Stanovení 14 C s využitím urychlovačové hmotnostní spektrometrie Radek Černý 1,3, Ivo Světlík 1, Michal Fejgl 2,1 1 Ústav jaderné fyziky AV ČR, v.v.i., Oddělení dozimetrie, Praha 2 Státní ústav radiační ochrany, v.v.i., Praha 3 Katedra dozimetrie a ionizujícího záření, Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská, ČVUT v Praze, Praha Kromě všeobecně známého radiouhlíkového datování mají analýzy 14 C mnoho dalších využití. Pravděpodobně nejvýznamnější další aplikací je využití 14 C pro sledování vlivu spalování fosilních paliv na rostoucí koncentraci CO 2 v atmosféře. Jelikož fosilní paliva ve své uhlíkové isotopické směsi téměř neobsahuji 14 C, je možné vyčíslit příměs fosilního uhlíku v isotopické směsi na lokální, regionální i globální úrovni. Jev vedoucí ke snižování aktivity 14 C následkem ředění jeho obsahu v uhlíkové isotopické směsi se nazývá Suessův efekt 1. Využití analýz u 14 C rovněž pomáhá ke kvantifikaci či upřesnění parametrů transportu uhlíku v rámci jeho globálního pohybu. Významné využití analýz 14 C je rovněž sledování úrovně aktivit tohoto radionuklidu v okolí jaderných elektráren. Z hlediska dávkové zátěže okolní populace je 14 C nejvýznamnějším radionuklidem uvolňovaným do ovzduší z jaderných elektráren s lehkovodními tlakovými reaktory za normálního provozu 2. Dalším využitím 14 C je ověřování přirozeného původu některých farmaceutických preparátů, potravinářských výrobků (např. lihoviny a vína) či kosmetických přípravků. Uhlík-14 jakožto izotop uhlíku, poskytuje rovněž možnost sledování toků uhlíkatých sloučenin, příjmu organických látek a jejich metabolického zpracování živými organismy. Sloučeniny značené 14 C mají samozřejmě i další využití například jako přídavek 14 CH 4 do zemního plynu pro ověřování těsnosti podzemních plynových zásobníků nebo aplikace 14 CO 2 pro sledování tvorby karbonátových sintrů v krasových oblastech. Využití pro datovací účely i pro sledování aktivit 14 C v současném životním prostředí vyžaduje dosahovat nejistot stanovení v dolních jednotkách desetin procenta. Cílem analýz je zpravidla určit zastoupení 14 C v uhlíkové isotopické směsi. Pro vyjadřování aktivity 14 C se obvykle vychází ze Struiver-Polachovy konvence 3. Tato konvence umožňuje opravit aktivitu 14 C na isotopickou frakcionaci pomocí stabilního 13 C. Výsledné aktivity jsou pak dle konvence vyjadřovány v promile Δ 14 C nebo v procentech moderního uhlíku (pmc percentage of Modern Carbon) ve vztahu ke konvenčnímu radiouhlíkovému standardu, kde platí 100 pmc = 0 Δ 14 C. Aktivita tohoto standardu odpovídá přibližně 0,226 Bq 14 C na gram uhlíkové isotopické směsi. Pro datování se výsledná aktivita 14 C po opravě na isotopickou frakcionaci vyjadřuje, dle konvence opět ve vztahu k radiouhlíkovému standardu, v letech tzv. konvenčního radiouhlíkového stáří (conventional radiocarbon age). Konvenční metody stanovení 14 C Nejstarší a nejdéle používaná je metoda využívající měření plynovým proporcionálním detektorem GPC (Gas proportional counting). Ačkoliv může být pro měření proporcionálními detektory měřen uhlík ve formě metanu, etylenu nebo etanu, je nejpoužívanější náplní detektorů oxid uhličitý pro svou relativně snadnou přípravu. Oxid uhličitý je totiž přímým produktem spalování organických vzorků nebo kyselého rozkladu karbonátů. CO 2 musí být po spálení zbaven nečistot jako jsou halogeny a oxidy síry, které mohou změnit vlastnosti měřeného plynu. Z principu metody měření vyplývá, že je obtížné opakovaně proměřovat vzorek v sérii se vzorkem pozaďovým a kontrolním 4. 7
Druhá, v současnosti nejpoužívanější konvenční metoda LSC (Liquid scintillation counting) je založena na měření aktivity kapalinovým scintilačním spektrometrem, podrobněji na adresách: www.c14dating.com (RI); http://crl.odz.ujf.cas.cz (CRL) 5,6. Většina zařízení pracujících s metodou LSC využívá jako scintilačního solventu benzen (C 6 H 6 ), případně jeho směsi s toluenem. Benzen je sám o sobě vhodným scintilačním solventem a má také vyhovující optické vlastnosti. Pro připravuje scintilační směsi je zapotřebí pouze přídavek 1,5 hmotnostního procenta vlastního scintilátoru. Chemická forma C 6 H 6 se vyznačuje také nejvyšším možným zastoupením uhlíku od vzorku ve scintilační směsi pro LSC. Syntéza benzenu je poměrně jednoduchá a má vysokou výtěžnost. Značnou nevýhodou obou metod založených na počítání radioaktivních přeměn 14 C je poměrně dlouhá doba poločasu přeměny 14 C (5730 let). Při měření o době trvání tři dny je proto možné pozorovat radioaktivní přeměnu přibližně pouze jedné milióntiny atomů 14 C přítomných ve vzorku. Proto konvenční metody vyžadují k měření poměrně vysoké hmotnosti uhlíku od vzorku řádu dolních jednotek gramů. Urychlovačová hmotnostní spektrometrie AMS (Accelerator Mass Spektrometry) je metodou počítání jednotlivých atomů, která kombinuje efektivitu konvenční hmotnostní spektrometrie se zvýšeným rozlišením oproti isobarickým, isotopickým a molekulárním interferencím 7,8. Obvykle jde hlavně o počítání málo zastoupených radioizotopů s dlouhým poločasem přeměny. Typickým příkladem je radiouhlíkové datování využívající 14 C s poločasem 5730 let a s poměrem zastoupení 14 C oproti stabilnímu 12 C řádu 10-12 8. Kromě 14 C je AMS používána pro měření dalších radionuklidů, zejména 10 Be, 26 Al, 36 Cl a 129 I 8. Nejvýznamnějším radionuklidem měřeným AMS je však 14 C. Vysoké rozlišovací schopnosti AMS je dosaženo urychlením iontů na vysoké energie, nejčastěji použitím elektrostatického lineárního tandemového urychlovače 7. Na obr. 1 je porovnání metody AMS s konvenčním měřením radioaktivní přeměny. Obr. 1 Účinnost měření aktivity a AMS (čas měření 1 h) jako funkce poločasu přeměny, převzato 7. Princip AMS měření lze stručně shrnout následovně 7,8. V iontovém zdroji jsou generovány záporně nabité ionty ze vzorku obsahujícího měřený izotop. Tyto ionty jsou urychleny vysokým pozitivním napětím v první části tandemového urychlovače. Urychlené ionty vstupují do centrálního kanálu urychlovače, kde dochází následkem kolize s plynem nebo tenkou folií ke změně polarity iontů. Nyní již pozitivní ionty jsou ve druhé části tandemového urychlovače dále urychleny směrem k zápornému potenciálu. Ze svazku iontů opouštějících 8
tandemový urychlovač jsou odstraněny nežádoucí ionty použitím elektrických a magnetických polí. Na konci trasy jsou pak vhodnými detektory měřeny počty atomů od jednotlivých izotopů. Schéma AMS trasy vhodné pro stanovení 14 C je na obr. 2. Měření velmi malého poměru zastoupení izotopů ve vzorku (např. 14 C/ 12 C až do 10-15 ) je umožněno především následujícími charakteristikami AMS systému: isobarické interference jsou potlačeny použitím zdroje negativních iontů, např. v případě 14 C by rušil izobarický 14 N (dusík netvoří záporné ionty, což je pro AMS stanovení 14 C zásadní výhodou) 7. Molekulové izobarické interference (v případě 14 C molekuly 12 CH 2 a 13 CH) jsou odstraněny disociací těchto molekul v centrálním stripovacím kanálu tandemového urychlovače. Separace a identifikace iontů izotopů uhlíku je poté usnadněna jejich vysokou finální energií. Obr. 2 Schéma systému AMS pro měření 14 C, převzato 8. Z povahy měření vyplývá, že potřebné množství vzorku pro AMS je podstatně nižší oproti konvenčním metodám. Uvádí se, že množství vzorku potřebné pro AMS je řádově tisíckrát menší oproti konvenčním metodám měření 14 C (Hellborg et al., 2003). AMS měření je také oproti konvenčním metodám výrazně méně časově náročné, trvá 10-20 min 9. Například pro dosažení nejistoty 0,5 % měřením radioaktivní přeměny je třeba měřit 1g vzorku moderního uhlíku po 48 hodin. Oproti tomu pro měření AMS postačuje k dosažení této nejistoty měřit 1 mg po dobu 10 min 8. Nevýhodou a limitujícím faktorem pro rozšíření AMS systémů je jejich relativně vysoká pořizovací cena a technologická náročnost. Příprava vzorků pro AMS Před spálením jsou organické vzorky přečištěny a chemicky upraveny, aby došlo k potlačení kontaminace vzorku způsobené pohyblivými mladšími chemickými formami uhlíku (karbonáty, huminové a fulvo kyseliny). Po chemické předúpravě a izolaci datovatelných chemických forem uhlíku je vzorek spálen a převeden na CO 2 v přítomnosti oxidu měďnatého jako oxidačního činidla. V případě karbonátových vzorků (např. ulity měkkýšů) je oxid 9
uhličitý ze vzorku uvolňován rozkladem kyselinou fosforečnou 7. Přečištěný oxid uhličitý je pak dávkován ke katalytické redukci na elementární uhlík (grafitizaci). Pro AMS měření 14 C je zapotřebí připravit terčík s obsahem elementárního uhlíku od vzorku pro iontový zdroj, tak aby byl generován stabilní proud iontů se zanedbatelným memory efektem. Nejrozšířenější metodou přípravy elementárního uhlíku je katalytická redukce oxidu uhličitého na katalyzátoru z elementárního železa. Získaný grafit (grafitizovaný vzorek) je před samotným měřením zalisován do těla katody spolu s katalyzátorem (obvykle Fe). Katody jsou poté umístěny v karuselu, který umožňuje snadnou výměnu měřených vzorků v iontovém zdroji. Na našem pracovišti byly dosud experimentálně ověřovány dva postupy přípravy. Hmotnosti zpracovávaného uhlíku od vzorku se v obou případech pohybovaly přibližně v rozmezí 1,6 až 2,0 mg. Grafitizace ve vodíkové atmosféře Tento pravděpodobně dosud nejčastěji používaný postup je založen na katalytické redukci CO 2 vodíkem o stechiometrickém přebytku přibližně 1,6. Práškové železo je umístěno v evakuovaném reaktoru o objemu přibližně 10 ml. Do reaktoru je kryogenicky převeden oxid uhličitý ze skladovací ampule. Po kvantitativním převedení CO 2 je do reaktoru napuštěn vodík (čistota 5.0). CO 2 je následně v uzavřeném reaktoru redukován při teplotě 590 C po dobu několika hodin. Pro kondenzaci vodních par, vznikajících během redukce, je spodní část reaktoru chlazena na teplotu přibližně -15 C. Grafit vzniklý při redukci je pak deponován na povrchu Fe katalyzátoru 10. Obr. 3 Grafitizační reaktor pro vodíkovou redukci. Výtěžky tohoto grafitizačního postupu lze stanovit několika metodami, které se vzájemně doplňují (měření zbytkového tlaku z reaktoru, hmotnost grafitizovaného vzorku, stanovení složení povrchové vrstvy). Na základě provedených experimentů bylo shledáno, že poměrně často dochází k výraznému kolísání výtěžků, které by v některých případech vedlo až ke znehodnocení zpracovávaných vzorků. Příčinou kolísajících výtěžností grafitizace byla nedostatečná těsnost reaktoru. Následkem průniku již malého množství vzduchu docházelo k zablokování katalytické redukce CO 2 následkem povrchové oxidace železa. Nutnost zavádění vodíku do reaktoru vyžaduje připojení uzavíracího kohoutu. Vzhledem k přetrvávajícím problémům s těsností a z toho plynoucí nestabilitě grafitizačního postupu bylo v první polovině roku 2013 upuštěno od grafitizační metody založené na vodíkové 10
redukci CO 2. Pro další experimenty jsme se proto zaměřili na ověření postupu založeného na redukci oxidu uhličitého zinkem. Grafitizace s použitím zinku Principem zinkové grafitizační metody je redukce oxidu uhličitého zinkem v přítomnosti vhodného katalyzátoru (železo, příp. kobalt) 11. Redukce zde probíhá ve dvou krocích. Nejprve zinek redukuje oxid uhličitý na oxid uhelnatý za teploty přibližně 450 C, který následně katalyticky aproporcionuje na uhlík a oxid uhličitý při teplotě přes 550 C. Proces je možné shrnout následujícími rovnicemi 12 : CO 2 + Zn CO + ZnO 2CO C + CO 2 Metoda byla původně popsána s využitím poměrně složité aparatury, využívající pro jednotlivé kroky dva oddělené reaktory 11. Zásadní výhodou této metody je řádové potlačení izobarických molekulárních interferencí ( 13 CH - a 12 CH 2 - ) vzhledem k absenci vodíku během redukce. V laboratoři ATOMKI bylo zjištěno, že redukce oxidu uhličitého může probíhat i v uzavřené skleněné ampuli pouze za přítomnosti zinku a železného katalyzátoru. Obdobná metoda, využívající grafitizaci v zatavené skleněné ampuli, již byla publikována, avšak pouze pro grafitizaci submiligramových vzorků 13. Také pro využití v biomedicínských aplikacích byla publikována podobná metoda s využitím grafitizačních ampulí uzavřených septem 14. Je však nutné podotknout, že pro úspěšnou grafitizaci autoři považují za nezbytnou přítomnost vody ze spalování vzorku jako zdroje vodíku, který se dle této publikace poté účastní jako redukční činidlo. Pro experimentální ověřování tohoto grafitizačního postupu používáme reaktory připravené ze skleněných trubic (borosilikátové sklo). Fotografie grafitizačního reaktoru pro zinkovou redukci je na obr. 4. Do připraveného reaktoru je poté na dno vnější ampule dávkován zinek o hmotnosti 30 mg. Na dno vnitřní ampule je dávkováno 5 mg práškového železa (katalyzátor). Do evakuovaného reaktoru je kryogenicky převeden CO 2 od vzorku. Oxid uhličitý je vymražen v dolní části reaktoru a poté je pod dynamickým vakuem reaktor zataven. Při grafitizaci je teplota železného katalyzátoru přibližně 535 C. Obr. 4 Zatavený reaktor pro zinkovou grafitizaci, Zn je umístěn na dně vnější ampule a práškové Fe ve vložené vnitřní ampuli Vzhledem k podmínkám grafitizace je problematické zhodnocení výtěžku grafitizace pomocí gravimetrie. Pro určení výtěžku jsme pro grafitizační experimenty u zinkové metody využili měření zbytkových tlaků oxidu uhličitého a oxidu uhelnatého v reaktoru. Po několika nutných modifikacích zinkového postupu se zdá, že je dobře dosažitelné zajištění výtěžků grafitizace nad 94%. AMS měření vzorků připravených zinkovou grafitizací Vzhledem ke skutečnosti, že v naší zemi dosud není vhodné AMS zařízení, je měření námi grafitizovaných vzorků realizováno ve spolupráci se zahraničními pracovišti. Na podzim 2013 11
byly odměřeny první vzorky grafitizované pomocí zinku v naší laboratoří na AMS zařízení MICADAS v laboratoři ATOMKI HAS v Maďarském Debrecenu. Jednalo se o vzorky antracitu obsahující fosilní uhlík a vzorky standardu sekundární kyseliny šťavelové HOXII, za účelem odhalení možné kontaminace recentním, resp. fosilním uhlíkem během grafitizační procedury a manipulace se vzorkem. Tab. 1 Výsledky měření našich vzorků (CRL) a porovnání se vzorky připravenými na pracovišti ATOMKI sample code 12 C (µa) pmc absolute sig (%) +- (%) age (y) +-(y) Grafit, Zn - ATOMKI Gafit, Zn - CRL ZCS Blank 2013 11,3 0,12 0,01 4,84 53 927 388 ZCS OxaII 2013 14,9 133,99 0,54 0,40-2 350 32 ZCS OxaII 2013 11,5 134,14 0,55 0,41-2 360 33 E24 13,4 0,33 0,01 3,45 45 914 277 E28 15,8 134,12 0,53 0,40-2 358 32 E29 17,1 134,01 0,53 0,40-2 352 32 E31 17,1 0,36 0,01 3,49 45 142 280 E32 17,0 0,28 0,01 3,72 47 299 299 E35 16,6 0,31 0,01 3,55 46 357 285 V tabulce 1 jsou modře uvedeny vzorky obsahující fosilní uhlík a červeně vzorky obsahující uhlík od standardu kyseliny šťavelové. V tabulce je uvedeno také srovnání měření námi grafitizovaných vzorků s naměřenými hodnotami odpovídajících vzorků grafitizovaných laboratoří ATOMKI. Ze srovnání v tabulce je patrné, že námi produkovaný grafit poskytuje poměrně vysoké proudy C - iontů z iontového zdroje. Z měření vzorků grafitu od sekundárního standardu kyseliny šťavelové není pozorovatelná kontaminace fosilním uhlíkem během zpracování a grafitizace vzorku. Naopak, měření našeho pozaďového vzorku ukazuje na pravděpodobnou příměs recentního uhlíku, hodnota pozadí odpovídá ca 46 000 let BP oproti v Debrecenu dosahovaným ca 54 000 let BP. Naše pozaďové vzorky byly připraveny spalováním antracitu, pozaďové vzorky připravené v ATOMKI však vycházejí z fosilního oxidu uhličitého, pro grafitizaci dávkovaného z tlakové lahve. Pozorovaný rozdíl proto nemusí být nutně způsoben kontaminací recentním uhlíkem během zpracování vzorku. Obdobně jako vzorky zuhelnatělého dřeva je antracit schopen sorbovat plyny ze vzduchu, včetně atmosférického 14 CO 2. Podobný vliv se může projevovat i u vzorků zuhelnatělého dřeva ( uhlíků ), které se běžně zpracovávají pro datovací účely. Pokud je pro přípravu slepého vzorku použito spalování antracitu, slepý vzorek lépe odráží postup zpracování běžných vzorků. Domníváme se proto, že použití antracitu jako slepého vzorku je vhodnější, je však nezbytné vyřešit desorpci plynů před vlastním spalováním. Z tohoto důvodu, jak již bylo dříve uvedeno, se nyní intenzivně zabýváme možnostmi zlepšení předúpravy antracitu za účelem snížení pozadí. Shrnutí Analýzy 14 C mají rozsáhlé využití nejen pro datovací účely. Urychlovačová hmotnostní spektrometrie (AMS) umožňuje analyzovat vzorky o hmotnostech menších než jednotky miligramů a výrazně tak rozšiřuje možnosti využití analýz 14 C. Proto v naší laboratoři experimentálně zavádíme grafitizační metodu pro stanovení 14 C v mikrovzorcích s využitím AMS. Od poloviny roku 2013 je v naší laboratoři ověřována grafitizační metoda založená na redukci CO 2 zinkem. V rámci ověřování této metody byly provedeny experimenty za účelem 12
stanovení optimálních parametrů metody a identifikace rušivých vlivů ovlivňujících grafitizační postup. Výsledky měření série námi připravených grafitizovaných vzorků a jejich porovnání s obdobnými vzorky připravenými v laboratoři ATOMKI potvrdily velmi dobrou shodu při měření standardů připravených ze sekundární kyseliny šťavelové. Experimentálně připravené slepé vzorky z antracitu však dosud vykazují přibližně třikrát vyšší hodnoty pozadí nežli vzorky připravené v ATOMKI z fosilního CO 2. Další experimenty v následujícím období budou zaměřeny v prvé řadě redukci pozaďových hodnot a rovněž bude také důležité blíže kvantifikovat některé rušivé vlivy u zinkové grafitizační metody (zejména: přítomnost vodních par, vliv sorbovaných plynů na pozadí). 1. Suess H. E., Science, 122 (1955) 415. 2. Exposures from natural and man-made sources of radiation, Report of the United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation to the General Assembly (UNSCEAR), Report 1, 2000. 3. Stuiver M., Polach H.A, Radiocarbon, 19 (1977) 355. 4. Bowman S., Radiocarbon dating. London: British Museum, 64, 1990. 5. Higham T., Radiocarbon Laboratory, University of Waikato, New Zealand. Radiocarbon web-info [online]. (RI). Dostupné z: http://www.c14dating.com/. (naposledy navštíveno 10.4.2014) 6. CRL. Radiouhlíkové datování a sledování 14 C v životním prostředí [online]. Dostupné z: http://crl.odz.ujf.cas.cz/. (naposledy navštíveno 10.4.2014) 7. Hellborg R., Skog G., Mass Spectrometry Reviews. 27 (2008) 398. 8. Fifield L.K., Rep. Prog. Phys. 62 (1999) 1223. 9. Hellborg R., Faarinen M., Kiisk M., Magnusson C.E., Persson P., Skog G., Stenström K., Vakuum, 70 (2003) 365. 10. Černý R., Porovnání metod zpracování mikrovzorků pro stanovení 14 C s využitím urychlovačové hmotnostní spektrometrie. Bakalářská práce. Praha, FJFI ČVUT 2013. 11. Slota P.J., Jull A.J.T., Linick T.W., Toolin L.J., Radiocarbon, 29 (1987) 303. 12. Liong L.W.K., P.P. Povinec, Jull A.J.T., Radiocarbon, 46 (2004) 133. 13. Xu, X., Gao P., Salamanca E.G., Radiocarbon, 55 (2013) 608. 14. Kim S.H., Kelly P.B., Clifford A.J., Analytical Chemistry, 80 (2008) 7651. Determination of 14 C by Accelerator Mass Spektrometry Radek Černý 1,3, Ivo Světlík 1, Michal Fejgl 2,1 1 Nuclear Physics Institute, Academy of Sciences of the Czech Republic, Dpt. of Radiation Dosimetry, Praha 2 National Radiation Protection Institute, Praha 3 Faculty of Nuclear Sciences and Physical Engineering, Czech Technical University in Prague, Praha Determination of 14 C has a large scale of applications, including radiocarbon dating. 14 C absents in isotopic mixture of fossil carbon, hence determination of this radionuclide in the air can quantify CO 2 released into atmosphere from fossil fuel combustion on local, regional, and global scale. Radiocarbon is responsible for dominant contribution to the collective effective dose from all radionuclides released by nuclear power plants with light-water pressurized reactors during normal operation and its monitoring in the surrounding environmental area can be important. Other applications are aimed on verification of natural origin of various substances utilized in pharmacy, food processing industry and cosmetic. 14 C is a carbon isotope and can be applied in biological or geochemical studies as a carbon tracer. Prevailing part of such applications request precise results of activity determination with uncertainties several per mill only. Likewise, a small quantity of sample with carbon amount of only several milligrams is often available. There are three methods of precise 14 C activity determination` two of these methods are based on counting of 14 C radioactive decays, requiring several grams of sample carbon. Utilizing Accelerator Mass Spectrometry (AMS), the sufficient sample carbon quantity is about one milligram. Resulting uncertainties of AMS based determination are similar as in the case of conventional methods, if not even smaller. In our laboratory (CRL) we started experiments with microsamples processing for the AMS measurement. This routine contains graphitization as a final part of such process. During this routine is purified CO 2 reduced catalytically on elementary carbon (only this chemical carbon form can be measured by AMS). We performed experiments both with graphitization process based on CO 2 reduction in hydrogen atmosphere (almost utilized routine) and CO 2 reduction by zinc vapors. Our experimental experiences indicate the zinc based method as an easier method with several advantages, esp. better reactor sealing and hydrogen free routine. 13