Datazione al radiocarbonio con spettrometria di massa con acceleratore

  • La spettrometria di massa con acceleratore (AMS) rileva il contenuto di carbonio-14 dei campioni.
  • La datazione AMS include l’accelerazione degli ioni ad energie cinetiche straordinariamente elevate, seguita da un’analisi della massa.
  • I campioni vengono convertiti in grafite prima della datazione al carbonio con AMS.
  • Anche se più costosa della datazione radiometrica, la datazione AMS ha una maggiore precisione e richiede minori quantità di campione.
  • Oltre che in archeologia e geologia, la datazione AMS viene utilizzata in campi come la ricerca biomedica e le scienze oceaniche.

Esistono due tecniche per misurare il contenuto di radiocarbonio dei campioni—la datazione radiometrica e la datazione AMS (spettrometria di massa con acceleratore).

Le due tecniche sono utilizzate principalmente per determinare il contenuto di carbonio-14 di reperti archeologici e campioni geologici. Questi due metodi di datazione al radiocarbonio utilizzano standard moderni come l’acido ossalico ed altri materiali di riferimento. Sebbene entrambi questi metodi garantiscano risultati di alta qualità, sono basati su principi fondamentali differenti.

I metodi di datazione radiometrica rilevano le particelle beta del decadimento degli atomi di carbonio-14, mentre gli spettrometri di massa con acceleratore conteggiano il numero di atomi di carbonio-14 presenti nel campione. Entrambi i metodi presentano vantaggi e svantaggi.

Spettrometria di massa con acceleratore

Gli spettrometri di massa rilevano gli atomi di elementi specifici in base al loro peso atomico. Tuttavia non hanno la sensibilità necessaria a distinguere le isobare atomiche (atomi di elementi diversi che hanno lo stesso peso atomico, come per il carbonio 14 e l’azoto 14—il più comune isotopo di azoto).

Grazie alla fisica nucleare, gli spettrometri di massa sono stati adattati per separare un isotopo raro da una grande massa vicina, segnando la nascita della spettrometria di massa con acceleratore. È stato così finalmente sviluppato un metodo per rilevare il carbonio-14 in un campione, ignorando gli isotopi più abbondanti che ne sovrastano il segnale.

Come funziona l’AMS?

radiocarbon AMS lab

Il processo di datazione al radiocarbonio con AMS si divide essenzialmente in due parti. La prima fase prevede l’accelerazione degli ioni ad energie cinetiche straordinariamente elevate, la seconda l’analisi della massa.

Esistono due tipi di acceleratori comunemente utilizzati per la datazione al radiocarbonio con AMS. Uno è il ciclotrone, l’altro è l’acceleratore elettrostatico tandem.

Analisi AMS con acceleratore Tandem

Dopo il pretrattamento, i campioni sono preparati per essere utilizzati in uno spettrometro di massa con acceleratore convertendoli in grafite solida. Questo avviene convertendo i campioni in anidride carbonica con successiva grafitizzazione in presenza di un catalizzatore metallico. Bruciando i campioni per convertirli in grafite, tuttavia, si introducono nel campione anche altri elementi come l’azoto-14.

Una volta che i campioni sono stati convertiti in pochi milligrammi di grafite, vengono pressati su un disco di metallo. Anche i materiali di riferimento vengono pressati su dischi di metallo. Questi dischi vengono montati su un supporto rotante in modo che possano essere analizzati in sequenza.

In seguito, ioni vengono sparati sui campioni da una pistola al cesio, producendo atomi di carbonio ionizzati negativamente. Questi passano attraverso i dispositivi di focalizzazione ed un magnete a iniezione prima di raggiungere l’acceleratore tandem, dove sono accelerati verso il terminale positivo da una differenza di tensione di due milioni di volt.

In questa fase, gli altri atomi con carica negativa sono instabili e non possono raggiungere il rivelatore. Gli atomi di carbonio con carica negativa, tuttavia, passano su di uno “stripper” (un gas o un foglio di metallo) dove perdono gli elettroni ed emergono come atomi di carbonio con tripla carica positiva. In questa fase, eventuali molecole presenti vengono eliminate, poiché non possono esistere in questo stato di tripla carica.

Gli atomi di carbonio con tripla carica positiva accelerano ulteriormente allontanandosi dal terminale positivo e passano attraverso un altro set di dispositivi di focalizzazione dove avviene l’analisi della massa.

Nell’analisi della massa, un campo magnetico viene applicato a queste particelle in movimento, che vengono deviate dal proprio percorso. Se le particelle cariche hanno la stessa velocità, ma masse differenti, come nel caso degli isotopi di carbonio, le particelle più pesanti subiscono una deviazione minore. I rilevatori posti a diversi angoli di deviazione contano quindi le particelle.

Al termine del ciclo AMS, i dati raccolti non includono solo il numero di atomi di carbonio-14 nel campione, ma anche la quantità di atomi di carbonio-12 e carbonio-13. Con questi dati, è possibile conoscere il rapporto di concentrazione degli isotopi e valutare il loro livello di frazionamento.

Vantaggi dell’analisi AMS

Il principale vantaggio che la datazione al radiocarbonio con AMS offre rispetto ai metodi radiometrici è la ridotta quantità di campione richiesta. Gli spettrometri di massa con acceleratore richiedono da un minimo di 20 ad un massimo di 500 milligrammi per campioni per i quali i metodi convenzionali richiedono almeno 10 grammi, ad esempio legno e carbone, e fino a 100 grammi per ossa e sedimenti. Gli spettrometri di massa con acceleratore richiedono solitamente minori quantità di campione rispetto ai metodi tradizionali, con un rapporto di 1 a 1.000.

La datazione al radiocarbonio è un processo distruttivo. Per questo motivo, grazie alla capacità di analizzare quantità di campione anche estremamente ridotte, la spettrometria di massa con acceleratore è il metodo scelto dagli archeologi che vogliono datare piccoli artefatti e da chi non può distruggere materiali molto costosi o rari.

Grazie alla sensibilità della spettrometria di massa con acceleratore, è stata resa possibile la datazione al carbonio di piccole particelle di sangue, granelli o semi.

Inoltre la spettrometria di massa con acceleratore richiede meno tempo per analizzare il contenuto di carbonio-14 rispetto ai metodi di datazione radiometrici che possono richiedere uno o due giorni. Uno spettrometro di massa con acceleratore impiega poche ore per campione.

Infine, è necessario tenere presente che le misurazioni AMS raggiungono di norma una maggiore precisione ed un contesto ristretto rispetto ai metodi di datazione radiometrica.

Svantaggi della datazione al radiocarbonio con AMS

Uno spettrometro di massa con acceleratore è uno strumento molto potente, ma altrettanto costoso. Mettere e mantenere in funzione uno spettrometro di massa con acceleratore richiede milioni di dollari.

Date le piccole quantità di campione utilizzate è inoltre difficile controllare i contaminanti. Sono necessari pretrattamenti rigorosi per assicurarsi che i contaminanti vengano eliminati e non generino errori sostanziali durante il processo di datazione al carbonio.

AMS – Altre applicazioni

Oltre che in archeologia, geologia e nelle scienze oceaniche, l’analisi AMS viene impiegata anche nei laboratori biomedici, su campioni “caldi” sottoposti a misurazioni del carbonio-14 nell’ambito della ricerca medica.

La spettrometria di massa con acceleratore viene inoltre utilizzata in farmacocinetica, metabolomica, tossicologia e microdosaggio.

L’AMS è utilizzata per determinare i livelli di abbondanza naturale del carbonio-14 negli oceani, oltre che per datare al carbonio i depositi sedimentari. La spettrometria di massa con acceleratore è stata utilizzata per realizzare una mappa tridimensionale della distribuzione del carbonio-14 nel carbonio inorganico disciolto.