C14-Messverfahren

Für die Bestimmungen der ¹⁴C-Konzentration stehen unterschiedliche Verfahren zur Verfügung, die sich allerdings in Ihrer Genauigkeit und Präzision sehr stark voneinander unterscheiden.

Die Beschleuniger-Massenspektrometrie (engl. Accelerator mass spectrometry, AMS) ist ein hoch effizientes und exaktes Verfahren zur Bestimmung von Radiokohlenstoff. Das technisch aufwendige Verfahren arbeitet besonders effizient und bietet eine hohe Selektivität.

In einer Ionenquelle werden negativ geladene Ionen bzw. Molekülfragmente erzeugt und in einen Tamdembeschleuniger überführt. Hier werden die neg. Teilchen zunächst stark beschleunigt und durchlaufen eine Membran oder stoßen mit einem Gas zusammen. Bei diesem Kollisionen werden restliche Bindungen des Kohlenstoffs zu anderen Atomen zerstört gleichzeitig mehrere Elektronen entfernt (‚stripping‘). Aus den negativ geladenen C-Fragmenten entstehen mehrfach positiv geladene Kohlenstoffionen, die im zweiten Teil des Tamdembeschleunigers zu einem Anodenring hin weiter beschleunigt werden. Die Kohlenstoffionen erhalten auf diese Weise eine hohe kinetische Energie (> 0,2 MeV). Im weiteren Verlauf wird der Ionenstrahl mit einem Quadrupol fokussiert und mit einem s Sektormagneten umgelenkt. Dieser sorgt als Massenfilter für eine unterschiedlich starke Ablenkung der einzelnen C⁴⁺-Isotope. Hinter dem magnetischen Sektorfeld lassen sich die ¹²C⁴⁺- und ¹³C⁴⁺-Kohelstoffisotope detektieren und quantifizieren. Der verbliebene ¹⁴C⁴⁺-Ionenstrahl wird durch ein weiteres magnetisches Sektorfeld geführt und ggf. durch eine weitere Quadrupol-Linse gebündelt. Zum Schluss passiert der Ionenstrahl einen Geschwindigkeitsfilter, der nur Ionen einer bestimmten Geschwindigkeit und unabhängig von ihrer Masse und ihrer Ladung hindurchlässt. Die einzelnen Teilchen treffen auf einen Detektor und lösen dort einen Impuls aus, der elektronisch verstärkt und registriert wird. Jedes ¹⁴C⁴⁺-Ion wird dabei einzeln gemessen.

Die die Bestimmung der ¹⁴C-Konzentration mittels Beta-Ionisation basiert im Gegensatz zur Massenspektrometrie auf den radioaktiven Zerfall des zu untersuchenden Analyten und die damit verbundene Emission eines b-Teilchens (Elektrons). Im Falle der C14-Methode wird der Kohlenstoff in Form von gereinigtem CO₂-Gas und Argon in ein Proportionalzählrohr geleitet. Es enthält ein negativ geladenen Zylinderwand und einem positiv geladenen Mitteldraht. Zwischen Anode und Kathode besteht Hochspannung. Durch den b-Zerfall eines ¹⁴C-Teilchens wird ein Elektron emittiert und durch das elektrische Feld zum positiv geladenen Mitteldraht hin beschleunigt. Auf der Wegstrecke dorthin kollidiert es mit anderen Gasatomen, bei denen weitere Elektronen freigesetzt werden. Da auch diese wieder mit weiteren Gasatomen zusammenstoßen und Elektronen freisetzen können und alle über den Mittelleiter abgeleitet werden, kommt dadurch ein messbarer Stromimpuls zur Zählung der b-Zerfälle zustande. Da die Halbwertszeit von ¹⁴C-Kohlenstoff bei 5.715 Jahren liegt und das Messverfahren auch präzise Daten für Proben mit deutlich geringeren 14C-Konzentrationen liefern muss, sind Messdauern von mehreren Tagen unerlässlich. Außerdem reagiert das Verfahren sehr empfindlich auf störende äußere Einflüsse, wie kosmischer Strahlung und Verunreinigungen des Prüfgases mit Sauerstoff (O₂), Wasser (H₂O) und weiteren häufig vorkommenden Verbindungen.

Wie bei der Beta-Ionisation detektiert das LSC-Verfahren jeden einzelnen b-Zerfall eine ¹⁴C-Teilchens. Im Unterschied zur zuvor beschriebenen Beta-Ionisation erfolgt dies erst nach umfangreicher Aufbereitung der Probe und Umwandlung des Kohlenstoffs über Ethin (C2H2) und zu Benzol (C6H6) und abschließender Mischung mit einem flüssigen Szintillationsmittel. Jeder b-Zerfall löst in der Szintillationslösung eine Fluoreszenzreaktion aus, bei der ihrerseits Photonen emittiert werden. Um diese zu messen, wird die vorbereitete Messprobe über mehrere Tage mit einem Fotomultiplier-System beobachtet.

Die LSC eignet sich kaum für die Messung natürlicher ¹⁴C-Konzentrationen, da sie noch stärker als das Verfahren der Beta-Ionisation durch externe Einflüsse gestört wird. Probleme bereitet hierbei nicht nur das Hintergrundrauschen, sondern auch die Empfindlichkeit gegenüber Eigenabsorption von Photonen, die den Detektor nicht mehr erreichen.