Nghiên cứu áp dụng kỹ thuật pha loãng đồng vị kết hợp chuẩn nội và chuẩn ngoại để xác định chính xác hàm lượng các nguyên tố đất hiếm bằng ICP-MS

Nhóm nguyên tố đất hiếm - REE là một nhóm bao gồm 15 nguyên tố từ La đến Lu (ngoại trừ Promethium - Pm, có số thứ tự là 61 là nguyên tố phóng xạ), có số thứ tự từ 57 đến 71 trong bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleev. Do đó, thông thường khi đề cập đến nhóm đất hiếm REE, người ta hiểu rằng chúng bao gồm 14 nguyên tố: La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb và Lu mà không bao gồm Pm. Với sự phát triển khoa học và công nghệ, các nguyên tố REEs ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành khoa học kỹ thuật khác nhau và nhu cầu về đất hiếm ngày càng tăng. Trong công nghiệp, REEs được ứng dụng trong công nghệ sản xuất cáp quang, chế tạo nam châm vĩnh cửu trong các máy phát điện, sản xuất chất bán dẫn, làm chất xúc tác trong công nghệ hóa dầu, ứng dụng trong công nghệ laser, v.v... Trong nông nghiệp, REEs được ứng dụng trong các quy trình sản xuất phân bón vi lượng, xử lý hạt giống nhằm tăng năng suất cây trồng và kháng sâu bệnh. Trong khoa học, với các đặc tính hóa, lý tương tự nhau, REEs được xem như là “chất đánh dấu” tự nhiên và được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu các quá trình tự nhiên như sự hình thành, nguồn gốc và quá trình tiến hóa của vật chất trong các hành tinh trong hệ mặt trời cũng như các quá trình địa chất trên trái đất, v.v... Do đó, việc xác định chính xác hàm lượng của REEs trong các đối tượng mẫu khác nhau là rất quan trọng.

Ở Việt Nam, việc sử dụng phương pháp khối phổ kế cảm ứng plasma (Inductively coupled plasma mass spectrometry - ICP-MS) để xác định các nguyên tố đất hiếm (rare earth elements - REEs) trong các đối tượng mẫu khác nhau đã được nghiên cứu và ứng dụng từ những năm đầu của thế kỷ 21. Tuy nhiên, nhằm mục tiêu cải tiến và hoàn thiện qui trình phân tích các nguyên tố đất hiếm (REEs) bằng việc khắc phục các hạn chế của các đề tài đã thực hiện trong nước trong thời gian qua cũng như áp dụng những tiến bộ trên thế giới trong những năm gần đây vào điều kiện thực tế của Việt Nam, nhóm nghiên cứu do TS. Cao Đông Vũ, Viện Nghiên cứu Hạt Nhân, Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam, đứng đầu đã đề xuất thực hiện đề tài: “Nghiên cứu áp dụng kỹ thuật pha loãng đồng vị kết hợp chuẩn nội và chuẩn ngoại để xác định chính xác hàm lượng các nguyên tố đất hiếm bằng ICP-MS”. Các giải pháp đưa ra là kết hợp đồng thời nhiều kỹ thuật trong phân tích hóa học như: chuẩn nội, chuẩn ngoại và pha loãng đồng vị cùng với nghiên cứu hiệu chỉnh triệt để các yếu tố gây nhiễu khối trong quy trình xác định REE bằng thực nghiệm.

Sau hơn một năm thực hiện, đề tài đã cơ bản hoàn thành các mục tiêu đề ra, cụ thể:

Một tổ hợp gồm 3 phương pháp phân tích: nội chuẩn, ngoại chuẩn và pha loãng đồng vị lần đầu tiên được nghiên cứu áp dụng thành công tại Việt Nam để phân tích đồng thời 14 nguyên tố đất hiếm trong các mẫu chuẩn địa chất có nền là đá basalt và đất trên thiết bị ICP-MS với độ lặp lại và độ chính xác rất cao. Cụ thể: độ lặp lại đạt được là: < 2% đối với 2 mẫu chuẩn có nền là đá basalt BHVO-2 và BCR-2; và < 5% đối với mẫu chuẩn có nền là đất NIST 2711a. Độ lệch của kết quả phân tích (độ chính xác) so với các giá trị được chứng nhận và giá trị tài liệu là: < 7% đối với 2 mẫu BHVO-2 và BCR-2; và < 12% đối với mẫu NIST 2711a (ngoại trừ đối với Lu giá trị này là 17,7%). Sai số tích lũy của kết quả phân tích là ≤ 10%, ngoại trừ đối với Tm, Yb và Lu trong mẫu NIST 2711a là ≤ 13%. Đối với dạng mẫu địa chất có nền là đá basalt, quy trình phân tích REE được đề xuất qua nghiên cứu này cho kết quả phân tích có độ chính xác tương đương với số liệu phân tích từ các phòng thí nghiệm trên thế giới sử dụng cùng phương pháp phân tích.

Quy trình phân tích REE trong mẫu địa chất được đề xuất qua nghiên cứu này đã được cải tiến một cách toàn diện và khắc phục được hầu hết các hạn chế mà các nghiên cứu trong nước trước đây gặp phải, cụ thể: (1) Nghiên cứu áp dụng thành công phương pháp pha loãng đồng vị; (2) Sử dụng tối ưu chuẩn nội cho quy trình phân tích REE (In và Tl) cho dãy khối từ 115 đến 205; (3) Hiệu chỉnh triệt để nhiễu phổ khối bằng thực nghiệm; (4) Cải thiện đáng kể độ chính xác của kết quả phân tích: độ lặp lại là < 5%; độ chính xác < 10% cho tất cả kết quả phân tích; (5) Giới hạn phát hiện định tính (LOD), định lượng (LOQ) và tổng lượng đóng góp của mẫu trắng quy trình (PB) đã được đánh giá một cách đầy đủ và tường minh. Ngoài ra, quy trình phân tích xây dựng qua đề tài này có thể áp dụng được cho hầu hết các dạng mẫu như trầm tích, sinh học, khảo cổ, thiên thạch, v.v.., ngoại trừ thủ tục phá mẫu và hệ số pha loãng là có thể khác đối với từng loại mẫu cụ thể.

Trong nghiên cứu này, ba phương pháp phân tích nội chuẩn (Internal Standardization - IS); ngoại chuẩn (External Calibration - EC); và pha loãng đồng vị (Isotope Dilution - ID) được nghiên cứu và áp dụng đồng thời để xác định chính xác hàm lượng của 14 nguyên tố đất hiếm REEs trong ba mẫu chuẩn địa chất: BHVO-2, BCR-2 và NIST 2711a bằng ICP-MS. Các thí nghiệm hiệu chuẩn trong kỹ thuật ID như hiệu chuẩn hàm lượng và độ phổ biến đồng vị tương đối của các dung dịch spike đã được tiến hành bằng thực nghiệm. Bên cạnh đó, nhiễu phổ khối, phân đoạn khối trong ICP-MS cũng được khảo sát, hiệu chỉnh và bình luận. Kết quả thu được có độ chính xác (< 10%) và độ lặp lại (< 5%) là rất tốt. Quy trình được đề xuất qua nghiên cứu này có thể áp dụng được cho hầu hết các dạng mẫu như trầm tích, sinh học, khảo cổ, thiên thạch, v.v.., ngoại trừ thủ tục phá mẫu và hệ số pha loãng là khác nhau đối với từng loại.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 16553/2019) tại Cục Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia.

P.T.T (NASATI)