CRL‎ > ‎

Zpracování vzorků

Pro datování je ze vzorku isolována datovatelná forma uhlíku (Gupta & Polach, 1985). Z kostí bývá isolován kolagen (stabilní bílkovina, u které je obvykle potlačena možnost dodatečné kontaminace), ze dřeva či dřevěných uhlíků jsou odstraňovány karbonáty a huminové kyseliny, případně je ze dřeva isolována celulóza či lignin. Nejčastěji datovanými typy vzorků jsou dřevo, kosti, uhlíky a dále pak textilie, kůže, půdy, rašeliny, karbonátové uloženiny, ulity měkkýšů, uhličitany a volný CO2 v podzemních vodách.

Přehled metod stanovení 14C

V každé radiouhlíkové laboratoři jsou vzorky nejdříve přečišťovány mechanicky (přebírání, mokré sítování, plavení, frézování) a chemicky (u dřeva a zuhelnatělého dřeva zejména postup loužení acid/alkali/acid). Dále je ze vzorku isolována datovatelná chemická forma uhlíku, která je poté spalována v proudu čistého kyslíku a oxid uhličitý je přečišťován. Z karbonátových forem bývá CO2 obvykle vytěsňován kyselým rozkladem.

Postup dalšího zpracování záleží na použité metodě stanovení 14C. Pro datovací účely (Scott, 2003) jsou používány dvě metody konvenční založené na počítání radioaktivních přeměn 14C (LSC – Liquid Scintillation Counting a GPC – Gas Proporcional Counting) a metoda založená na přímém počítání atomů isotopů uhlíku (AMS – Accelerator Mass Spectrometry).

Velkou výhodou AMS je možnost datování malých vzorků. Z hlediska nejistot stanovení jsou při dostatečném množství vzorku obvykle metody konvenční a AMS přibližně srovnatelné. Nutnou podmínkou je však kvalitní práce laboratoře zahrnující důkladné a neustálé testování jednotlivých částí postupu zpracování a měření.

1. Syntéza benzenu a kapalinově scintilační měření (LSC)

Isolovaná datovatelná chemická forma uhlíku je spálením převedena na CO2. Z přečištěného oxidu uhličitého je syntetizován benzen. Z hlediska kapalinově scintilačního měření (LSC – liquid scintillation counting) má syntéza benzenu několik výhod oproti syntézám jiných uhlíkatých forem (Gupta & Polach, 1985):

    - v měřící kyvetě se nachází nejvyšší možné množství uhlíku ze vzorku;

    - benzen je rovněž solventem a do scintilační směsi je proto zapotřebí přidat pouze malé množství v  benzenu rozpustného scintilátoru (cca 1.5%);

    - benzen je transparentní a čistá látka zajišťující vysokou detekční účinnost;

    - syntéza benzenu je relativně jednoduchá

Postup přípravy benzenu lze rozdělit na tyto hlavní části:

    Syntéza karbidu litného (CO2 je reakcí s kovovým lithiem redukován na elementární uhlík, který poté  reaguje s dalším lithiem za vzniku Li2C2):

2CO2 + 10Li --> Li2C2 + 4Li2O

    Hydrolýza  karbidu lithného (reakcí s vodou vzniká acetylen):

Li2C2 + 2H2O --> C2H2 + 2LiOH

    Katalytická trimerizace acetylenu na benzen:

3C2H2 --> C6H6

Připravený benzen je po dobu nejméně čtyř týdnů skladován za účelem vymření rušivého 222Rn a poté dlouhodobě proměřován na nízkopozaďovém kapalinovém scintilačním spektrometru. Kapalinově scintilační měření (Cook, 2000; Cook, 1994; Kessler, 1989) je založeno na počítání radioaktivních přeměn 14C, které jsou pak vztaženy na jednotku času. Při radioaktivní přeměně emitovaný elektron záření beta předává svou energii scintilačnímu řetězci: solvent, primární (a případně sekundární scintilátor) za následné emise fotonů (scintilace), které jsou detektovány fotonásobičem (pozorovaný impuls). Výšce impulsu je poté přiřazeno číslo kanálu, do kterého je impuls přičten. Tímto způsobem je získáno kapalinově scintilační spektrum. Pro vyhodnocení se poté použije část spektra, odpovídající emisím elektronů záření beta od 14C, vzhledem k jejich maximální energii 156 keV.

Série vzorků, slepých vzorků a vzorků kontrolních je obvykle proměřována v mnoha opakovaných cyklech. Na základě statistické analýzy jsou pak vyloučeny odlehlé hodnoty dílčích měření (takto dojde pouze ke ztrátám desítek minut strojového času a je zamezeno ovlivnění a znehodnocení celého měření vzorku trvajícího několik tisíc minut). Měřením v cyklech je rovněž potlačeno ovlivnění naměřených hodnot dlouhodobými systematickými vlivy (zejména kolísání velikosti pozadí), které se rovnoměrně promítají do měření vzorku a slepého vzorku. Statistickým vyhodnocením dílčích hodnot měřených v jednotlivých cyklech mohou být nalezeny dlouhodobé trendy indikující nestabilitu scintilační směsi či přítomnost rušivých radionuklidů v proměřovaném vzorku.

Pozorovaný počet impulsů za časovou jednotku od vzorku je opraven na příspěvek od slepého vzorku, vliv zhášení a normalizován dle δ13C. Aktivita 14C je vztažena na radiouhlíkový referenční standard[1] a vyjádřena jako konvenční radiouhlíkové stáří v letech BP spolu s kombinovanou nejistotou odpovídající hladině pravděpodobnosti přibližně 68% (Stuiver & Polach, 1977; Curie, 1995).

2. Metoda GPC

Nejstarší, dosud používanou, metodou je převedení uhlíku ze vzorku do plynné formy a měření na nízkopozaďovém velkoobjemovém plynovém proporcionálním počítači (GPC). Vzorek je po předúpravě a případné isolaci datovatelných chemických forem uhlíku spálen a oxid uhličitý je přečišťován. Aktivita 14C je obvykle proměřována ve formě přečištěného CO2, případně je vzorek dále zpracováván a uhlík je převeden do formy CH4 nebo C2H2 (Gupta & Polach, 1985).

Při měření způsobují elektrony záření beta, emitované při radioaktivní přeměně, ionizaci plynové náplně detektoru (chemické formy uhlíku od vzorku) a dochází k uvolnění dalších elektronů, které jsou urychlovány vloženým napětím a způsobují další ionizaci. Pozorovaný impuls je registrován, aktivita vzorku je úměrná počtu pozorovaných impulsů za časovou jednotku po opravě na příspěvek od pozadí, podrobněji např. (Klumpar, 1976; Tykva, 1991). Měření v sériích, obsahujících rovněž vzorky kontrolní a pozaďové, v mnoha krátkých opakovaných cyklech je zde obtížně technicky realizovatelné.

3. Metoda AMS

Použití urychlovačové hmotové spektrometrie (AMS) umožňuje datovat vzorky mikroskopické, výjimečně o hmotnostech řádu do desítek mikrogramů (Uhl, 2005). Obvykle požadované hmotnosti pro AMS radiouhlíkové datovaní se však pohybují v rozmezí od jednotek do stovky miligramů v závislosti na typu vzorku, použité metodice a požadované nejistotě. Pomocí AMS lze datovat například: pylové koncentráty (Vasil'chuk, 2005), uhlíkaté příměsi v keramice (Anderson, 2005), jednotlivá vlákna rostlinného či živočišného původu (Kirner, 1997).

Tato hmotově-spektrometrická metoda nestanovuje počet radioaktivních přeměn ve vzorku za časovou jednotku (tzv. „decay counting“), jako předchozí konvenční metody, nýbrž přímé počty atomů (tzv. „direct counting“) s hmotovými čísly 12, 13 (stabilní isotopy uhlíku) a 14 (14C), které jsou následně přepočteny na aktivitu 14C (vyjadřovanou například v letech konvenčního radiouhlíkového stáří, dle relace A = λN, kde N je počet částic).

Oxid uhličitý připravený spalováním vzorku je v redukční atmosféře převeden na elementární uhlík. Bombardováním vzorku ionty cesia jsou generovány záporně nabité ionty uhlíku. Tato metoda měření je závislá na schopnostech odstranit rušivé vlivy způsobené jinými ionty o stejné hmotnosti. Jelikož dusík netvoří rušivé záporné ionty, je potlačen vliv isobarického 14N, který by při měření 14C běžnými hmotovými spektrometry způsobil příliš velké interference. Oba ionty mají stejnou hmotnost a vzhledem k vysokému výskytu 14N v atmosféře by bylo měření 14C rušeno, jelikož měřicí aparatura vždy obsahuje alespoň malé zbytky vzduchu.

Na   obr. 3 je uvedeno schéma tandemového urychlovače se spektrometrickou trasou. Prvý magnet, obdobně jako v běžném hmotnostním spektrometru, vychyluje ve svazku záporné ionty s hmotností 14 (kromě malého množství 14C- je vychýleno mnohem více molekulárních iontů 12CH2- a 13CH, obr. 3). Tyto ionty dále vstupují do urychlovače a ve středové části kolidují s naředěným plynem či tenkou fólií (centrální „stripper canal“). Při kolizi dochází k rozpadu molekulárních iontů a ke vzniku kladných iontů uhlíku, které jsou urychlovány ve druhé části urychlovače. Magnet na výstupu vychyluje poté tyto ionty vychyluje. S použitím Faradayových detektorů jsou počítány atomy 12C a 13C, citlivějšími typy detektorů pak 14C (Purser, 1992; Taylor, 1991).

            Obr. 3 Schéma zobrazuje AMS systém provozovaný Woods Hole Oceanographic Institution,                    USA (Purser, 1992).


[1] Pro kalibraci kapalinově scintilačního měření používá laboratoř CRL tzv. „sekundární“ kyselinu šťavelovou NBS (nyní NIST), číslo certifikovaného referenčního materiálu 4990C, která je navázána na primární moderní referenční standard, podrobněji (Schneider, 1995).

Comments