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文献分享丨放射性碳同位素(14C):研究人类活动影响大气环境和气候变化的利器
来源:PRI-ECO        2021-11-24 11:19:11        阅读:45
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       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,全球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。全球变暖则可触发一系列难以预测的极端天气和气候灾害,给人们的生命健康和财产安全带来巨大隐患。空气污染、全球变暖这两大全球性环境问题,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。中国科学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先进实验室。

       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(https://www.ccnta.cn/article/7039.html

       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,第一在于有设备,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 1314C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 1314C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小时完全充电;
  • 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彻底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14CO214C。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)以极高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。

今天的分享就到这里了

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