劉圣華，呂 哲，楊勁松，楊慶華，張 慧，于 波，張曼麗

(1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 第四紀(jì)年代學(xué)與水文環(huán)境演變重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北 石家莊 050061；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083) 3.自然資源部地下水科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北 石家莊 050061；

20世紀(jì)70年代以來(lái)，以14C/12C同位素比為主要指標(biāo)進(jìn)行過程示蹤和年代學(xué)研究，已從傳統(tǒng)地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域拓展到覆蓋生態(tài)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、地下水科學(xué)、考古學(xué)、海洋科學(xué)、刑偵科學(xué)以及生物醫(yī)學(xué)等眾多自然科學(xué)學(xué)科[1-3]。尤其是利用加速器質(zhì)譜技術(shù)(AMS)實(shí)現(xiàn)了1 mgC左右樣品量的高靈敏度測(cè)量后，極大豐富了AMS-14C同位素定年和示蹤技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。近年來(lái)隨著研究的不斷深入，1 mgC左右的常規(guī)量樣品分析已難以滿足實(shí)驗(yàn)要求。越來(lái)越多的研究，如大氣顆粒物、DNA等研究都對(duì)微量樣品(<1 mgC)，甚至超微量樣品(<0.1 mgC)的14C同位素準(zhǔn)確分析提出了迫切需求[4-6]。雖然以CO2氣體進(jìn)樣的AMS-14C同位素分析技術(shù)為(超)微量樣品分析提供了可能[7]，但目前仍以石墨固體進(jìn)樣測(cè)試為主，而以石墨固體進(jìn)樣的AMS-14C同位素分析技術(shù)的基礎(chǔ)性決定因素是高精度低本底的石墨樣品制備[8]。

石墨樣品制備主要受樣品量、制備方法和制備系統(tǒng)性能等影響。已有研究證實(shí)，當(dāng)樣品量>1 mgC時(shí)，所制備的石墨樣品在測(cè)試時(shí)離子源引出的束流強(qiáng)度穩(wěn)定且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，同時(shí)樣品的測(cè)試精準(zhǔn)度較高[9]。而與常規(guī)量樣品相比，微量樣品由于樣品量較少，石墨在制備過程中所受的系統(tǒng)影響、AMS測(cè)試表現(xiàn)等都與常規(guī)量樣品有所區(qū)別。近年來(lái)各國(guó)學(xué)者廣泛開展了對(duì)14C微量樣品制備過程和石墨樣品性能的研究[10-12]，表明微量樣品制備過程中存在明顯的樣品量依賴效應(yīng)，即引入的碳污染、石墨性能(束流強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間)以及測(cè)試的精準(zhǔn)度均與樣品量之間存在明顯的依賴關(guān)系，主要表現(xiàn)為隨著樣品量的逐漸減少，測(cè)試精度降低，現(xiàn)代碳污染引起的14C/12C同位素比升高效應(yīng)更為明顯，束流強(qiáng)度逐漸降低且隨時(shí)間快速“崩塌”。但上述研究主要是基于H2/Fe法和Zn-TiH2/Fe法石墨樣品制備技術(shù)，對(duì)于利用Zn/Fe法進(jìn)行微量樣品制備的研究鮮有報(bào)道。而Zn/Fe法僅用鋅粉作為還原劑避免了其他方法中生成CH4的風(fēng)險(xiǎn)[8,12]，同時(shí)H2/Fe法與Zn/Fe法在實(shí)驗(yàn)條件和方法、同位素分餾以及石墨性能等方面存在較大差異，因此開展基于Zn/Fe火焰封管法的微量樣品測(cè)試與分析具有重要意義。

本研究基于自主搭建的真空系統(tǒng)和建立的Zn/Fe法樣品制備方法，對(duì)質(zhì)量為0.04～1.0 mgC的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)草酸OXⅡ(4990C)和實(shí)驗(yàn)室自制本底標(biāo)樣IHEG-Coal進(jìn)行石墨樣品制備，探討樣品量對(duì)石墨束流性能、同位素分餾效應(yīng)、準(zhǔn)確度和精密度的影響，繼而評(píng)估實(shí)驗(yàn)流程中引入的碳污染量，為微量樣品制備提供理論基礎(chǔ)。同時(shí)對(duì)現(xiàn)有樣品制備真空系統(tǒng)的性能進(jìn)行評(píng)估，為微量樣品AMS-14C同位素定年和示蹤應(yīng)用研究提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 方法

石墨樣品制備在中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所自行設(shè)計(jì)組裝的真空管線上完成，真空系統(tǒng)組成如圖1所示。由于樣品量少，制得的CO2氣體極其微量，為提高反應(yīng)物分壓，加快還原反應(yīng)速率和提高石墨產(chǎn)量，將反應(yīng)內(nèi)管和反應(yīng)外管分別縮小為反應(yīng)內(nèi)管(外徑3 mm、長(zhǎng)度2.5 cm)、外管(外徑6 mm、長(zhǎng)度15 cm)，火焰封管后反應(yīng)單元長(zhǎng)約10 cm、體積約1.26 mL。

圖1 CO2純化真空系統(tǒng)Fig.1 Vacuum system for CO2 purification

實(shí)驗(yàn)所用器皿和試劑使用前均在馬弗爐進(jìn)行高溫燃燒處理，以去除原始碳污染。玻璃管(反應(yīng)管)和石英管(燃燒管)置于馬弗爐中500 ℃高溫烘燒7 h，CuO(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，批號(hào)#10008018)和Ag絲(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，批號(hào)#51023460)900 ℃高溫烘燒2 h。OXⅡ和IHEG-Coal樣品(經(jīng)過ABA處理以去除樣品中的無(wú)機(jī)碳)分別與CuO、Ag絲混合裝入燃燒管，管內(nèi)抽真空至10-4Pa火焰密封，馬弗爐中850 ℃高溫燃燒12 h以上，使樣品完全轉(zhuǎn)化為CO2。

采用Zn/Fe火焰封管法[13]進(jìn)行CO2還原制備石墨樣品，實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示。將裝載2.5 mg Fe粉(西格瑪奧德里奇公司，批號(hào)#1.03819.0100)催化劑的內(nèi)反應(yīng)管放入裝載15 mg Zn粉(阿法埃莎公司，批號(hào)#13789)還原劑的外管中組成石墨化反應(yīng)套管。為降低玻璃器皿以及化學(xué)試劑吸附大氣現(xiàn)代碳的影響，石墨化反應(yīng)套管在接入真空系統(tǒng)前在大氣氛圍下加熱300 ℃烘烤1 h。實(shí)驗(yàn)前對(duì)定體積管進(jìn)行標(biāo)定，常溫下含1 mgC的CO2氣體在定體積管中的壓力為7 700 Pa。純化后的CO2于定體積管進(jìn)行碳質(zhì)量估算，估算后使用液氮(LN2)冷阱按實(shí)驗(yàn)要求轉(zhuǎn)移所需樣品量(0.04～1 mgC)的純CO2至反應(yīng)套管后火焰封管。封好的反應(yīng)套管按順序排列在馬弗爐中，先在500 ℃下反應(yīng)3 h，再在550 ℃下反應(yīng)4 h。

圖2 微量石墨樣品Zn/Fe火焰封管法制備流程Fig.2 Flow chart of flam sealed tube Zn/Fe method for sub-milligram sample

樣品測(cè)試在天津大學(xué)AMS實(shí)驗(yàn)室完成。測(cè)試所用加速器質(zhì)譜儀為美國(guó)NEC公司生產(chǎn)的0.5 MV 1.5SDH-1型加速器質(zhì)譜儀，其14C/12C長(zhǎng)期測(cè)試精度優(yōu)于0.3%，儀器本底現(xiàn)代碳比值Fm=0.000 4(約63 764 a)。實(shí)驗(yàn)室采用的測(cè)試方法為依輪次循環(huán)測(cè)試，每輪次每個(gè)樣品測(cè)試時(shí)間約為3 min。當(dāng)樣品的14C扣除本底后計(jì)數(shù)達(dá)到160 000時(shí)(即計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)精度為0.25%時(shí))，結(jié)束該樣品的測(cè)試，否則，繼續(xù)進(jìn)行測(cè)試，直至樣品消耗完全。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)草酸OXⅡ(4990C，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院，F(xiàn)m=1.340 7±0.001 9)作為外標(biāo)，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)外標(biāo)標(biāo)定。微量樣品的外標(biāo)校正采用非質(zhì)量匹配法[14]；第6次14C國(guó)際比對(duì)樣品胡敏酸(樣品N，F(xiàn)m=0.657 6±0.004 2，年齡為(3 370±4) a)作為質(zhì)量監(jiān)控標(biāo)樣。本批次樣品N的監(jiān)測(cè)測(cè)試值為Fm=0.658 7±0.002 0，相對(duì)誤差僅為0.17%。采用同位素質(zhì)量分餾指數(shù)校正模型，使用加速器質(zhì)譜儀在線測(cè)試的13C/12C數(shù)據(jù)，對(duì)樣品的14C/13C測(cè)試值進(jìn)行同位素分餾校正。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品量對(duì)束流強(qiáng)度的影響

束流強(qiáng)度直接影響測(cè)試的精密度，高束流強(qiáng)度、長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間和快速響應(yīng)是石墨樣品性能的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。本實(shí)驗(yàn)中樣品量與12C-束流強(qiáng)度之間的關(guān)系如圖3所示。由圖3可見：常規(guī)量1 mgC OXⅡ在本文所用加速器質(zhì)譜上低能端能產(chǎn)生約50～100 μA12C-束流強(qiáng)度；樣品量大于0.5 mgC時(shí)，束流強(qiáng)度均高于10 μA，但當(dāng)樣品量小于0.5 mgC時(shí)，束流強(qiáng)度低于10 μA。束流強(qiáng)度與樣品量之間顯示出明顯的正相關(guān)關(guān)系(R2=0.842 5)，表現(xiàn)為樣品量越大，束流強(qiáng)度越高。該結(jié)果與H2/Fe法[14]和Zn-TiH2/Fe法[15]研究結(jié)果一致。但束流產(chǎn)率可能會(huì)受到石墨化方法的影響，低于H2/Fe法，分析認(rèn)為可能是由于Zn/Fe法的石墨還原產(chǎn)率低于H2/Fe法[12]。

圖3 樣品量與12C-束流強(qiáng)度的關(guān)系Fig.3 Relationship between sample mass and 12C- beam current

加速器質(zhì)譜在線測(cè)試的δ13C值(AMS-δ13C)雖然疊加有加速器質(zhì)譜測(cè)試過程中的同位素分餾效應(yīng)，不能作為石墨樣品的δ13C真值，但在束流強(qiáng)度很低的情況下，由于空間電荷效應(yīng)較弱、束流聚焦更好，加速器質(zhì)譜測(cè)試過程導(dǎo)致的同位素分餾效應(yīng)較弱，因此其可在一定程度上反映出樣品制備過程中同位素分餾的變化趨勢(shì)。

加速器質(zhì)譜在線測(cè)試的δ13C隨低能端12C-束流強(qiáng)度的變化示于圖4a。從圖4a可看出，隨著12C-束流強(qiáng)度的升高，現(xiàn)代碳標(biāo)準(zhǔn)樣品OXⅡ的δ13C平均值逐漸向推薦值-1.78%靠近，其測(cè)試精度也趨于改善。本底樣品IHEG-Coal也顯示出相同的趨勢(shì)。由于低能端12C-束流強(qiáng)度與樣品靶中的石墨含量呈正相關(guān)，即低能端12C-束流強(qiáng)度的大小與樣品制備過程中的石墨產(chǎn)率呈正比。因此，圖4a中呈現(xiàn)的趨勢(shì)原因是隨著樣品量的減小，石墨化產(chǎn)率逐漸降低，導(dǎo)致的同位素分餾效應(yīng)越來(lái)越顯著。事實(shí)上，樣品量與AMS-δ13C之間具有顯著的正相關(guān)關(guān)系(OXⅡ的線性相關(guān)性系數(shù)R2=0.763 9，IHEG-Coal的R2=0.848 1)。

圖4 12C-束流強(qiáng)度與AMS-δ13C(a)和σ(14C/13C)(b)之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between 12C- beam current and AMS-δ13C (a) and σ(14C/13C) (b)

14C/13C同位素比測(cè)試精度σ(14C/13C)與低能端12C-束流強(qiáng)度的關(guān)系示于圖4b。由圖4b可見，束流強(qiáng)度增高時(shí)，σ(14C/13C)明顯降低，束流強(qiáng)度升高到20 μA后σ(14C/13C)趨于穩(wěn)定。此現(xiàn)象與Liebl等[16]觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一致。測(cè)試精度明顯依賴于束流強(qiáng)度的現(xiàn)象，究其原因如下：1) 因?yàn)榧铀倨髻|(zhì)譜測(cè)試過程中法拉第筒和氣體電離室探測(cè)器的計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)誤差直接受束流強(qiáng)度控制，計(jì)數(shù)越少其統(tǒng)計(jì)誤差將越大；2) 當(dāng)束流強(qiáng)度低于AMS法拉第筒高精密數(shù)字積分儀的線性下限時(shí)，會(huì)導(dǎo)致12C和13C測(cè)量均存在較大誤差(即13C/12C同位素比和14C/13C同位素比誤差較大)，而14C/13C同位素比需使用13C/12C同位素比進(jìn)行同位素分餾校正，從而進(jìn)一步擴(kuò)大了誤差。

2.2 方法流程碳污染評(píng)估

外源碳污染包括現(xiàn)代碳污染和死碳污染。在樣品制備過程中，外源碳污染尤其是現(xiàn)代大氣碳污染對(duì)微量樣品的制備影響極大，甚至完全掩蓋原樣品的14C同位素信息，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果無(wú)法解譯。研究表明，發(fā)生外源碳污染的過程復(fù)雜，其來(lái)源包括樣品物理化學(xué)預(yù)處理、高溫燃燒或酸解、石墨化、石墨存儲(chǔ)以及壓靶等實(shí)驗(yàn)操作過程[8]。明晰方法全流程中引入的外源碳污染量是進(jìn)行外源碳污染扣除和方法評(píng)估的基礎(chǔ)。本研究基于質(zhì)量平衡原理使用系列樣品量(0.04～1.0 mgC)的本底樣品IHEG-Coal和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)樣品OXⅡ分別估算全流程實(shí)驗(yàn)過程中引入的現(xiàn)代碳污染量和死碳污染量[14]。

假設(shè)樣品總碳質(zhì)量為樣品碳質(zhì)量(M)與現(xiàn)代碳污染量(m)和死碳污染量(d)之和，根據(jù)質(zhì)量守衡方程可得：

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

(1)

式中：R為同位素分餾校正后樣品的14C/12C同位素比的測(cè)試值；RM為樣品14C/12C同位素比；Rm為現(xiàn)代碳14C/12C同位素比；Rd為死碳14C/12C同位素比，Rd=0。

對(duì)于本底樣品IHEG-Coal，RM=0，則式(1)可變?yōu)椋?/p>

R(M+m+d)=Rmm

(2)

對(duì)于現(xiàn)代碳標(biāo)準(zhǔn)樣品OXⅡ，由于OXⅡ的14C/12C同位素比與現(xiàn)代大氣存在微小差異，故認(rèn)為RM≈Rm，則式(1)可變?yōu)椋?/p>

R(M+m+d)≈Rm(M+m)

(3)

由于M?m和M?d，M+m+d≈M，則由式(2)、(3)可得：

R/Rm=m/M

(4)

1-R/Rm=d/M

(5)

式(4)和式(5)可寫成：

Fm/Fmm=m/M

(6)

1-Fm/Fmm=d/M

(7)

式中：Fmm為現(xiàn)代碳標(biāo)準(zhǔn)樣品OXⅡ的Fm推薦值。定義ΔFm=1-Fm/Fmm，式(7)可寫為：

ΔFm=d/M

(8)

2.3 準(zhǔn)確度和精密度

本文采用歸一化到1 mgC OXⅡ的方法(非樣品量匹配法)，使用系列樣品量(0.04～1.0 mgC)的國(guó)際標(biāo)樣OXⅡ和本底樣品IHEG-Coal來(lái)評(píng)估本系統(tǒng)制備14C微量樣品的準(zhǔn)確度和精密度，結(jié)果示于圖6。

圖6 本研究樣品測(cè)試的精密度與準(zhǔn)確度Fig.6 Precision and accuracy of sample in present study

由圖6a可知，OXⅡ樣品量小于0.1 mgC時(shí)，其平均Fm測(cè)試值為1.303 9，平均精度為0.86%；樣品量在0.1～0.5 mgC之間時(shí)，其平均Fm測(cè)試值為1.332 2，平均精度為0.55%；而當(dāng)樣品量>0.5 mgC時(shí)，其平均Fm測(cè)試值為1.342 7，平均精度為±0.39%，與OXⅡ的推薦值1.340 7±0.001 9在誤差范圍內(nèi)基本一致。由圖6b可知，樣品量<0.5 mgC時(shí)，本底樣品測(cè)試年齡均小于40 000 a，當(dāng)樣品量<0.1 mgC時(shí)，測(cè)試年齡均小于30 000 a；樣品量>0.5 mgC時(shí)，本底樣品測(cè)試年齡為(44 844±277) a。圖6b中圈出的樣品年齡為(38 103±159) a，根據(jù)3σ法則(置信區(qū)間99.7%)，該樣品測(cè)試年齡可認(rèn)定為離群數(shù)據(jù)，剔除該樣品后平均年齡為(46 192±301) a。由圖6可知，測(cè)試值的準(zhǔn)確度和精密度與樣品量有明顯的依賴關(guān)系，樣品量減小時(shí)，測(cè)試的準(zhǔn)確度和精密度明顯下降。隨著樣品量的減小，離子源測(cè)試引出的束流強(qiáng)度降低，同時(shí)樣品制備過程中外源碳污染的影響相對(duì)增大，因此導(dǎo)致測(cè)試精準(zhǔn)度相對(duì)降低。根據(jù)樣品測(cè)試的精準(zhǔn)度結(jié)合外源碳污染估算結(jié)果可得出，全實(shí)驗(yàn)流程引入的外源碳污染對(duì)樣品量大于0.5 mgC的微量樣品影響較小，OXⅡ樣品與本底樣品有較理想的測(cè)試結(jié)果；對(duì)小于0.5 mgC的微量樣品有較大影響，特別是當(dāng)樣品量小于0.1 mgC時(shí)，測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)了明顯的誤差。

3 結(jié)論

通過對(duì)0.04～1.0 mgC之間的14C微量樣品進(jìn)行Zn/Fe法石墨樣品制備和測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，14C微量樣品的束流強(qiáng)度以及準(zhǔn)確度和精密度均表現(xiàn)出明顯的樣品量依賴關(guān)系，表現(xiàn)為隨著樣品量的減小，樣品束流強(qiáng)度、準(zhǔn)確度和精密度均降低。當(dāng)樣品量小于0.5 mgC時(shí)，低能端12C-束流強(qiáng)度均低于10 μA，OXⅡ測(cè)試值與推薦值之間存在較明顯的誤差，本底樣品年齡明顯小于40 000 a；當(dāng)樣品量大于0.5 mgC，低能端12C-束流強(qiáng)度均高于10 μA，OXⅡ的Fm測(cè)試值(1.342 7±0.003 9)與推薦值(1.340 7±0.001 9)在誤差范圍內(nèi)一致，本底樣品測(cè)試年齡為(46 192±301) a，測(cè)試結(jié)果較為可靠。全實(shí)驗(yàn)流程引入的外源現(xiàn)代碳污染量為1.0～3.0 μgC，死碳污染量為0.5～3.0 μgC。結(jié)合測(cè)試精準(zhǔn)度可得出，外源碳污染對(duì)0.5 mgC以上樣品測(cè)試結(jié)果基本沒有影響，對(duì)0.5 mgC以下樣品則有較大影響。

本研究所搭建的微量樣品制備真空系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)方法還有待進(jìn)一步改善，以降低外源碳污染對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，提升對(duì)0.5 mgC以下微量樣品甚至0.1 mgC以下超微量樣品的制樣能力。