La espectrometría de masas con aceleradores en la datación radiocarbónica

  • La espectrometría de masas con aceleradores (AMS) detecta el carbono 14 en muestras.
  • La datación por AMS consiste en acelerar los iones a energías cinéticas extraordinariamente altas para realizar un análisis de masa.
  • Las muestras se convierten en grafito antes de la datación radiocarbónica por AMS.
  • Aunque más cara que la datación radiométrica, la datación por AMS tiene una mayor precisión y es adecuada para muestras pequeñas.
  • Además de en arqueología y geología, la datación por AMS también se utiliza en otros campos como la investigación biomédica o en oceanografía.

Existen dos técnicas de medición de radiocarbono en muestras: a través de datación radiométrica y por espectrometría de masas con aceleradores (AMS).

Las dos técnicas se utilizan principalmente en la determinación de contenido de carbono 14 de objetos arqueológicos y muestras geológicas. Estos dos métodos de datación por radiocarbono usan estándares modernos tales como ácido oxálico y otros materiales de referencia y, aunque los dos métodos de datación por radiocarbono producen resultados de alta calidad, tienen principios fundamentalmente diferentes.

Los métodos de datación radiométrica detectan partículas beta a partir del decaimiento de átomos de carbono 14, mientras los espectrómetros de masas con aceleradores cuentan el número de átomos de carbono 14 presentes en la muestra. Ambos métodos tienen ventajas y desventajas.

Espectrómetro de masas con aceleradores

Los espectrómetros de masas detectan átomos de elementos específicos de acuerdo a sus pesos atómicos. Sin embargo, no tienen la sensibilidad para distinguir isobaros atómicos (átomos de elementos diferentes que tienen el mismo peso atómico, tal como en el caso del carbono 14 y el nitrógeno 14, el isótopo más común de nitrógeno).

Gracias a la física nuclear, los espectrómetros de masas se pudieron ajustar para separar un isótopo raro de una masa vecina abundante, naciendo así el espectrómetro de masas con aceleradores y un método para detectar el carbono 14 en una muestra ignorando los abundantes isótopos que inundan la señal de carbono 14.

¿Cómo funciona el AMS?

La datación por radiocarbono a través de espectrómetro de masas con aceleradores consta de dos partes fundamentales: la primera parte consiste en acelerar los iones a energías cinéticas extraordinariamente altas y el siguiente paso consiste en realizar un análisis de masa.

Hay dos sistemas aceleradores comúnmente utilizados para datación por radiocarbono con un espectrómetro de masas con aceleradores: el ciclotrón, y el acelerador electrostático en tándem.

Análisis de AMS con acelerador en tándem

radiocarbon AMS lab

Después del pretratamiento, las muestras a datar se preparan para el espectrómetro de masas con aceleradores, convirtiéndolas en una forma de grafito sólido. Esto se realiza mediante la conversión a dióxido de carbono con la subsiguiente grafitización en presencia de un catalizador metálico. Sin embargo, al quemar las muestras para convertirlas en grafito, se introducen otros elementos en la misma, como nitrógeno 14.

Cuando las muestras han sido finalmente transformadas en unos pocos miligramos de grafito, se introducen en un disco de metal. Asimismo también se introducen otros materiales de referencia son también presionados en estos discos de metal, que se montan luego en una rueda de referencia para que puedan analizarse de manera secuencial.

Posteriormente, se bombardean de cesio contra la rueda de referencia, produciendo átomos de carbono ionizados negativamente que pasan a través de dispositivos de enfoque y un imán de inyección antes de alcanzar el acelerador en tándem, donde son aceleran hacia la terminal positiva por una diferencia de voltaje de dos millones de voltios.

En esta etapa, otros átomos cargados negativamente son inestables y no pueden llegar al detector. Los átomos de carbono con carga negativa, sin embargo, pasan al stripper (un gas o una lámina de metal) donde pierden los electrones y emergen como átomos triples, cargados positivamente. Aquí, las moléculas que puedan estar presentes son eliminadas, ya que no pueden existir en este estado de carga triple.

Los átomos de carbono con triple carga positiva alejan aún más de la terminal positiva y pasan a través de otro conjunto de dispositivos de enfoque en el que se produce el análisis de masa.

En el análisis de masa, se aplica un campo magnético a estas partículas cargadas en movimiento, lo que provoca que las partículas se desvíen de la ruta que estaban recorriendo. SI las partículas cargadas tienen la misma velocidad pero diferentes masas, como en el caso de los isótopos de carbono, las partículas más pesadas se desvían con menos intensidad. Finalmente, los detectores con diferentes ángulos de desviación cuentan las partículas.

Al final del proceso de AMS se obtiene el número de átomos de carbono 14 en la muestra, así como la cantidad de carbono 12 y carbono 13. A partir de estos datos, la relación de la concentración de los isótopos permite evaluar el nivel de fraccionamiento.

Ventajas del análisis por AMS

La mayor ventaja que la datación por radiocarbono AMS tiene sobre el método radiométrico es que no necesita muestras grandes. Los espectrómetros de masas con aceleradores apenas necesitan muestras de 20 mg a 500 mg, mientras que los métodos convencionales necesitan por lo menos 10 gramos de muestra de materiales como la madera y el carbón vegetal, o unos 100 gramos para huesos y sedimentos. En general, los espectrómetros de masas con aceleradores suelen muestras 1.000 veces menores que los métodos convencionales.

La datación por radiocarbono es un proceso destructivo. Por lo tanto, debido a su capacidad para analizar pequeñas cantidades de muestras, el espectrómetro de masas con aceleradores es el método preferido de los arqueólogos que no cuentan con muestras más grandes o que no pueden destruir materiales muy costosos o raros.

Gracias a la sensibilidad de los espectrómetros de masas con aceleradores es posible datar partículas tan pequeñas como partículas de sangre, granos o semillas.

La espectrometría de masas con aceleradores también es un método más rápido que los métodos de datación radiométricos, que pueden necesitar uno o dos días. El espectrómetro de masas con aceleradores tiene un tiempo de ejecución de pocas horas por muestra.

Por último, cabe señalar que las mediciones AMS suelen tener una mayor precisión y necesitan menores referencias que los métodos de datación radiométricos.

Desventajas de la datación de radiocarbono por AMS

Un espectrómetro de masas con aceleradores es una poderosa herramienta, pero también es muy costoso. Configurar y mantener una de estas máquinas cuesta millones de dólares.

Asimismo, porque se utiliza para muestras pequeñas, el control de los contaminantes es difícil. Son necesarios pretratamientos rigurosos que garanticen que los contaminantes han sido eliminados y no inducirán a errores substanciales durante el proceso de datación.

Otras aplicaciones del análisis por AMS

Aparte de en la arqueología, la geología y la oceanografía, el análisis por AMS también se utiliza en laboratorios biomédicos en muestras “calientes” marcadas con 14C para el descubrimiento de fármacos.

Los espectrómetros de masas con aceleradores también se utilizan en farmacocinética, perfiles de metabolitos, toxicología, y micro dosificación.

También se utilizan para determinar los niveles de abundancia natural de carbono 14 en los océanos, así como para datar los depósitos sedimentarios. La espectrometría de masas con aceleradores también se ha utilizado en la construcción de un mapa tridimensional de la distribución de carbono 14 en carbono inorgánico disuelto.