동위원소비 적외선 분광법(IRIS)을 이용한 물 안정동위원소 분석

Abstract

물의 <TEX>$^{18}O/^{16}O$</TEX>와 <TEX>$^2H/H$</TEX> 조성을 레이저를 이용하여 분석하는 기술은 기존의 IRMS를 이용한 분석방식에 비해 간편한 시료 전처리, 쉬운 장비 유지보수와 현장에서도 응용이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 현재 사용되는 레이저 방식을 이용한 물의 안정동위원소 분석은 분석원리에 따라 OA-ICOS(Off-Axis Integrated Cavity Output Spectroscopy)를 이용한 방식과 WS-CRDS(Wavelength-Scanned Cavity Ring-Down Spectroscopy)를 이용한 방식으로 구분된다. WS-CRDS 방식은 기화된 물 시료를 질소 가스를 이용해 광학 공동(optical cavity)로 이동시킨 후 특정 파장에서의 동위원소체가 가지고 있는 흡수도와 레이저를 투과시켜 광학 공동을 투과하여 나오는 레이저 신호의 감쇠시간의 비측정을 통해 수 ppb에서 수십 ppt까지의 감도로 물의 안정동위원소 조성이 측정 가능하다. 이 연구에서는 WS-CRDS 방식의 분석원리와실제 물시료를 활용하여 기기의 안정성과 동위원소비 질량분석기(Isotope Ratio Mass Spectrometry; IRMS) 방법과의 교차분석을 포함한 기기 성능평가 결과를 소개하고 수리학 분야에서 다양한 주제에 대한 적용 가능성을 제시하였다. Recently, stable isotopes (<TEX>${\delta}^{18}O$</TEX> and <TEX>${\delta}D$</TEX>) of water are increasingly analyzed using laser-based technologies. These methods have advantages over Isotope Ratio Mass Spectrometry (IRMS) in that they can be used for in-situ measurements and require much less maintenance and preparation work. Two types of laser-based methods are currently available, which have different analytical principles; OA-ICOS (off-axis integrated cavity output spectroscopy) and WS-CRDS (wavelength-scanned cavity ring-down spectroscopy). In the WS-CRDS instrument, water is vaporized at controlled environment and transferred to an optical cavity by nitrogen carrier gas, and stable isotopic compositions of water vapor are measured using the degree of absorbance of specific wavelengths and the ratios of attenuation time of the laser intensity with the sensitivity of ppb to tens of ppt level. In this study, we introduce the principle of the WS-CRDS technology and the performance results including stability and comparisons with Isotope Ratio Mass Spectrometry (IRMS) and suggest possible applications of various topics in isotope hydrology.