放射性碳同位素(14C)：研究人類活動影響大氣環(huán)境和氣候變化的利器

       嚴重的空氣污染和逐漸變暖的氣候是目前人類社會面臨的重大威脅。據(jù)世界衛(wèi)生組織估計，90%的人口呼吸的空氣都是不健康的，每年因空氣污染而早逝的人數(shù)高達700萬。地球變暖則可觸發(fā)一系列難以預測的天氣和氣候災害，給人們的生命健康和財產安全帶來巨大隱患?？諝馕廴尽?/span>全qiu變暖這兩大重要環(huán)境問題，都與含碳物質（例如黑碳、二氧化碳、甲烷）排放密切相關。這些物質既可通過自然過程排放（例如森林火災），亦可通過人類活動產生（例如機動車尾氣、工廠廢氣），一旦排放到大氣中，很難通過常規(guī)手段進行區(qū)分。放射性碳同位素（14C）分析，是解決此難題的強有力技術手段。

       由于化石燃料不含14C（14C半衰期：5730±40年），而現(xiàn)代生物質的14C豐度與當前大氣的14C豐度一致，因此，通過測量大氣中含碳物質的14C，能可靠估算化石燃料燃燒對大氣碳質組分的貢獻。中ke院廣州地球化學研究所張干研究員團隊在14C技術的研發(fā)與應用上已有10余年的研究積淀，開發(fā)了針對不同大氣含碳物質14C的系列技術方法，該所14C加速器質譜實驗室是國際上少數(shù)幾個具有完備前處理技術平臺的*實驗室。

       近期，張干研究員團隊在國家自然科學基金委主辦的Fundamental Research期刊上系統(tǒng)綜述了14C在大氣中關鍵含碳物質（黑碳、多環(huán)芳烴、二氧化碳、甲烷）溯源與環(huán)境過程研究上的技術方法和應用進展，描繪了大氣Δ14CO2在IPCC不同減排情境下的演化，并指出加強碳減排實施的必要性和緊迫性。最后，文章對14C在大氣環(huán)境科學領域的研究方向進行了展望。

       談及14C在我國的研究情況，張干研究員說道：“雖然我國科學家已逐漸認識到14C是研究人類活動影響大氣環(huán)境和氣候變化的利器，且取得了許多重要進展，但目前我國這方面的數(shù)據(jù)積累仍然比較薄弱，譬如我國還沒有建立針對性的全國或重點地區(qū)14C觀測網絡。可喜的是，為了更有效服務我國碳減排行動和碳中和目標，在中國環(huán)境監(jiān)測總站于今年5月發(fā)布的典型城市大氣碳監(jiān)測技術指南中，已納入了大氣Δ14CO2的測量任務。這無疑將極大地促進我國大氣14C觀測技術的發(fā)展與應用”。

       本研究強調了大氣14C測量可為空氣污染控制、碳減排政策效力評估提供科學依據(jù)。
 

圖1. 放射性碳（14C）示蹤化石源碳排放示意圖
 

以上內容節(jié)選自期刊Fundamental Research 2021年第3期發(fā)表的文章 “G. Zhang, J.W. Liu, J. Li, et al., Radiocarbon isotope technique as a powerful tool in tracking anthropogenic emissions of carbonaceous air pollutants and greenhouse gases: A review, Fundamental Research 1(3)(2021)306-316 ”

以上內容轉載自中國核技術網

       早期進行14C測量使用的是β衰變法，即測量樣品衰變產生的β射線的劑量來推斷14C含量。這一方法測量周期較長，需要的樣品量較大。后來超靈敏加速器質譜（AMS）技術的出現(xiàn)，通過直接測量14C原子數(shù)，使14C測定樣品用量減少了3-4個數(shù)量級，測樣時間縮短了近100倍。AMS設備具有精度高，速度快，樣本量小等優(yōu)點，但是AMS設備體積龐大，采購非常昂貴，目前國內也才有十幾套設備。

       在大氣14C的測定中有兩個難點，首先在于有設備，第二在于樣品制備。而對于實驗來說，樣品制備帶來的干擾可能性更高。一般我們無法直接測試14C，需要對大氣進行采集和純化之后直接測試，或者使用 Zn-Fe 法將純化的CO2 還原成石墨，制成靶后用加速器質譜儀進行14C測定。

       針對大氣14C測定的兩大痛點：設備昂貴和樣品制備誤差大，我們特別向各位老師提供一攬子解決方案——EA-IRMS-iRIS 13C 14C同位素測量系統(tǒng)。整套設備由四部分組成：1、Air CO2 PSM現(xiàn)場取樣器；2、ECS 8070元素分析儀；3、ID Micro桌面質譜儀；4、PEM iRIS 14C分析儀。EA-IRMS-iRIS 13C 14C同位素測量系統(tǒng)是一個集CO2濃縮和純化為一體，用于分離和檢測大氣中CO2的C穩(wěn)定和放射性同位素分析設備。

圖1. ECS 8070-IRMS-14C 大氣CO2濃度，δ13C和14C分析儀
 

       該裝置允許任何操作人員直接在現(xiàn)場收集純CO2樣品，不再需要樣品袋/瓶。該裝置結構緊湊，重量輕，可充電。

• 重量輕，僅3kg，隨時可用，便于野外攜帶；

• 高流量泵，快速取樣；

• 可充電電池，每次充電多達20個樣品-快速充電，1.5小時*充電；

• 快速便捷樣品管更換；

• H2O、VOC、NOX高效捕集器，捕集器易于更換；

• 規(guī)格：14×16×40cm。

       創(chuàng)新的ECS 8070大氣CO2同位素前處理設備是一種強大而有用的儀器，能夠在短時間內（10-60分鐘）捕獲和分離每個樣品（10-100 mg）相對大量的CO2。采用吸附/解吸原理，用創(chuàng)新的純化線路，可以消除水、VOC和NOX，只留下純CO2氣體。使用自動空氣泵吸附/解吸使得系統(tǒng)使用非常簡單，通過新的C-Quantum CO2吸附系統(tǒng)，可以通過自動再生系統(tǒng)處理大量的CO2，與其他系統(tǒng)相比，測量精度高，性能更好。ECS 8070 大氣CO2兼容性高，容易對接各類同位素檢測設備以測定碳穩(wěn)定同位素（IRMS）和放射性成因14C的同位素比值。

• 自動化操作，用戶使用友好；

• 允許更好的使用消耗品，并自動監(jiān)控其狀態(tài)，自動泄露測試；

• 三種可選配置：僅吸附、僅解吸、根據(jù)需要完成吸附/解吸循環(huán)；

• 用戶可以設置所有的儀器參數(shù)，包括CO2捕集阱溫度，載氣壓力和解吸時間；

• 便攜式，可充電和輕量級的現(xiàn)場取樣器；

• 專用CO2烘箱，快速加熱和冷卻循環(huán)；

• 功能強大的測試軟件，結果可視化；

• 兼容性高，容易對接各類同位素檢測設備以測定碳穩(wěn)定同位素（IRMS）和放射性成因14C的同位素比值。

* 說明：

       后接ID Micro桌面質譜儀測試13C同位素比率，分析測試時間10min/樣品；

       后接PEM iRIS 14C分析儀測試14C同位素比率，分析測試時間1h/樣品。

       新一代ID Micro桌面同位素比質譜儀*打破了質譜設備的使用限定條件。它無需專門的實驗室、體積極小，可以安置在桌面上，因此我們稱之為桌面質譜儀。ID Micro 和ECS8070聯(lián)用，能快速測定大氣樣品中的δ13C。

• 體積小巧（長70cm，寬30cm，高47cm），占用空間小；

• 可插拔可互換的高靈敏度離子源，更換快捷；

• 真空泵流速可選：70 L/s或250 L/s，取決于所需的靈敏度；

• 操作簡單，使用方便，無需專人進行；

• 免維護操作；

• 低功耗，低成本。

       用現(xiàn)場采樣器從不同地方采集4組大氣樣品， 通過8070 AIR_CO2 和 IRMS進行重現(xiàn)性測試，結果如下：

表1. 四個不同地理位置大氣CO2的δ13C比率（單位：‰）

       PEM iRIS便攜式放射性14C同位素分析儀基于分布反饋量子級聯(lián)激光器（DFB-QCL）整合光腔衰蕩光譜技術（CRDS），能夠高頻高精度定量測量14CO2或14C。放射性碳是化石燃料向大氣排放二氧化碳的示蹤劑，也被用于考古材料的年代測定，以及更為廣泛的被用于石油、天然氣和核工業(yè)等領域。通常情況下，放射性碳由加速器質譜（AMS）以*的成本和幾天甚至幾周的分析周期獲得；而PEM iRIS便攜式14C同位素分析儀則可以在低成本的和30~60分鐘內獲得相關數(shù)據(jù)，這標志著放射性碳分析檢測手段的重大突破。

• 高精度14CO2 CRD線性吸收平臺；

• 純CO2分析消除N2O干擾；

• 整合14C 參照系統(tǒng)（sir-14C）；

• 易于整合外部模塊和串聯(lián)分析儀，用于不同形態(tài)樣品分析和同位素分析，如12CO2 , 13CO2 和/或CO17O，CO18O；

• 體積小巧、操作方便、測量快速。