Introduzione
Il carbonio è alla base della vita ed è presente in tutti gli esseri viventi.
Il radiocarbonio, o carbonio-14 (noto anche come 14C), è un isotopo instabile e leggermente radioattivo del carbonio, presente in tutti gli esseri viventi in quantità minime. Essendo radioattivo, la quantità di radiocarbonio diminuisce gradualmente attraverso il decadimento fino a esaurirsi completamente. La datazione al radiocarbonio utilizza il carbonio-14 per determinare il momento della morte di qualcosa o qualcuno.
Formazione ed evoluzione del 14C
La produzione di nuovi atomi di 14C nell’alta atmosfera bilancia la perdita di atomi di 14C dovuta al decadimento radioattivo. Durante il suo ciclo di produzione e decadimento, il radiocarbonio viene ossidato per formare 14CO2, quindi si dissolve in parte nell’acqua e in parte viene convertito in carbonio organico dalle piante attraverso la fotosintesi.
Il radiocarbonio entra nella catena alimentare attraverso le piante, tramite il consumo primario (animali erbivori) e secondario (animali onnivori). I consumatori secondari e terziari (carnivori), a loro volta, si nutrono dei consumatori primari (o secondari o terziari), diffondendo così il 14C lungo tutta la catena alimentare.
Dissolvendosi in acqua, il 14C permea anche gli oceani ed è quindi un isotopo presente in tutti gli esseri viventi secondo un rapporto preciso, chiamato abbondanza isotopica naturale.
L’abbondanza naturale del 14C non rimane costante nel tempo, ma è alterata dalle variazioni delle radiazioni cosmiche e del campo magnetico terrestre e, più recentemente, dalle attività antropiche; in ogni caso, tutti gli esseri viventi scambiano continuamente radiocarbonio, rimanendo in costante equilibrio con l’abbondanza naturale fino al momento della loro morte.
La conseguenza di quest’ultima affermazione è che il radiocarbonio è un perfetto indicatore di vita: gli esseri viventi assorbono continuamente il 14C, che inizia a decadere solo al momento della morte. Pertanto, misurando la concentrazione residua di 14C e conoscendo l’emivita, è possibile risalire al momento della morte o stabilire la frazione biogenica (contenente 14C) e la frazione fossile (derivata dal petrolio, non contenente 14C) in qualsiasi sostanza.
L’abbondanza naturale di 14C nell’atmosfera non è sempre rimasta costante nel tempo, ma a parte eventi significativi di origine naturale (come l’intensa attività solare), la causa di una forte variazione della concentrazione di radiocarbonio presente in natura è attribuibile all’uomo.
Infatti, a partire dal periodo della rivoluzione industriale, a causa dell’estrazione e dell’utilizzo di combustibili fossili come il carbone e, successivamente, il petrolio, l’uomo ha introdotto carbonio fossile nell’atmosfera, disturbando il ciclo naturale del carbonio.
Il picco delle bombe
Il cosiddetto picco delle bombe è il periodo compreso tra il 1944 e il 1985, l’era dei test nucleari caratterizzata dalle detonazioni di bombe termonucleari, che hanno raddoppiato il contenuto di 14C nella troposfera. Il picco di concentrazione di radiocarbonio è stato raggiunto nel 1963, poco prima della firma del Trattato sul divieto dei test nucleari tra Unione Sovietica, Gran Bretagna e Stati Uniti.
L’ultimo periodo è quello iniziato nel 1980, in cui il contributo della CO2 fossile prodotta dall’uomo è quello che ha il maggiore impatto sui cicli stagionali del 14CO2 nell’emisfero settentrionale. Oggi il livello di concentrazione è tornato ai livelli precedenti ai test atomici, ma è certo che se l’uomo continuerà a rilasciare CO2 fossile nell’atmosfera, questo livello è destinato a diminuire in modo significativo e in proporzione alle emissioni.
Messaggio chiave
La datazione al radiocarbonio ci permette di misurare il contenuto bio-based dei prodotti perché sono
una combinazione di materiali provenienti da organismi viventi recenti e materiali fossili.
I materiali derivati da organismi viventi recenti (la componente bio-based) contengono carbonio-14, mentre i materiali fossili (derivati dal petrolio) non contengono più questo isotopo debolmente radioattivo. Quindi, tutto il carbonio-14 nel prodotto viene dalla componente bio-based.
Ad esempio:
misurando il contenuto di radiocarbonio di un combustibile (o di una plastica) è possibile determinare se è stato prodotto da petrolio fossile o da materiale biogenico rinnovabile.
Tecnologie disponibili
Il rilevamento del 14C è davvero difficile, a causa della sua concentrazione estremamente bassa in natura: la sensibilità richiesta è di 1 parte su 1015
Fino a pochi anni fa, le uniche due tecniche di rilevamento in grado di raggiungere la sensibilità richiesta erano:
❖ Spettrometria di massa con acceleratore (AMS)
❖ Conteggio a scintillazione liquida (LSC)
Il conteggio a scintillazione liquida (LSC)
L’LSC è una tecnica per misurare la concentrazione di radiocarbonio, sviluppata negli anni ’60.
La scintillazione liquida si basa sul fenomeno della scintillazione, ovvero l’emissione di luce da parte di una molecola (scintillatore) dopo che è stata eccitata da una particella carica o da un fotone ad alta energia. Nel caso del radiocarbonio, il decadimento beta del 14C consiste nell’emissione di un elettrone ad alta energia in grado di eccitare le molecole dello scintillatore.
La preparazione avviene trasformando il campione in CO2 attraverso la combustione o l’acidificazione; l’anidride carbonica così prodotta viene convertita in idrocarburi attraverso una serie di reazioni chimiche, oppure il campione può essere convertito in benzene marcato con 14C.
In ogni caso, il campione viene miscelato con uno scintillatore liquido, la soluzione contiene molecole fluorescenti (scintillatori primari) che emettono luce quando eccitate dalle particelle emesse dal campione radioattivo.
La spettrometria di massa con acceleratore (AMS)
L’AMS è uno strumento complesso per la spettrometria di massa su una vasta gamma di elementi con livelli di precisione molto elevati. Combina la spettrometria di massa tradizionale (MS) con un acceleratore di particelle, comunemente di tipo tandem, ovvero costituito da due stadi di accelerazione in serie, uno che agisce sugli ioni negativi e l’altro sugli ioni positivi ottenuti dall’estrazione di elettroni dagli ioni negativi accelerati dal primo stadio.
L’analisi AMS del 14C richiede che i campioni da analizzare siano convertiti in grafite. Questo processo comporta una prima ossidazione del carbonio contenuto nel campione in CO2 mediante combustione, seguita da una successiva riduzione catalitica in carbonio elementare.
Il campione grafitizzato viene introdotto nell’AMS, dove una sorgente di ioni lo ionizza. La fase successiva è quella di pre-accelerazione, in cui gli ioni prodotti dalla ionizzazione del campione vengono estratti dalla sorgente e accelerati a un’energia relativamente bassa.
La fase successiva è il passaggio degli ioni nel primo stadio dell’acceleratore principale, dove un generatore di alta tensione genera un campo elettrico oscillante che fornisce l’energia dell’ordine di pochi MeV necessaria per accelerare gli ioni negativi.
14C SCAR – La nuova tecnologia
Lo spettrometro 14C SCAR (Saturated-absorption CAvity Ring-down) è uno spettrometro nuovo e innovativo per la misurazione del 14C.
Sviluppato da un team del Consiglio Nazionale delle Ricerche italiano, è in grado di misurare la frazione molare del radiocarbonio in qualsiasi campione utilizzando la tecnica SCAR, che migliora i limiti del CRD (cavity ring down) di oltre un ordine di grandezza.
Confronto
La spettroscopia di massa con acceleratore (AMS) rileva il rapporto isotopico degli ioni 12C, 13C e 14C. Il suo utilizzo è aumentato, ma i costi economici ed energetici rendono difficile la sua gestione.
Il conteggio a scintillazione liquida (LSC) utilizza il conteggio del decadimento β, ma con una precisione insufficiente per le applicazioni di monitoraggio, richiedendo quindi grandi quantità di campioni, dosi elevate di isotopi e una difficile automazione delle misurazioni.
Il 14C SCAR rileva i fotoni IR assorbiti. È stato dimostrato e commercializzato per la quantificazione del 14C in molte applicazioni. La qualificazione per un uso diffuso richiede un minor fabbisogno di campioni, una migliore modularità e automazione.
Potenziali applicazioni
Le tecniche AMS e LSC non sono in grado di soddisfare la domanda sempre crescente di analisi. Di conseguenza, nel corso degli anni di sviluppo dello SCAR 14C, molte organizzazioni hanno manifestato interesse per questo strumento di misurazione, affascinate dalla possibilità di eseguire misurazioni della concentrazione di radiocarbonio con relativa semplicità.
Monitoraggio ambientale: il radiocarbonio consente valutazioni qualitative e quantitative dell’origine delle fonti di emissione attraverso l’analisi diretta dell’aria o del particolato atmosferico
Ricerca medica: il radiocarbonio è utilizzato in alcune applicazioni di imaging medico, come la tomografia a emissione di positroni (PET). È utilizzato anche in alcuni studi di farmacocinetica, dove vengono accuratamente testate le proprietà farmacocinetiche dei nuovi farmaci. Il radiocarbonio è utilizzato come marcatore per studiare l’assorbimento, la distribuzione, il metabolismo e l’escrezione nella farmacocinetica.
Industria dei combustibili: è possibile analizzare qualsiasi tipo di combustibile al fine di quantificare la frazione biogenica e la frazione fossile. In particolare, vi è un forte interesse per la certificazione dei biocarburanti e il 14C SCAR si presenta come uno dei possibili modi semplici per certificare i biocarburanti, verificando che le specifiche dichiarate (% di biocarburante) siano effettivamente rispettate. Inoltre, le aziende produttrici di combustibili possono beneficiare di agevolazioni fiscali inserendo una certa percentuale (che varia da paese a paese) di biocarburante per ogni determinata quantità di combustibile fossile.
Industria della moda: si tratta di un settore sempre più interessato ai materiali biobased per i propri prodotti e alla riduzione dell’uso di materiali fossili (derivati dal petrolio) lungo tutta la catena produttiva. Anche in questo caso, il 14C SCAR si presenta come uno strumento di facile utilizzo per certificare l’origine di una materia prima o del prodotto finito.
Monitoraggio nucleare: le radiazioni provenienti dalla fusione nucleare aumentano significativamente la concentrazione di radiocarbonio nei materiali che colpiscono. Di conseguenza, è possibile monitorare i livelli di radioattività nell’industria nucleare misurando la concentrazione di 14C.
Configurazioni possibili
A seconda dell’applicazione, NC Technologies è in grado di fornire la soluzione migliore per le misurazioni del 14C.
Oltre all’analizzatore elementare mod. ECS 8024 – C14 e al concentratore mod. 8070 AIR CO2, possiamo fornire un rivelatore IRMS, mod. COMPACT IDmicro, per l’analisi degli isotopi stabili del carbonio.
Infatti, la misurazione degli isotopi stabili (carbonio-13/carbonio-12) corregge l’età del radiocarbonio compensando l’effetto del frazionamento isotopico, che può verificarsi durante i processi biologici.
Questa analisi è fondamentale per i materiali vegetali non identificati e i campioni ossei al fine di migliorare l’accuratezza della datazione e determinare la qualità del campione.
La correzione dell’effetto serbatoio è un’altra correzione necessaria per i campioni marini, per compensare la diluizione del carbonio-14 nell’acqua di mare rispetto alla media globale.
