通过激光光谱技术对富含14C的环境样本进行AMS验证的高精度放射性碳分析

《Talanta》：AMS-validated high-precision radiocarbon analysis of 14C-enriched environmental samples by laser spectroscopy

SCAR技术用于核环境监测中14C/12C比值测定，与AMS和IRMS对比显示其精度误差小于4%，检测限达1 pMC，适用于115-2600 pMC范围样本。该研究首次通过同一样本气（CO2）分测验证SCAR可靠性，为核废料周边生物样本提供快速低成本替代方案。

　　

塔马什·瓦尔加（Tamás Varga）|达维德·马佐蒂（Davide Mazzotti）|米哈伊·莫尔纳尔（Mihály Molnár）|雅科波·加利（Iacopo Galli）|卢卡·瓦里基奥（Luca Varricchio）|巴拉兹·A·巴拉特（Balázs á. Baráth）|克劳迪娅·N·帕普（Klaudia N. Pap）|伊什特万·富托（István Futó）|萨韦里奥·巴塔利尼（Saverio Bartalini）

国际放射性碳加速器质谱（INTERACT）能力与培训中心，匈牙利核研究所（HUN REN Institute for Nuclear Research），地址：H 4026，Bem Square 18/c，德布勒森（Debrecen），匈牙利

摘要

放射性碳（¹⁴C）是核环境保护领域中的关键同位素之一。这种难以测量的同位素在核工业的辐射剂量贡献中占很大比例，因此在¹⁴C排放量较大的地区进行精确测量显得尤为重要。目前使用的技术如加速器质谱（AMS）和液体闪烁计数（LSC）能够确定¹⁴C的含量或¹⁴C富集样品的比率。然而，基于激光的光谱方法，例如饱和吸收腔衰减（SCAR）技术，可能为轻标记的碳质材料或略微富集¹⁴C的环境和植物样品提供一种快速、可靠且成本效益高的分析方法。本研究中检测的¹⁴C富集植物样品表明，SCAR方法在经过δ¹³C校正后，其测量结果与AMS的结果相差不到4%。这项研究首次展示了由相同CO₂气体制成的子样品，分别通过AMS、SCAR和同位素比质谱（IRMS）测量¹⁴C/¹²C和¹³C/¹²C同位素比的结果。比较研究表明，SCAR方法能够以足够的准确性和线性度测量植物样品中115至2600 pMC范围内的¹⁴C/¹²C比率，为有机样品超过自然环境水平（约100 pMC）的核环境保护和研究提供了新的选择。

引言

激光光谱和腔衰减方法在分析测试领域的应用得到了显著加速（Maity等人，2021年）。这些方法非常适合用于环境测试，以确定气体的混合比例（Defratyka等人，2021年；Richardson等人，2012年；Wahl等人，2006年）。值得注意的是，某些仪器具备进行同位素选择性测量的能力（de Graaf等人，2020年；Genoud等人，2019年；Jiang & McCartt，2024年；Pohlman等人，2021年）。这些仪器在同位素比测量领域的重要性日益增加。

数十年的研究促成了饱和吸收腔衰减（SCAR）技术的发展，该技术可用于测定来自含碳样品的¹⁴C/¹²C比率（Galli等人，2013年，2016年）。因此，SCAR已成为气体比例计数（GPC）、液体闪烁计数（LSC）和加速器质谱（AMS）测量¹⁴C的替代方法。SCAR方法在广泛的¹⁴C/¹²C范围内经过了严格测试，包括化石样品和不含¹⁴C的样品（0 pMC），以及现代样品（约100 pMC）。测试过程中使用了工业和考古样品，包括燃料、塑料、皮革、木材、纸张和葡萄酒（Carcione等人，2023年；Delli Santi等人，2021年；Guan等人，2025年；Ling等人，2025年；Varga等人，2024年）。此外，还使用来自核电站的约3000 pMC石墨样品与AMS技术进行了比较（Delli Santi等人，2022年）。SCAR的检测限约为1 pMC。由于分析需要超过1毫克的碳，对于碳含量非常低的样品或微小的考古样品，通常无法用SCAR替代AMS。然而，原则上对样品类型没有特别的限制。样品制备方法与AMS方法非常相似，目的都是产生纯CO₂，但不包括石墨化步骤。该方法在许多情况下表现出广泛的线性范围，使其即使在较高的¹⁴C/¹²C范围内也能可靠应用。

核环境保护样品需要与考古样品和低¹⁴C样品进行单独的实验室处理，以避免可能的¹⁴C富集导致的交叉污染。因此，这些样品通常会被AMS实验室作为预防措施排除在外。虽然这些样品也可以用LSC测量，但制备过程的复杂性和测量时间的消耗使得SCAR成为轻微富集¹⁴C样品的合适选择。

在本研究中，通过与标准AMS方法的比较，评估了SCAR的性能。使用从匈牙利一个近地表放射性废物处置场附近收集的¹⁴C富集环境（草）样品，在115至2600 pMC的测量范围内展示了SCAR的性能。这项研究的新颖之处在于它考察了100至2600 pMC范围内的轻微富集¹⁴C，并展示了通过燃烧后分离样品气体进行¹³C校正的潜力。

部分摘录

样品

样品是从一个近地表放射性废物储存设施（匈牙利Püsp?kszilágy的放射性废物管理、处理和处置有限公司）收集的，具体来自其控制区和监督区。控制区是设施的核心部分，放射性废物储存在近地表和地表水池中，而监督区则是围绕控制区的围栏区域。

结果与讨论

测得的¹⁴C/¹²C比率范围为115至2600 pMC，涵盖了广泛的谱段，清楚地显示了放射性废物储存对附近生物的影响（目前自然¹⁴C水平约为100 pMC）。大多数样品的¹⁴C富集程度较低（低于400 pMC），其中五个样品超过400 pMC，三个样品超过1000 pMC。我们的结果首次展示了SCAR技术在该领域的应用性能。

结论

本研究中使用的SCAR原型与以往发布的仪器有很大不同。这个数据集标志着SCAR长期发展的一个里程碑：在样品消化（燃烧）后，相同的CO₂气体被用于SCAR和AMS的¹⁴C分析，以及补充的IRMS δ¹³C测量。之前的比较分析通常将原始样品分成多个子样品，这意味着¹⁴C/¹²C同位素比无法直接比较。

CRediT作者贡献声明

达维德·马佐蒂（Davide Mazzotti）：撰写原始草稿、监督、方法论设计、调查、数据分析、数据管理。塔马什·瓦尔加（Tamás Varga）：撰写原始草稿、可视化处理、验证、监督、方法论设计、调查、数据分析、概念化。萨韦里奥·巴塔利尼（Saverio Bartalini）：撰写原始草稿、监督、资源协调、方法论设计、调查、数据分析、概念化。伊什特万·富托（István Futó）：方法论设计、调查。克劳迪娅·N·帕普（Klaudia N. Pap）：撰写原始草稿

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

该研究得到了欧盟和匈牙利政府的支持，并由欧洲区域发展基金共同资助，项目编号为GINOP-2.3.4-15-2020-00007 “INTERACT”。