放射性碳同位素(14C)：研究人类活动影响大气环境和气候变化的利器

       严重的空气污染和逐渐变暖的气候是目前人类社会面临的重大威胁。据世界卫生组织估计，90%的人口呼吸的空气都是不健康的，每年因空气污染而早逝的人数高达700万。地球变暖则可触发一系列难以预测的天气和气候灾害，给人们的生命健康和财产安全带来巨大隐患。空气污染、全qiu变暖这两大重要环境问题，都与含碳物质（例如黑碳、二氧化碳、甲烷）排放密切相关。这些物质既可通过自然过程排放（例如森林火灾），亦可通过人类活动产生（例如机动车尾气、工厂废气），一旦排放到大气中，很难通过常规手段进行区分。放射性碳同位素（14C）分析，是解决此难题的强有力技术手段。

       由于化石燃料不含14C（14C半衰期：5730±40年），而现代生物质的14C丰度与当前大气的14C丰度一致，因此，通过测量大气中含碳物质的14C，能可靠估算化石燃料燃烧对大气碳质组分的贡献。中ke院广州地球化学研究所张干研究员团队在14C技术的研发与应用上已有10余年的研究积淀，开发了针对不同大气含碳物质14C的系列技术方法，该所14C加速器质谱实验室是国际上少数几个具有完备前处理技术平台的*实验室。

       近期，张干研究员团队在国家自然科学基金委主办的Fundamental Research期刊上系统综述了14C在大气中关键含碳物质（黑碳、多环芳烃、二氧化碳、甲烷）溯源与环境过程研究上的技术方法和应用进展，描绘了大气Δ14CO2在IPCC不同减排情境下的演化，并指出加强碳减排实施的必要性和紧迫性。最后，文章对14C在大气环境科学领域的研究方向进行了展望。

       谈及14C在我国的研究情况，张干研究员说道：“虽然我国科学家已逐渐认识到14C是研究人类活动影响大气环境和气候变化的利器，且取得了许多重要进展，但目前我国这方面的数据积累仍然比较薄弱，譬如我国还没有建立针对性的全国或重点地区14C观测网络。可喜的是，为了更有效服务我国碳减排行动和碳中和目标，在中国环境监测总站于今年5月发布的典型城市大气碳监测技术指南中，已纳入了大气Δ14CO2的测量任务。这无疑将极大地促进我国大气14C观测技术的发展与应用”。

       本研究强调了大气14C测量可为空气污染控制、碳减排政策效力评估提供科学依据。
 

图1. 放射性碳（14C）示踪化石源碳排放示意图
 

以上内容节选自期刊Fundamental Research 2021年第3期发表的文章 “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 ”

以上内容转载自中国核技术网

       早期进行14C测量使用的是β衰变法，即测量样品衰变产生的β射线的剂量来推断14C含量。这一方法测量周期较长，需要的样品量较大。后来超灵敏加速器质谱（AMS）技术的出现，通过直接测量14C原子数，使14C测定样品用量减少了3-4个数量级，测样时间缩短了近100倍。AMS设备具有精度高，速度快，样本量小等优点，但是AMS设备体积庞大，采购非常昂贵，目前国内也才有十几套设备。

       在大气14C的测定中有两个难点，首先在于有设备，第二在于样品制备。而对于实验来说，样品制备带来的干扰可能性更高。一般我们无法直接测试14C，需要对大气进行采集和纯化之后直接测试，或者使用 Zn-Fe 法将纯化的CO2 还原成石墨，制成靶后用加速器质谱仪进行14C测定。

       针对大气14C测定的两大痛点：设备昂贵和样品制备误差大，我们特别向各位老师提供一揽子解决方案——EA-IRMS-iRIS 13C 14C同位素测量系统。整套设备由四部分组成：1、Air CO2 PSM现场取样器；2、ECS 8070元素分析仪；3、ID Micro桌面质谱仪；4、PEM iRIS 14C分析仪。EA-IRMS-iRIS 13C 14C同位素测量系统是一个集CO2浓缩和纯化为一体，用于分离和检测大气中CO2的C稳定和放射性同位素分析设备。

图1. ECS 8070-IRMS-14C 大气CO2浓度，δ13C和14C分析仪
 

       该装置允许任何操作人员直接在现场收集纯CO2样品，不再需要样品袋/瓶。该装置结构紧凑，重量轻，可充电。

• 重量轻，仅3kg，随时可用，便于野外携带；

• 高流量泵，快速取样；

• 可充电电池，每次充电多达20个样品-快速充电，1.5小时*充电；

• 快速便捷样品管更换；

• H2O、VOC、NOX高效捕集器，捕集器易于更换；

• 规格：14×16×40cm。

       创新的ECS 8070大气CO2同位素前处理设备是一种强大而有用的仪器，能够在短时间内（10-60分钟）捕获和分离每个样品（10-100 mg）相对大量的CO2。采用吸附/解吸原理，用创新的纯化线路，可以消除水、VOC和NOX，只留下纯CO2气体。使用自动空气泵吸附/解吸使得系统使用非常简单，通过新的C-Quantum CO2吸附系统，可以通过自动再生系统处理大量的CO2，与其他系统相比，测量精度高，性能更好。ECS 8070 大气CO2兼容性高，容易对接各类同位素检测设备以测定碳稳定同位素（IRMS）和放射性成因14C的同位素比值。

• 自动化操作，用户使用友好；

• 允许更好的使用消耗品，并自动监控其状态，自动泄露测试；

• 三种可选配置：仅吸附、仅解吸、根据需要完成吸附/解吸循环；

• 用户可以设置所有的仪器参数，包括CO2捕集阱温度，载气压力和解吸时间；

• 便携式，可充电和轻量级的现场取样器；

• 专用CO2烘箱，快速加热和冷却循环；

• 功能强大的测试软件，结果可视化；

• 兼容性高，容易对接各类同位素检测设备以测定碳稳定同位素（IRMS）和放射性成因14C的同位素比值。

* 说明：

       后接ID Micro桌面质谱仪测试13C同位素比率，分析测试时间10min/样品；

       后接PEM iRIS 14C分析仪测试14C同位素比率，分析测试时间1h/样品。

       新一代ID Micro桌面同位素比质谱仪*打破了质谱设备的使用限定条件。它无需专门的实验室、体积极小，可以安置在桌面上，因此我们称之为桌面质谱仪。ID Micro 和ECS8070联用，能快速测定大气样品中的δ13C。

• 体积小巧（长70cm，宽30cm，高47cm），占用空间小；

• 可插拔可互换的高灵敏度离子源，更换快捷；

• 真空泵流速可选：70 L/s或250 L/s，取决于所需的灵敏度；

• 操作简单，使用方便，无需专人进行；

• 免维护操作；

• 低功耗，低成本。

       用现场采样器从不同地方采集4组大气样品， 通过8070 AIR_CO2 和 IRMS进行重现性测试，结果如下：

表1. 四个不同地理位置大气CO2的δ13C比率（单位：‰）

       PEM iRIS便携式放射性14C同位素分析仪基于分布反馈量子级联激光器（DFB-QCL）整合光腔衰荡光谱技术（CRDS），能够高频高精度定量测量14CO2或14C。放射性碳是化石燃料向大气排放二氧化碳的示踪剂，也被用于考古材料的年代测定，以及更为广泛的被用于石油、天然气和核工业等领域。通常情况下，放射性碳由加速器质谱（AMS）以*的成本和几天甚至几周的分析周期获得；而PEM iRIS便携式14C同位素分析仪则可以在低成本的和30~60分钟内获得相关数据，这标志着放射性碳分析检测手段的重大突破。

• 高精度14CO2 CRD线性吸收平台；

• 纯CO2分析消除N2O干扰；

• 整合14C 参照系统（sir-14C）；

• 易于整合外部模块和串联分析仪，用于不同形态样品分析和同位素分析，如12CO2 , 13CO2 和/或CO17O，CO18O；

• 体积小巧、操作方便、测量快速。