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 kosti, uhlíky, dřevo a dále pak zuby, textilie, kůže, půdy, rašelinu, látky organického původu z keramiky, karbonátové uloženiny, ulity měkkýšů, uhličitany a volný CO2 v podzemních vodách.

Přehled metod stanovení 14C

V každé radiouhlíkové laboratoři jsou vzorky nejdříve důkladně kontrolovány a jsou upřesněny postupy jejich dalšího zpracování. Zpravidla nejprve bývají vzorky zpracovány mechanicky (přebírání, mokré sítování, plavení, frézování) a chemicky (u dřeva a zuhelnatělého dřeva zejména postup loužení Acid/Alkali/Acid). Dále je ze vzorku isolována a přečištěna datovatelná chemická forma uhlíku, která je poté spalována v atmosféře 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 radiometrické (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 vzorků o hmotnostech několika miligramů (špičkově pouze desítek mikrogramů). AMS analýza zpravidla poskytuje také výrazně přesnější výsledky, oproti konvenčním metodám jsou nejistoty pouze poloviční až čtvrtinové. Nutnou podmínkou u každé metody analýzy 14C je však kvalitní práce laboratoře zahrnující důkladné a neustálé testování jednotlivých částí postupu zpracování a měření.

Jelikož AMS měření je založeno na hmotnostní spektrometrii, není zapotřebí čekat na radioaktivní přeměnu atomů 14C v měřeném vzorku. V průběhu AMS měření, které obvykle trvá desítky minut, je ze vzorku pozorováno několik procent atomů 14C. U radiometrických metod, vzhledem ke dlouhému poločasu přeměny 14C (5730 let), je  v průběhu tří dnů měření pozorována radioaktivní přeměna přibližně pouhé jedné miliontiny atomů 14C, které jsou ve vzorku přítomny. Pozorování dostatečného počtu atomů 14C (radioaktivních přeměn 14C) ve vzorku je zapotřebí k dosažení dostatečně nízké nejistoty analýzy, tak, aby její výsledek byl použitelný pro datovací účely. Z toho důvodu jsou u radiometrických  metod k měření nezbytné poměrně velké hmotnosti uhlíku od vzorku.

1. Metoda AMS

Použití urychlovačové hmotnostní spektrometrie (AMS – Accelerator Mass Spectrometry) umožňuje datovat vzorky mikroskopické, špičkově pouze 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), rezidua látek organického původu 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 konvenční (radiometrické) metody, nýbrž měří přímé počty atomů (tzv. „direct counting“) s hmotovými čísly 12, 13 (stabilní isotopy uhlíku) a 14 (14C), které jsou následně porovnávány s výsledky měření standardu (např. HOX II).

Oxid uhličitý připravený spalováním vzorku je v redukčním prostředí převeden na elementární uhlík, který je při měření využit jako terčík. Bombardováním terčíku ionty cesia jsou generovány záporně nabité ionty uhlíku. Tato metoda měření je nezbytná s ohledem na schopnost odstranit rušivé vlivy způsobené jinými ionty o stejné hmotnosti. Jelikož dusík netvoří rušivé záporné ionty, je tímto 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 trasa vždy obsahuje alespoň malé zbytky vzduchu.

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

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

AMS

2. 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

    Hydrolýzou 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).

3. 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.

 

[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