรสโกปีเลเซอร์ (Laser Spectroscopy) มาวิเคราะห์สัดส่วนของไอโซโทปแต่ละชนิดในน้ำได้

เครื่องวิเคราะห์สัดส่วนไอโซโทปของน้ำด้วยแสงเลเซอร์ ประกอบด้วย 2 ส่วน ส่วนแรกทำหน้าที่ดูดตัวอย่างน้ำอัตโนมัติ (Autosampler) ครั้งละ 1 ไมโครลิตร ซึ่งบรรจุในขวดขนาด 1 มิลลิลิตร ส่งไปยังส่วนที่สอง ที่เป็นระบบวิเคราะห์การดูดกลืนแสงเลเซอร์ เครื่องวิเคราะห์ไอโซโทปของน้ำสามารถทำงานแบบอัตโนมัติ โดยดูดตัวอย่างน้ำ เพื่อวัดซ้ำตัวอย่างละ 6 ครั้ง ใช้เวลาในการวัดตัวอย่างละ 246 วินาที ผลการวัดจะบันทึกเก็บไว้ในไฟล์ ซึ่งรายงานข้อมูลอุณหภูมิของเครื่องวัด จำนวนโมเลกุลน้ำต่อปริมาตรของตัวอย่าง สัดส่วน HDO/H2O สัดส่วน H218O/ H2O สัดส่วน D/H และสัดส่วน 18O/16O

สัดส่วนไอโซโทปไฮโดรเจนและออกซิเจนในตัวอย่างน้ำ สามารถหาได้โดยการคำนวณเทียบกับสารมาตรฐาน โดยรายงานผลการวิเคราะห์เป็นค่าของเดลตา (δ) คือ δ (2H) และ ?δ?(18O) ในหน่วย permil (?) ซึ่งมีค่าเป็นลบ เนื่องจากมีปริมาณน้อยกว่าสารมาตรฐาน

ผลการวิเคราะห์ค่าเดลตาของไอโซโทป 18O และ 2H ในตัวอย่างน้ำ

เอกสารอ้างอิง

[1] www.usgs.gov

หมายเหตุ
บทความนี้เป็นข้อมูลจากการฝึกอบรมหลักสูตร Installing and Using the Los Gatos Research Laser Instrument for Water Stable Isotope Analysis, 10-14 December 2007, IAEA, Vienna, Austria.