Datação por Radiocarbono por Espectrometria de Massas com Aceleradores

  • A espectrometria de massas com aceleradores detecta o conteúdo de carbono 14 nas amostras.
  • A datação por EMA incluia aceleração de iões à energias cinéticas extremamente altas, seguida da análise da massa.
  • As amostras são convertidas a grafite antes da datação por carbono pela técnica EMA.
  • Embora seja mais cara do que a datação radiométrica, a datação pela técnica EMA oferece mais precisão e requer pequenas quantidades de amostra.
  • Além da arqueologia e geologia, a datação pela técnica EMA também é utilizada em outros campos de atuação, tais como nas pesquisas biomédicas e nas ciências oceânicas.

Existem duas técnicas para medir o teor de radiocarbono em amostras — a datação radiométrica e a datação por Espectrometria de Massas com Aceleradores (EMA).

Ambas técnicas são principalmente utilizadas na determinação do teor de carbono 14 de artefatos arqueológicos e amostras geológicas. Estes dois métodos de datação por radiocarbono utilizam padrões modernos, tais como o ácido oxálico e outros materiais de referência. Embora ambos os métodos de datação por radiocarbono sejam capazes de gerar resultados de alta qualidade, eles são fundamentalmente diferentes em princípio.

Os métodos de datação radiométrica detectam partículas beta da decomposição de átomos do carbono 14, enquanto que os espectrômetros de massas com aceleradores contam o número de átomos de carbono 14 presentes na amostra. Ambos métodos de datação por carbono têm vantagens e desvantagens.

Espectrometria de Massas com Aceleradores

Os Espectrômetros de massas detectam átomos de elementos específicos, de acordo com seus pesos atômicos. No entanto, os memos não têm a sensibilidade necessária para distinguir a linha isobárica atômica (átomos de elementos distintos com o mesmo peso atômico, tais como o carbono 14 e o nitrogênio 14 – o isótopo mais comum do nitrogênio).

Graças à física nuclear, os espectrômetros de massas foram aperfeiçoados para separar um isótopo raro de uma massa vizinha abundante, possibilitando o surgimento da espectrometria de massas com aceleradores. Um método foi finalmente desenvolvido para detectar carbono 14 em uma determinada amostra e ignorar os isótopos mais abundantes que inundam o sinal de carbono 14.

Como a Técnica EMA Funciona?

radiocarbon AMS lab

 

Há essencialmente duas partes no processo de datação por radiocarbono através de espectrometria de massas com aceleradores. A primeira delas inclui a aceleração de iões à energias cinéticas extremamente altas e, em seguida, realiza-se a análise da massa.

Dois sistemas de aceleradores são comumente utilizados para a datação por radiocarbono através da técnica de espectrometria de massas por aceleradores. Um deles é o ciclotrão e o outro é o acelerador eletrostático Tandem.

 

Análise pela Técnica EMA no Acelerador Tandem

Após o pré-tratamento, as amostras submetidas à datação por radiocarbono são preparadas para serem colocadas em um espectrômetro de massas com aceleradores, convertendo-as em um tipo de grafite sólido. Isto é feito pela conversão de dióxido de carbono com a grafitização imediata, na presença de um catalisador de metal. No entanto, ao incinerarmos as amostras para convertê-las em grafite, também introduzimos outros elementos às mesmas, tal como o nitrogênio 14.

Quando as amostras tiverem sido finalmente convertidas em poucos miligramas de grafite, elas são pressionadas contra discos de metal. Materiais de referência também são pressionados contra discos de metal. Os mesmos sãomontados em uma roda de comando para que possam ser analisados em sequência.

Iões de de uma arma de césio passam a ser disparados na roda de comando, produzindo átomos de carbono negativamente ionizados. Os mesmos passam através de dispositivos de enfoque, e de um ímã de injeção antes de alcançar o acelerador Tandem, onde são acelerados para o terminal positivo por uma diferença de voltagem de dois milhões de volts.

Nesta fase, outros átomos carregados negativamente estão instáveis e não podem chegar ao detector. Os átomos de carbono com carga negativa, no entanto, passam para o extrator (um gás ou uma lâmina de metal) onde perdem os elétrons e emergem como átomos de carbono tríplices e carregados positivamente. Nesta fase, as moléculas que talvez estejam presentes são eliminadas porque as mesmas não podem existir neste estado tríplice carregado.

Os átomos de carbono com carga positiva tríplice distanciam-se ainda maisdo terminal positivo e passam por um outro conjunto de dispositivos de enfoque, onde a massa é analisada.

Na análise de massa, um campo magnético é aplicado a essas partículas carregadas em movimento, o que faz com que as partículas se desviem do caminho que estão percorrendo. Se as partículas carregadas têm a mesma velocidade, mas massas diferentes, como no caso dos isótopos de carbono, as partículas mais pesadas são menos desviadas. Em seguida, detectores em diferentes ângulos de deflexão contam as partículas.

No final de uma análise por EMA, os dados obtidosincluem não apenas o número de átomos de carbono 14 na amostra, mas também a quantidade de carbono 12 e carbono 13. A partir destes dados, é possível chegar ao índice de concentração dos isótopos, permitindo a avaliação do nível de fracionamento.

Vantagens da Análise por EMA

A maior vantagem que a datação por radiocarbono pela técnica EMA tem sobre os métodos radiométricos é a quantidade pequena de amostra. Os espectrômetros de massas com aceleradoresrequerem de 20 a 500 miligramas de certos tipos de amostras, ao invés dos métodos convencionais que precisam de pelo menos 10 gramas de amostra, tal como a madeira e o carvão vegetal e até 100 gramas de ossos e sedimentos. Os espectrômetros de massas com aceleradores geralmente precisam de quantidades menores de amostras em relação aos métodos convencionais por um fator de 1.000.

A datação por radiocarbono é um processo destrutivo. Portanto, devido à sua capacidade de analisar amostras em até mesmo poucos minutos, a espectrometria de massas com aceleradores é o método preferido pelos arqueólogos que desejam analisar pequenos artefatos e nos casos em que não é possível destruir materiais muito caros ou raros.

Devido à sensibilidade do espectrômetro de massas com aceleradores, tornou-se possível fazer a datação por carbono de pequenas partículas, tais como as de sangue, de um grão ou semente.

A espectrometria de massas com aceleradores também leva menos tempo para analisar o teor de carbono 14 em amostras, em comparação com os métodos de datação radiométrica que podem levar até dois dias. Um espectrômetro de massa tem um tempo de execução de poucas horas por amostra.

Além disso, deve-se observar que as medições por EMA costumam apresentar mais precisão e fundos mais baixos do que os métodos de datação radiométrica.

Desvantagens da Datação por Radiocarbono pela Técnica EMA

Embora seja uma ferramenta potente, um espectrômetro de massas com aceleradores,também tem um alto custo. Montar e manter um espectrômetro de massas com aceleradores custa milhões de dólares.

Devido às pequenas quantidades de de amostras necessárias, o controle de contaminantes também é difícil. É necessário fazer um pré-tratamento rigoroso garantir que os contaminantes tenham sido eliminados e não ocasionem erros substanciais durante o processo de datação por carbono.

Outras Aplicações da Técnica de EMA

Além da arqueologia, geologia e ciências oceânicas, a EMA é utilizada pelos laboratórios biomédicos usando amostras “quentes” com teor de 14C no desenvolvimento de novos medicamentos.

Os espectrômetros de massas com aceleradores também são utilizados em farmacocinética, perfil metabólico, toxicologia e microdosagem.

A EMA é utilizada para determinar os níveis de abundância natural de carbono 14 em oceanos e também para determinar a idade de carbono de depósitos sedimentares. A espectrometria de massas com aceleradores foi utilizada na construção de um mapa tridimensional da distribuição de carbono 14 em carbono inorgânico dissolvido.