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了解同位素分餾作用

穩定同位素碳13(13C)和碳12(12C)的同位素分餾指的是,由於原子量不同而在自然生物化學反應過程中造成碳同位素比例浮動。1此類變化與時間和自然界的放射性衰變無關。這是放射性碳實驗室的常用做法,用於對樣品分餾時進行放射性碳活動校正。測出的年齡稱為“標準年齡”,意味着測量活動已經 -25 o/oo(每千分一)和VPBD修正。校正部分必須從常規放射性碳年齡中加上或减去。


Beta實驗室的測試費用已包含δ13C處理費以及C14測試費。實驗室也可單獨提供δ13C處理(水樣品除外)。請聯繫實驗室諮詢實際費用。


測試同位素分餾的意義

為了提供精準的放射性碳定年結果,利用穩定同位素C13和C12來校正同位素分餾效應是非常必要的。此校正可以校準現代參考標準和樣品資料之間新陳代謝與呼吸作用差異所產生的誤差。其測量單位為“δ13C”。

BETA實驗室測試兩個δ13C值
– 一個值用於校正總分餾效應(自然、化學和AMS)。
這個值沒有在報告中顯示,它是被用來計算校正“常規放射性碳年齡”的。請注意:報告中的“常規放射性碳年齡”是經過同位素分餾校正之後的結果。

– BETA實驗室同時會測試第二個δ13C值,使用同位素比值質譜儀測試得出的(IRMS δ13C)。
此值即可代表樣品本身的值並顯示於報告中。它才是學術研究所需要的值。

相較之下,報告“AMS δ13C”會造成誤導和誤解。放射性碳相關研究人員應該注意在他們的研究中使用哪個δ13C值,到底是IRMS δ13C還是AMS δ13C。如果是AMS δ13C,則不能用於飲食結構或代謝途徑的研究。BETA實驗室出具的報告中δ13C值都是透過IRMS測得的。

同位素分餾的產生和測量

AMS dating lab equipment碳在地球化學過程發生了遷移,因此碳元素(12C、13C 和14C)的均衡分布發生了變化。Craig (1953)首次指出,在一些生物化學過程中會造成碳元素平衡的改變。 例如,植物在光合作用傾向於吸收含有輕碳同位素(12C)的CO2 ,所以經過光合作用後,同位素C13較大氣中的自然比例少了1.8%(Harkness, 1979)。相反地,溶解於海洋中的無機碳與大氣中的CO2相比,13C增加了0.7%。

14C/12C比例(精準測量而得)的同位素分餾範圍大約是測得13C/12C比例的2倍。若同位素分餾發生在自然過程中,那麼則可透過測量樣品中的13C/12C比例進行校正。該比例可透過普通質譜儀測得。樣品所測得的同位素豐度將表達為δ13C,這代表了樣品與國際PDB標準物質(一種碳酸鹽物質)之間每千分碳13含量的差别。(Keith et al., 1964; Aitken, 1990)。δ13C值代表與PDB標準偏差的千分數。 PDB為美國南卡羅來納州白堊系皮狄組地層內似箭石的碳氧同位素豐度比,可用作碳同位素的國際統一標準。該術語現已修改為VPDB (Coplen, 1994)。

δ13C值能反映出許多關於環境的重要資訊,如樣品是從何而來,或者是否由多種材料混合而成,這是因為樣品的同位素值可以反映出直接環境的同位素豐度。以貝類生物為例,一般海洋生物的δ13C值在 -1 至+4 o/oo(每千分)之間,而生活在河流的貝類,它們的δ13C值則介於 -8 至-12 o/oo(每千分)之間。因此,若我們不清楚貝類生活的具體環境,我們可以透過對δ13C結果進行分析,從而推斷出最有可能的生活環境。

分餾同時也可用來描述由非自然原因引起的同位素比例變化。例如,實驗室可透過許多方法對樣品進行分餾;從某階段至下一個階段,或從實驗室的某單位至另一單位的未完全轉化樣品。如在輻射測試法中,在準備制碳化鋰時,未完全合成的乙炔可能造成合成量不高並同時出現分餾。同樣地,在真空系統中,若氣體轉換没有與總量保持平衡,則也會出現分餾誤差。在這種情況下,較大或較小的原子更受青睞。但是,若樣品能完全轉化(如固體轉化為氣體、乙炔轉化為苯),則不會出現由實驗室引起的分餾。

常規放射性碳年齡(BP)和C13/12校正

放射性碳測試被稱為常規放射性碳年齡(或CRA) ,是根據 Stuiver 及 Polach(1977)於Radiocarbon期刊發表的参數而定。在進行CRA測試時,對過去C14活動程度設定為不變。假定C14活動程度與國際絕對放射性碳活動標準保持一致。

The 常規放射性碳年齡 BP 是根據放射性碳衰變公式計算得出/p>

t=-8033 ln(Asn/Aon)

-8033表示14C的平均生命週期(Stuiver and Polach, 1977)。Aon是近代活動標準(按分鐘計算)、Asn是樣品的同等cpm,而ln代表自然對數。

CRA 遵守以下公約:

  • 半衰期為5568年;
  • 採用 Oxalic Acid I或II 作為近代放射性碳標準;
  • 將樣品同位素分餾校正為每千-25.0的正常值或基值(相對於VPDB標準中的δ13C比例)
  • 零BP為公元1950年 ,如所有C14年齡都從1950年前開始計算 ;
  • 假定全球C14含量一直保持不變。

參考資料:

1. Royal Ervin Taylor, Radiocarbon Dating: An Archaeological Perspective (1987), Academic Press