Optický přístup nabízí rychlejší a levnější metodu datování uhlíku

Our Miss Brooks: House Trailer / Friendship / French Sadie Hawkins Day (Červenec 2019).

Anonim

Výzkumníci z Istituto Nazionale di Ottica (INO) v italském Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) demonstrovali nový kompaktní spektroskopický přístroj, který nabízí vysoce citlivou optickou metodu pro detekci koncentrace oxidu uhličitého, která může být použita k fosilním datem uhlíku a archeologickým artefakty.

Přístroj, který používá nový přístup s názvem SCAR, je popsán v časopise Optical Society pro výzkum vysokých dopadů, Optica. SCAR nabízí značnou úsporu času a nákladů ve srovnání se standardním přístupem pro datování uhlíku a může být užitečné pro řadu dalších aplikací, jako je měření emisí z fosilních paliv nebo certifikace množství biogenního obsahu v biopalivech.

Rychlejší, levnější datování uhlíku

Současné procesy datování uhlíkem vyžadují, aby vědci poslali vzorku do velkého zařízení pomocí hmotnostního spektrometru urychlovače a poté počkali několik týdnů, než získali výsledky zpět. Hmotnostní spektrometrie urychlovače měří množství uhlíku-14 nebo radioaktivního uhlovodíku přítomného ve vzorku, které lze použít k výpočtu jeho věku. Po celém světě je toto zařízení vybaveno pouze asi 100 zařízeními.

"Hmotnostní spektroskopie urychlovače může být použita ke kosmickému datu kostí, dřeva, tkanin nebo cokoliv biologického původu, které určují svůj věk až před 50 000 lety, " uvedl Iacopo Galli, člen výzkumného týmu. "Pomocí naší nové techniky můžeme udělat něco podobného, ​​ale s nižšími náklady a rychlejším termínem dodání výsledků."

Vědci uvádějí, že jejich přístroj SCAR dokáže detekovat koncentraci oxidu uhličitého s přesností 0, 4 procenta, což se blíží 0, 2 procentům přesnosti nejlepších hmotnostních spektrometrů urychlovače. Nová technika může přinést výsledky za pouhé dvě hodiny, přičemž každý test stojí zhruba polovinu toho, co by se uskutečnil, pokud by byl prováděn s použitím hmotnostního spektrometru urychlovače.

Vědci odhadují, že přístroj SCAR je zhruba 100krát menší a desetkrát levnější než přístrojové vybavení potřebné pro hmotnostní spektrometrii urychlovače. Jeho velikost a náklady by se mohly ještě snížit, jakmile bude nástroj převeden z aktuální stolní verze na přenosnější komerční prototyp.

"S přenosným přístrojem by bylo možné provádět přímé měření přímo na místě, přičemž výsledky byly vráceny ve velmi krátkém čase, " řekl Galli. "To by mohlo vést k revoluci přístupu, který archeologové používají pro uhlíkové datování, protože nebudou muset odesílat citlivé vzorky do laboratoře a čekat týdny na výsledek."

Zlepšení životního prostředí

Výzkumný tým zkoumá také několik aplikací svázaných s prostředím. Například měření koncentrace oxidu uhličitého lze použít k odlišení oxidu uhličitého vytvořeného spalováním fosilních paliv z jiných zdrojů oxidu uhličitého v atmosféře.

"Nástroje SCAR by mohly být instalovány v místních zařízeních v celém regionu, aby bylo možné provádět měření na různých místech najednou, aby bylo možné určit nejdůležitější místa znečištění, " uvedl člen výzkumného týmu Davide Mazzotti. Iniciativa podporující tvorbu cen uhlíku byla nedávno oznámena na konferenci OSN o změně klimatu v prosinci 2015, což naznačuje, že poptávka po přesných lokálních technologiích sledování znečištění by se mohla v budoucnu zvýšit. Takové zařízení by mohlo nabídnout způsob, jak spojit peněžní náklady nebo daně s znečištěním.

"Vyvinuli jsme velmi obecnou spektroskopickou techniku ​​a ukázali jsme, že lze použít k detekci radioaktivního oxidu uhličitého, " řekl Giovanni Giusfredi, člen výzkumného týmu. "V zásadě můžeme používat naše přístroje k detekci mnoha dalších molekul, jako je metan, oxid dusný a další skleníkové plyny nebo chemické látky, které jsou pro národní bezpečnost či forenzní zájmy zajímavé."

Jak to funguje

Přístroj SCAR detekuje hladiny radiokarbonů měřením, jak laserové světlo interaguje s oxidem uhličitým, který vzniká při spálení daného vzorku. Pro analýzu je oxid uhličitý ze spáleného vzorku umístěn do vakuové měřicí komory přístroje. Tam, světelný paprsek vyzařovaný z kvantového kaskádového laseru o velikosti 4, 5 mikronů - ideální vlnové délky pro detekci citlivých plynů - interaguje s oxidem uhličitým uvnitř 1 metru dlouhé optické dutiny s vysoce reflexními zrcadly na obou koncích.

Jak světlo opakovaně skáče mezi zrcátky, molekuly radiokarbonu v dutině absorbují některé světlo. Doba, po kterou světlo klesá z původní intenzity, se používá k výpočtu koncentrace radioaktivního uhlí v plynné směsi v dutině. Vysoce reflekční zrcadla vytvářejí efektivní cestu delší než 5 kilometrů pro interakce mezi světlem a vzorkem plynu. I když je absorpce malá pro jediný průchod, tisíce průchodů poskytují dostatečnou absorpci pro detekci stopových množství radioaktivního uhlíku.

"Přestože je přístroj poměrně jednoduchý, výkon získaný naším systémem je výsledkem dlouholetého studia fyziky různých optických komponent, " řekl Giusfredi. "Naše skupina spolupracovala s dalšími výzkumnými skupinami v USA, Japonsku a Švýcarsku na teoretické analýze a studovala kvantové kaskádové lasery."

Vědci dále zdokonalují svůj nástroj a zkoumají nové aplikace. Jedním z jejich dalších kroků je provést SCAR analýzy vzorků, které jsou významné pro různé oblasti, jako jsou archeologické artefakty a biopaliva, a přímo porovnávat tato měření s výsledky urychlovače hmotnostní spektrometrie ze stejných vzorků.

menu
menu