C14-SCAR放射性碳分析仪

意大利ppqSense是INO-CNR(意大利国家光学研究所)的一个分支,成立于2016年4月,核心成员主要来自INO-CNR(意大利国家光学研究所)、LENS(欧洲非线性光谱实验室)和佛罗伦萨大学,目前旗下的产品包括QubeCL系列控制器(目前市面上电流噪声最小的QCL激光控制器)和放射性碳分析仪C14-SCAR。

产品描述

C14-SCAR是全球首台基于饱和吸收腔衰荡技术SCAR(Saturated-Absorption Cavity Ring-Down(SCAR),Cavity Ring Down Spectroscopy(CRDS))的放射性碳分析仪,也是目前为止市面上精度最高的放射性碳(14C)分析仪,探测灵敏度达到ppq级别(4×10-15,千万亿分之一)。首台设备已交付瑞典RISE科学技术研究院使用。

C14-SCAR内部结构配置有两个4527nm中心波长的QCL激光器,输出功可高达100mW,QCL的作用是在目标放射性二氧化碳转变周围提供稳定的频率参考,这套激光系统采用了一个具有两个锁环的频率稳定链,有效地缩小和控制激光器频率,搭配一个长度为1m的高精度光学谐振腔,其光程可达到7km。这种结构的设计旨在提高仪器的灵敏度、采集时间和所需碳样本数量方面的性能,另一方面,大幅降低成本、功耗和最终仪器的尺寸,从而设想了未来的可移植性。

性能指标

原理图:

指标:

仪器原理 饱和吸收腔衰荡(SCAR)
精度 2 pMC* in ~1
动态范围 0-106 pMC*
样本大小 <4 mg C (CO2)
价格 <500 k€(AMS> 1M€)
尺寸 <500 kg, 1.5 m2(AMS 3.0×2.3=7 m2)
功耗 3 kW,220V ac line(AMS约200KV)

仪器特点:

设备的紧密度高,其体积要比AMS小10-100倍,使用的场所限制变小。14C检测运行成本低,不需要高压、高真空的环境条件。

操作简单快捷,无需十分专业的训练。
可采样数量多,无需专门的实验室,每天分析约10个样品。
具有丰富的功能性,C14-SCAR可作为一种多功能同位素比质谱仪,可定制灵敏检测不同气体种类(N2O, CO,…)

目前国内能进14C检测的主要有核物理与核技术国家重点实验室(北京大学),中科院地球环境研究所,中科院广州地化所,还有著名的BETA实验室,这几所机构都属于商业化实验室,其中BETA实验室测定速度最快但也要大概14个工作日,测定成本较高,而且近几年来随着成本增加,价格多在两三千元甚至更高的价位。而ppqSense研制的C14-SCAR取样简单,在实际应用中整个14C样本的制备和检测过程极其简单快捷,不到30min的前期取样制备后再到样品的测定完成,整个过程根据实际情况只要一小时内到几个小时不等。

随着政策需求和环境问题的日益突出,碳监测将会是我国研究生产的一个重要方面,随着未来市场不断增长的需求将推进碳元素更为精密的检测,相信ppqSence的C14-SCAR的卓越性能会进一步推进碳监测市场的发展。

实验测试结果

RISE实验测定结果:AMS(红)和SCAR(绿)对生物柴油与普通柴油的混合组分测定对比:

从测定结果可以看出,从低混合度的1%逐渐趋向于几乎等比例混合的102%,C14-SCAR的测定精度都要明显高于传统的AMS方法,并且测定结果与其实际混合度相差十分微小,近乎能够做到百分百的准确测量。

放射性碳(14C)是一种放射性化学元素,作为生命的标志由于在自然界中的含量极低,其天然丰度约为1万亿个碳原子中有1个原子,因此检测难度极大。目前,高灵敏度的放射性碳检测是加速器质谱(AMS)的专利,但传统的质谱法检测体积大,购置成本高,检测成本较大。而ppqSense推出的这款C14-SCAR是基于饱和吸收腔衰荡SCAR(saturated-absorption cavity ring-down)的新型光谱技术的分析仪。

相较于美国Planetary Emissions Management Inc(PEM)研发的基于CRDS技术的放射性14C同位素分析仪,C14-SCAR是基于饱和吸收腔衰荡技术(SCAR),利用外差光谱系统测量放射性二氧化碳浓度,该系统配有两个4527nm的量子级联QCL激光器、一个参考池和一个高精细腔,样品气体冷却到170K,设备紧凑,对放射性碳检测的精度可到达4 x 10-15次方。

应用范围

环境监测和二氧化碳排放交易
二氧化碳排放交易已成为全球金融市场上衡量、估价和交换的产品。因此,C14-SCAR对于14C的高探测率对于地区准确测量14CO2具有极大的推动作用。

燃料中生物/化石组分的测定
石油的化学组成与物理性质有着密切的联系,两者的特征有利于研究石油形成、运移、聚集、保存、次生改造和分布,区分化石源排放和现代源排放的能力对油品质量评价和环境影响评价具有重要意义。C14-SCAR可以帮助有效测定出石油中的组成成分。

碳捕获和储存(CCS)监测
碳捕获与封存技术是指将CO2从工业或相关排放源中分离出来,输送到封存地点,并长期与大气隔绝的过程,这种技术被认为是未来大规模减少温室气体排放、减缓全球变暖最经济、可行的方法。

放射性碳年代测定法
放射性碳定年本质上是一种用来测量剩余放射能的方法,通过了解样品中残留14C含量,就可以知道有机物死亡的年龄。随着样品时间保存时间越久远,其反射性碳含量就越低,这就意味着测试仪器需要追求更高的精度,C14-SCAR在放射性碳监测的目前最高精度能有效得发挥作用。

监测核场所
核电站/废物储存库周围地区的放射性二氧化碳浓度较高,其放射性可能会给居民带来健康问题,因此其周围的放射性碳的持续监测十分重要。