加速器质谱14C微量样品制备研究

刘圣华，吕 哲，杨劲松，杨庆华，张 慧，于 波，张曼丽

(1.中国地质调查局 第四纪年代学与水文环境演变重点实验室，中国地质科学院 水文地质环境地质研究所，河北 石家庄 050061；2.中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院，北京 100083) 3.自然资源部地下水科学与工程重点实验室，中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北 石家庄 050061；

20世纪70年代以来，以14C/12C同位素比为主要指标进行过程示踪和年代学研究，已从传统地质学领域拓展到覆盖生态学、环境科学、地下水科学、考古学、海洋科学、刑侦科学以及生物医学等众多自然科学学科[1-3]。尤其是利用加速器质谱技术(AMS)实现了1 mgC左右样品量的高灵敏度测量后，极大丰富了AMS-14C同位素定年和示踪技术的应用领域。近年来随着研究的不断深入，1 mgC左右的常规量样品分析已难以满足实验要求。越来越多的研究，如大气颗粒物、DNA等研究都对微量样品(<1 mgC)，甚至超微量样品(<0.1 mgC)的14C同位素准确分析提出了迫切需求[4-6]。虽然以CO2气体进样的AMS-14C同位素分析技术为(超)微量样品分析提供了可能[7]，但目前仍以石墨固体进样测试为主，而以石墨固体进样的AMS-14C同位素分析技术的基础性决定因素是高精度低本底的石墨样品制备[8]。

石墨样品制备主要受样品量、制备方法和制备系统性能等影响。已有研究证实，当样品量>1 mgC时，所制备的石墨样品在测试时离子源引出的束流强度稳定且持续时间较长，同时样品的测试精准度较高[9]。而与常规量样品相比，微量样品由于样品量较少，石墨在制备过程中所受的系统影响、AMS测试表现等都与常规量样品有所区别。近年来各国学者广泛开展了对14C微量样品制备过程和石墨样品性能的研究[10-12]，表明微量样品制备过程中存在明显的样品量依赖效应，即引入的碳污染、石墨性能(束流强度和持续时间)以及测试的精准度均与样品量之间存在明显的依赖关系，主要表现为随着样品量的逐渐减少，测试精度降低，现代碳污染引起的14C/12C同位素比升高效应更为明显，束流强度逐渐降低且随时间快速“崩塌”。但上述研究主要是基于H2/Fe法和Zn-TiH2/Fe法石墨样品制备技术，对于利用Zn/Fe法进行微量样品制备的研究鲜有报道。而Zn/Fe法仅用锌粉作为还原剂避免了其他方法中生成CH4的风险[8,12]，同时H2/Fe法与Zn/Fe法在实验条件和方法、同位素分馏以及石墨性能等方面存在较大差异，因此开展基于Zn/Fe火焰封管法的微量样品测试与分析具有重要意义。

本研究基于自主搭建的真空系统和建立的Zn/Fe法样品制备方法，对质量为0.04～1.0 mgC的国际标准草酸OXⅡ(4990C)和实验室自制本底标样IHEG-Coal进行石墨样品制备，探讨样品量对石墨束流性能、同位素分馏效应、准确度和精密度的影响，继而评估实验流程中引入的碳污染量，为微量样品制备提供理论基础。同时对现有样品制备真空系统的性能进行评估，为微量样品AMS-14C同位素定年和示踪应用研究提供实验基础。

1 方法

石墨样品制备在中国地质科学院水文地质环境地质研究所自行设计组装的真空管线上完成，真空系统组成如图1所示。由于样品量少，制得的CO2气体极其微量，为提高反应物分压，加快还原反应速率和提高石墨产量，将反应内管和反应外管分别缩小为反应内管(外径3 mm、长度2.5 cm)、外管(外径6 mm、长度15 cm)，火焰封管后反应单元长约10 cm、体积约1.26 mL。

图1 CO2纯化真空系统Fig.1 Vacuum system for CO2 purification

实验所用器皿和试剂使用前均在马弗炉进行高温燃烧处理，以去除原始碳污染。玻璃管(反应管)和石英管(燃烧管)置于马弗炉中500 ℃高温烘烧7 h，CuO(国药集团化学试剂有限公司，批号#10008018)和Ag丝(国药集团化学试剂有限公司，批号#51023460)900 ℃高温烘烧2 h。OXⅡ和IHEG-Coal样品(经过ABA处理以去除样品中的无机碳)分别与CuO、Ag丝混合装入燃烧管，管内抽真空至10-4Pa火焰密封，马弗炉中850 ℃高温燃烧12 h以上，使样品完全转化为CO2。

采用Zn/Fe火焰封管法[13]进行CO2还原制备石墨样品，实验流程如图2所示。将装载2.5 mg Fe粉(西格玛奥德里奇公司，批号#1.03819.0100)催化剂的内反应管放入装载15 mg Zn粉(阿法埃莎公司，批号#13789)还原剂的外管中组成石墨化反应套管。为降低玻璃器皿以及化学试剂吸附大气现代碳的影响，石墨化反应套管在接入真空系统前在大气氛围下加热300 ℃烘烤1 h。实验前对定体积管进行标定，常温下含1 mgC的CO2气体在定体积管中的压力为7 700 Pa。纯化后的CO2于定体积管进行碳质量估算，估算后使用液氮(LN2)冷阱按实验要求转移所需样品量(0.04～1 mgC)的纯CO2至反应套管后火焰封管。封好的反应套管按顺序排列在马弗炉中，先在500 ℃下反应3 h，再在550 ℃下反应4 h。

图2 微量石墨样品Zn/Fe火焰封管法制备流程Fig.2 Flow chart of flam sealed tube Zn/Fe method for sub-milligram sample

样品测试在天津大学AMS实验室完成。测试所用加速器质谱仪为美国NEC公司生产的0.5 MV 1.5SDH-1型加速器质谱仪，其14C/12C长期测试精度优于0.3%，仪器本底现代碳比值Fm=0.000 4(约63 764 a)。实验室采用的测试方法为依轮次循环测试，每轮次每个样品测试时间约为3 min。当样品的14C扣除本底后计数达到160 000时(即计数统计精度为0.25%时)，结束该样品的测试，否则，继续进行测试，直至样品消耗完全。国际标准物质草酸OXⅡ(4990C，美国国家标准技术研究院，Fm=1.340 7±0.001 9)作为外标，对测试数据外标标定。微量样品的外标校正采用非质量匹配法[14]；第6次14C国际比对样品胡敏酸(样品N，Fm=0.657 6±0.004 2，年龄为(3 370±4) a)作为质量监控标样。本批次样品N的监测测试值为Fm=0.658 7±0.002 0，相对误差仅为0.17%。采用同位素质量分馏指数校正模型，使用加速器质谱仪在线测试的13C/12C数据，对样品的14C/13C测试值进行同位素分馏校正。

2 结果与讨论

2.1 样品量对束流强度的影响

束流强度直接影响测试的精密度，高束流强度、长持续时间和快速响应是石墨样品性能的评判标准。本实验中样品量与12C-束流强度之间的关系如图3所示。由图3可见：常规量1 mgC OXⅡ在本文所用加速器质谱上低能端能产生约50～100 μA12C-束流强度；样品量大于0.5 mgC时，束流强度均高于10 μA，但当样品量小于0.5 mgC时，束流强度低于10 μA。束流强度与样品量之间显示出明显的正相关关系(R2=0.842 5)，表现为样品量越大，束流强度越高。该结果与H2/Fe法[14]和Zn-TiH2/Fe法[15]研究结果一致。但束流产率可能会受到石墨化方法的影响，低于H2/Fe法，分析认为可能是由于Zn/Fe法的石墨还原产率低于H2/Fe法[12]。

图3 样品量与12C-束流强度的关系Fig.3 Relationship between sample mass and 12C- beam current

加速器质谱在线测试的δ13C值(AMS-δ13C)虽然叠加有加速器质谱测试过程中的同位素分馏效应，不能作为石墨样品的δ13C真值，但在束流强度很低的情况下，由于空间电荷效应较弱、束流聚焦更好，加速器质谱测试过程导致的同位素分馏效应较弱，因此其可在一定程度上反映出样品制备过程中同位素分馏的变化趋势。

加速器质谱在线测试的δ13C随低能端12C-束流强度的变化示于图4a。从图4a可看出，随着12C-束流强度的升高，现代碳标准样品OXⅡ的δ13C平均值逐渐向推荐值-1.78%靠近，其测试精度也趋于改善。本底样品IHEG-Coal也显示出相同的趋势。由于低能端12C-束流强度与样品靶中的石墨含量呈正相关，即低能端12C-束流强度的大小与样品制备过程中的石墨产率呈正比。因此，图4a中呈现的趋势原因是随着样品量的减小，石墨化产率逐渐降低，导致的同位素分馏效应越来越显著。事实上，样品量与AMS-δ13C之间具有显著的正相关关系(OXⅡ的线性相关性系数R2=0.763 9，IHEG-Coal的R2=0.848 1)。

图4 12C-束流强度与AMS-δ13C(a)和σ(14C/13C)(b)之间的关系Fig.4 Relationship between 12C- beam current and AMS-δ13C (a) and σ(14C/13C) (b)

14C/13C同位素比测试精度σ(14C/13C)与低能端12C-束流强度的关系示于图4b。由图4b可见，束流强度增高时，σ(14C/13C)明显降低，束流强度升高到20 μA后σ(14C/13C)趋于稳定。此现象与Liebl等[16]观察到的实验现象一致。测试精度明显依赖于束流强度的现象，究其原因如下：1) 因为加速器质谱测试过程中法拉第筒和气体电离室探测器的计数统计误差直接受束流强度控制，计数越少其统计误差将越大；2) 当束流强度低于AMS法拉第筒高精密数字积分仪的线性下限时，会导致12C和13C测量均存在较大误差(即13C/12C同位素比和14C/13C同位素比误差较大)，而14C/13C同位素比需使用13C/12C同位素比进行同位素分馏校正，从而进一步扩大了误差。

2.2 方法流程碳污染评估

外源碳污染包括现代碳污染和死碳污染。在样品制备过程中，外源碳污染尤其是现代大气碳污染对微量样品的制备影响极大，甚至完全掩盖原样品的14C同位素信息，导致测试结果无法解译。研究表明，发生外源碳污染的过程复杂，其来源包括样品物理化学预处理、高温燃烧或酸解、石墨化、石墨存储以及压靶等实验操作过程[8]。明晰方法全流程中引入的外源碳污染量是进行外源碳污染扣除和方法评估的基础。本研究基于质量平衡原理使用系列样品量(0.04～1.0 mgC)的本底样品IHEG-Coal和国际标准样品OXⅡ分别估算全流程实验过程中引入的现代碳污染量和死碳污染量[14]。

假设样品总碳质量为样品碳质量(M)与现代碳污染量(m)和死碳污染量(d)之和，根据质量守衡方程可得：

R(M+m+d)=RMM+Rmm+Rdd

(1)

式中：R为同位素分馏校正后样品的14C/12C同位素比的测试值；RM为样品14C/12C同位素比；Rm为现代碳14C/12C同位素比；Rd为死碳14C/12C同位素比，Rd=0。

对于本底样品IHEG-Coal，RM=0，则式(1)可变为：

R(M+m+d)=Rmm

(2)

对于现代碳标准样品OXⅡ，由于OXⅡ的14C/12C同位素比与现代大气存在微小差异，故认为RM≈Rm，则式(1)可变为：

R(M+m+d)≈Rm(M+m)

(3)

由于M≫m和M≫d，M+m+d≈M，则由式(2)、(3)可得：

R/Rm=m/M

(4)

1-R/Rm=d/M

(5)

式(4)和式(5)可写成：

Fm/Fmm=m/M

(6)

1-Fm/Fmm=d/M

(7)

式中：Fmm为现代碳标准样品OXⅡ的Fm推荐值。定义ΔFm=1-Fm/Fmm，式(7)可写为：

ΔFm=d/M

(8)

2.3 准确度和精密度

本文采用归一化到1 mgC OXⅡ的方法(非样品量匹配法)，使用系列样品量(0.04～1.0 mgC)的国际标样OXⅡ和本底样品IHEG-Coal来评估本系统制备14C微量样品的准确度和精密度，结果示于图6。

图6 本研究样品测试的精密度与准确度Fig.6 Precision and accuracy of sample in present study

由图6a可知，OXⅡ样品量小于0.1 mgC时，其平均Fm测试值为1.303 9，平均精度为0.86%；样品量在0.1～0.5 mgC之间时，其平均Fm测试值为1.332 2，平均精度为0.55%；而当样品量>0.5 mgC时，其平均Fm测试值为1.342 7，平均精度为±0.39%，与OXⅡ的推荐值1.340 7±0.001 9在误差范围内基本一致。由图6b可知，样品量<0.5 mgC时，本底样品测试年龄均小于40 000 a，当样品量<0.1 mgC时，测试年龄均小于30 000 a；样品量>0.5 mgC时，本底样品测试年龄为(44 844±277) a。图6b中圈出的样品年龄为(38 103±159) a，根据3σ法则(置信区间99.7%)，该样品测试年龄可认定为离群数据，剔除该样品后平均年龄为(46 192±301) a。由图6可知，测试值的准确度和精密度与样品量有明显的依赖关系，样品量减小时，测试的准确度和精密度明显下降。随着样品量的减小，离子源测试引出的束流强度降低，同时样品制备过程中外源碳污染的影响相对增大，因此导致测试精准度相对降低。根据样品测试的精准度结合外源碳污染估算结果可得出，全实验流程引入的外源碳污染对样品量大于0.5 mgC的微量样品影响较小，OXⅡ样品与本底样品有较理想的测试结果；对小于0.5 mgC的微量样品有较大影响，特别是当样品量小于0.1 mgC时，测试结果出现了明显的误差。

3 结论

通过对0.04～1.0 mgC之间的14C微量样品进行Zn/Fe法石墨样品制备和测试，结果发现，14C微量样品的束流强度以及准确度和精密度均表现出明显的样品量依赖关系，表现为随着样品量的减小，样品束流强度、准确度和精密度均降低。当样品量小于0.5 mgC时，低能端12C-束流强度均低于10 μA，OXⅡ测试值与推荐值之间存在较明显的误差，本底样品年龄明显小于40 000 a；当样品量大于0.5 mgC，低能端12C-束流强度均高于10 μA，OXⅡ的Fm测试值(1.342 7±0.003 9)与推荐值(1.340 7±0.001 9)在误差范围内一致，本底样品测试年龄为(46 192±301) a，测试结果较为可靠。全实验流程引入的外源现代碳污染量为1.0～3.0 μgC，死碳污染量为0.5～3.0 μgC。结合测试精准度可得出，外源碳污染对0.5 mgC以上样品测试结果基本没有影响，对0.5 mgC以下样品则有较大影响。

本研究所搭建的微量样品制备真空系统和实验方法还有待进一步改善，以降低外源碳污染对实验结果的影响，提升对0.5 mgC以下微量样品甚至0.1 mgC以下超微量样品的制样能力。