Izotopy wokol nas
Transkrypt
Izotopy wokol nas
Stanisław Kistryn Instytut Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego Wykład otwarty PTF oddział Szczecin Wydział Matematyczno-Fizyczny Uniwersytetu Szczecińskiego 20. kwietnia 2010 St. Kistryn - Izotopy wokół nas 2 Skala rozmiarów 20. kwietnia 2010 St. Kistryn - Izotopy wokół nas 3 Skala czasu: 15 mld lat 20. kwietnia 2010 St. Kistryn - Izotopy wokół nas 4 FIZYKA JĄDROWA STRUKTURA MATERII i ODDZIAŁYWAŃ 20. kwietnia 2010 St. Kistryn - Izotopy wokół nas 5 Oswojona fizyka jądrowa 20. kwietnia 2010 St. Kistryn - Izotopy wokół nas 6 Zastosowania fizyki jądrowej medycyna - diagnostyka Rentgenografia PozytonowaTomografia Emisyjna Tomografia bez nałogów 20. kwietnia 2010 25 lat alkoholizmu St. Kistryn - Izotopy wokół nas 20 lat heroiny 2 lata kokainy 7 Zastosowania fizyki jądrowej zobaczyć niewidoczne ślady FALSYFIKAT AUTENTYK Planetarium Uniw. Harvard Chicago Ioannes Bos, 24 marzec 1597 brak cynku srebro i rtęć walcowany 20. kwietnia 2010 wygląd obecny wkrótce po namalowaniu historia przemalowań mosiądz (miedź i cynk) kuty St. Kistryn - Izotopy wokół nas 8 Zastosowania fizyki jądrowej znaleźć i użyć „szpilki w stogu siana” Badania śladowych zawartości izotopów 20. kwietnia 2010 St. Kistryn - Izotopy wokół nas A k c e l e r a t o r o w a S p e k t r o s k o p i a M a s o w a 9 Krótkie kompendium terminów 20. kwietnia 2010 St. Kistryn - Izotopy wokół nas 10 Podstawowe informacje atom i jądro atomowe Planetarny model atomu 20. kwietnia 2010 St. Kistryn - Izotopy wokół nas 11 Podstawowe informacje składniki jądra, izotopy Protony – liczba atomowa Z Neutrony – liczba N Z + N = A – liczba masowa Izotopy – jądra o tym samym Z H 1 Wodór Z=1 N=0 20. kwietnia 2010 H 2 Deuter Z=1 N=1 H 3 Tryt Z=1 N=2 Izobary – jądra o tym samym A Izotony – jądra o tym samym N St. Kistryn - Izotopy wokół nas 12 Podstawowe informacje pierwiastki, izotopy 2 8 7 17 Cl Chlor 35.453 Masa atomowa mieszanina izotopów: 35 Cl (76%) 37 Cl (24%) 20. kwietnia 2010 St. Kistryn - Izotopy wokół nas 13 Podstawowe informacje izotopy – mapa nuklidów 20. kwietnia 2010 St. Kistryn - Izotopy wokół nas 14 Podstawowe informacje izotopy węgla C Z=6 protonów N=6 neutronów m = 12 a.m.u. stabilny 98.891% C Z=6 protonów N=7 neutronów m = 13.003 a.m.u. stabilny 1.109% C Z=6 protonów N=8 neutronów m = 14.003 a.m.u. niestabilny 1 na 1012 12 13 14 czyli 1 na bilion 20. kwietnia 2010 St. Kistryn - Izotopy wokół nas 15 Podstawowe informacje izotop węgla 14C – „szpilka” C Z=6 protonów N=6 neutronów m = 12 a.m.u. stabilny 98.891% C Z=6 protonów N=7 neutronów m = 13.003 a.m.u. stabilny 1.109% C Z=6 protonów N=8 neutronów m = 14.003 a.m.u. niestabilny 1 na 1012 12 13 14 czyli 1 na bilion 20. kwietnia 2010 16 kropli w 0.001 litra wody CZĘŚĆ JEDNA NA BILION basen olimpijski to 2500000 l 25 basenów zawiera bilion kropli St. Kistryn - Izotopy wokół nas 16 Podstawowe informacje czas połowicznego rozpadu T1/2 14 C → 14N + e− + νe t /T1/2 N/N0 0 1 • (t/T1/2) N = 1N0 • e–ln20.50 T1/2 = (5730 ± 40) lat 20. kwietnia 2010 St. Kistryn - Izotopy wokół nas 2 0.25 3 0.13 4 0.06 5 0.03 17 Izotop 14C w przyrodzie produkcja przez promieniowanie kosmiczne 14 N + n → 14C + p wiązanie w CO2 na wysokości 15 – 18 km rozpad 14C po śmierci organizmu zmniejsza jego ilość w szczątkach wszystkie organizmy łańcucha pokarmowego zawierają 14C opada na powierzchnię Ziemi 1-2 atomy/s/cm2 fotosynteza wprowadza 14 C do roślin 14 granica czułości datowania około 60 tys.18lat 20. kwietnia 2010 wykrywania C odpowiada St. Kistryn - granicy Izotopy wokół nas Podstawowe informacje zasada spektroskopii masowej 20. kwietnia 2010 St. Kistryn - Izotopy wokół nas 19 Uff, po wstępie … To co z tym można zdziałać ? 20. kwietnia 2010 St. Kistryn - Izotopy wokół nas 20 Zasada metody ASM akcelerator i spektrometr – „lupa” PRÓBKA ORAZ ŹRÓDŁO JONÓW AKCELERATOR TANDEM FILTR MAGNETYCZNY 20. kwietnia 2010 DETEKTOR GAZOWY IDENTYFIKUJE CZĄSTKI 14 FILTR ELEKTROSTATYCZNY St. Kistryn - Izotopy wokół nas 21 C Realizacja metody ASM akcelerator i spektrometr – „lupa” 20. kwietnia 2010 St. Kistryn - Izotopy wokół nas 22 Liquid Scintillation Counting „lupa” alternatywna ołowiana osłona fotopowielacz osłony spektrometr Perkin Elmer 1220 Quantulus fotopowielacz próbki czułość dokładność czas pomiaru koszt pomiaru koszt aparatury 20. kwietnia 2010 LSC AMS (pomiar aktywności) (pomiar liczby cząstek) 10-15 0.2% 1 miesiąc 600 zł 350 tys. zł 10-15 0.2% 120 sekund 1300 zł 7 mln. zł St. Kistryn - Izotopy wokół nas AMS / LSC 1 1 3·105 2 20 23 Izotopy stabilne „szkło powiększające” analiza 13C/12C CO2 dla m/z = 44; 45; 46 44 = 12C+16O+16O 45 = 13C+16O+16O 46 = 12C+16O+18O układ o 10 kolektorach m/z=28,29; m/z=32,33,34; m/z=36,40,44,45,46 dodatkowo kolektory m/z=2,3 Spektrometr masowy Thermo Fisher Scientific Delta V Advantage analiza 15N/14N N2 dla m/z = 28; 29 28 = 14N+14N 29 = 14N+15N dokładności pomiaru stosunku izotopów [‰] Próbki: • stałe o masie 50 µg • ciekłe o objętości 0.5 µl 20. kwietnia 2010 13 C/12C 0.006 15 N/14N 0.010 34 S/32S 0.010 St. Kistryn - Izotopy wokół nas 18 O/16O 0.012 2 H/1H 0.090 24 Czułość metody ASM Dla próbki o typowej masie 10 μg → czułość na poziomie 10-15 (określenie takiej zawartości 14C z dokładnością kilku procent) 2 2, śr. gł. 3.5 m pow.1156km km pow. , śr. gł. 17.6 m 16 kropli w 0.001 litra wody 20. kwietnia 2010 objętość jeziora Dąbie objętość zbiornika Czorsztyńskiego 196·106 m3 = 3·1015 kropli 235·10 St. Kistryn - Izotopy wokół nas 25 Zastosowania ASM (badań izotopowych) ARCHEOLOGIA GEOLOGIA datowanie obiektów o wieku do 60 tysięcy lat datowanie skał wulkanicznych datowanie osadów jeziornych erozja brzegów zbiorników wodnych wiek wód głębinowych FARMAKOLOGIA metody poszukiwania lekarstw nowe technologie produkcji antropogeniczne zanieczyszczenia rozprzestrzenianie zanieczyszczeń migracja zanieczyszczeń obieg wody i węgla w przyrodzie wpływ elektrowni jądrowych biopaliwa MIKROBIOLOGIA BIOMEDYCYNA metabolizm komórek substancje kancerogenne terapia antynowotworowa ŻYWNOŚĆ KRYMINALISTYKA pochodzenie narkotyków pochodzenie mat. wybuchowych miejsce i czas pobytu przestępcy wiek ofiary 20. kwietnia 2010 OCHRONA ŚRODOWISKA żywność ekologiczna składniki naturalne i syntetyczne zmiany przez konserwację oddziaływanie opakowania St. Kistryn - Izotopy wokół nas 26 Przykłady datowanych obiektów malowidła w grocie Chauvet-Pont-D'Arc najstarsze datowane na 31 tysięcy lat zwoje znad Morza Martwego psalm datowany na 30-50 rok 20. kwietnia 2010 całun turyński datowany na 1260-1390 rok St. Kistryn - Izotopy wokół nas 27 Frakcjonowanie izotopów stosunek izotopowy: stężenie izotopowe: 13 zawartoś ć rzadkiego izotopu [ CO ] R (13CO2 ) = = 12 2 zawartość najczę stszego izotopu [ CO2 ] [13CO2 ] [13CO2 ] R (13CO2 ) S ( CO2 ) = 13 = = 12 [ CO2 ] + [ CO2 ] [CO2 ] 1 + R(13CO2 ) 13 Frakcjonowanie izotopowe to zmiana zawartości izotopów przy przechodzeniu pomiędzy • różnymi fazami (woda → para wodna) • różnymi związkami chemicznymi (CO2 → węgiel w związkach organicznych) Przyczyny frakcjonowania izotopowego • mniejsza mobilność cięższych molekuł • niższa rozpuszczalność cięższych molekuł współczynniki frakcjonowania wegetacja ε=-20‰ CO2 atmosferyczny -7‰ rośliny tkanka ssaków -15‰ parowanie -27‰ ε=-9‰ trawienie ε=+12‰ powierzchniowe węglany morskie +2‰ materia organiczna gleby -27‰ rozkład ε=+15‰ węglany w glebie -12‰ 20. kwietnia 2010 St. Kistryn - Izotopy wokół nas 28 Względna zawartość izotopów δ = R próbka − Rs tan dard Rs tan dard δ C dla R VPDB 13 (⋅ 1000 ‰) belemnity – wymarłe morskie głowonogi standard = węglan wapnia CaCO3 kalcytowe rostra belemnita kredowego z formacji Pee Dee (Północna Karolina, USA) Vienna Pee Dee Belemnite (VPDB) [13 C] = 12 = 0.0112372 [ C] rośliny typu C3 – burak cukrowy δ13C=−28 ‰ 20. kwietnia 2010 δ O dla R VPDB 18 [18 O] = 16 = 0.0020672 [ O] rośliny typu C4 – trzcina cukrowa δ13C=−14 ‰ St. Kistryn - Izotopy wokół nas 29 Względna zawartość 14C współczesny stosunek 14C Fraction Modern A(14C ) próbka , − 25 FM = 0.95 ⋅ A(14C ) OX 1, − 19 rok 1950 = 0 BP (before present) 95% aktywności kwasu szczawiowego (oxalic acid I – H2C2O4) w 1950 roku względna zawartość 14C skorygowana na frakcjonowanie izotopów ∆ 14C = ( FM − 1) (⋅ 1000 ‰) 20. kwietnia 2010 aktywność drewna z 1890 roku (era preindustrialna) skorygowanej na rozpad radioaktywny do roku 1950 konwencjonalny wiek radiowęglowy w latach BP t = − 8033⋅ ln FM St. Kistryn - Izotopy wokół nas 30 Krzywa kalibracyjna wyznaczanie wieku 20. kwietnia 2010 St. Kistryn - Izotopy wokół nas 31 Kilka zastosowań radiowęgla 20. kwietnia 2010 St. Kistryn - Izotopy wokół nas 32 Ureazowy test oddechowy mocznik znakowany izotopami H2N C NH2 CO2 w wydychanym powietrzu O Helicobacter pylori bakteria żyjąca w żołądku i dwunastnicy zarażonych 30-70% populacji odpowiada za choroby wrzodowe dodanie ciekłego scyntylatora CO2 do układu krwionośnego wydalany mocznik do badania pobierane 2 litry wydychanego powietrza NH3 zliczanie wychwyt CO2 do roztworu znakowanie 14C – zliczanie fotopowielaczem 20. kwietnia 2010 znakowanie 13C – spektrometr podczerwieni St. Kistryn - Izotopy wokół nas 33 Mikrodozowanie wielu kandydatów na lekarstwa in vitro ograniczone badania toksykologiczne in silico badania farmakokinetyki i ich opis L – liberation (uwolnienie) A – absorbtion (wchłanianie) D – distribution (rozmieszczenie) M – metabolism (metabolizm) E – excretion (wydalanie) interakcje między lekarstwami, wpływ wieku, płci, odżywiania, czasu podania lekarstwa, … 20. kwietnia 2010 obiecujący kandydaci na lekarstwo mikrodozowanie – faza 0 10-15 zdrowych ochotników 30% błędnie uznanych za dobre modele zwierzęce faza 1 badania kliniczne 20-80 zdrowych ochotników poznanie skuteczności, bezpieczeństwa i toksykologii St. Kistryn - Izotopy wokół nas 34 Mikrodozowanie OH H C H podanie 1/100 przewidywanej dawki nie więcej niż 100 µg czynnej substancji OH aktywność ~2000 Bq (~10 ng 14C) dawka efektywna 0.005 mSv przygotowanie znakowanego kandydata na lekarstwo ~2 g czynnej substancji Cmax 0.20 0.15 0.10 t1/2 ka 0.05 Tmax 0.1 1 10 zawartość 14C [Bq] ng/ml plazmy/µg dawki biologiczny czas połowicznego zaniku 12-40 dni podane lekarstwo 1.00 0.75 metabolit lekarstwa 0.50 czas [min.] 0.25 0.00 100 czas [godz.] 0 10 20 30 40 14 przez rok z partnerem codziennie pomiarspanie metodą AMS zawartość C we zjadamy frakcjach dwutygodniowa wycieczka w góry – 0.005 mSv wielokrotne pobranie krwi i moczu dawkawefektywna 0.01 mSv chromatograficznych ~2 ng 14C zawartość plaźmie krwi lot samolotem Kraków – Nowy Jork – 0.05 mSv lekarstwa 20. kwietnia 2010 St. Kistryn - Izotopy wokół nas 35 Substancje kancerogenne komórki odporne na Adriamycynę addukt DNA długość genomu ludzkiego ~3·109 Base Pair ~106 komórek rakowych poddano działaniu terapeutycznych ilości Adriamycyny Adriamycyna należy do grupy lekarstw używanych w chemioterapii 20. kwietnia 2010 badanie stabilności uszkodzeń DNA St. Kistryn - Izotopy wokół nas 36 Zindywidualizowana terapia anty-nowotworowa Karboplatyna jest lekarstwem stosowanym w chemioterapii; spowalnia lub powstrzymuje rozwój komórek nowotworowych, działa na mechanizm naprawczy komórek prowadząc do ich śmierci hodowanie z dodatkiem Karboplatyny znakowanej 14C hodowla komórek lekarstwo znakowane 14C wiązane jest do komórek wyizolowane komórki addukt DNA na białą komórkę krwi ekstrakcja DNA granica detekcji metodami standardowymi Karboplatyna reaguje na lekarstwo nie reaguje na lekarstwo 0 2 4 pomiar metodą AMS addukt DNA 6 8 10 12 14 czas [dni] 20. kwietnia 2010 St. Kistryn - Izotopy wokół nas 37 Dietetyka, metabolizm Witamina E – tokoferol RRR-tokoferol • naturalna – RRR-tokoferol ma tylko jeden stereoizomer • syntetyczna – całkowity racemat tokoferolu ma osiem stereoizomerów całkowity racemat tokoferolu fmol 14C / ml plazmy 100 80 60 40 20 0 0 40 20. kwietnia 2010 80 120 160 200 czas [godziny] 240 280 St. Kistryn - Izotopy wokół nas α-tokoferol 38 Testy jądrowe pik 14C 800 2.20·10-12 700 ∆14C [‰] 600 500 test Trinity 16 lipca 1945 roku 400 300 200 100 0 -100 20. kwietnia 2010 naturalny poziom węgla-14 1.15·10-12 1950 1960 1970 1980 1990 St. Kistryn - Izotopy wokół nas 2000 rok 39 Zęby – metryka urodzenia szkliwo zawiera 0.4% węgla formowanie szkliwa zachodzi w dobrze określonym wieku wyznaczona data urodzenia 1995 1985 1975 1965 1955 1955 1965 1975 1985 1995 data urodzenia dokładność wyznaczenia daty urodzenia wynosi 1.6 lat kilkukrotnie lepiej niż innymi metodami 20. kwietnia 2010 St. Kistryn - Izotopy wokół nas 40 DNA – metryka komórki Jelito czcze data urodzenia atomy w genomowym DNA pozostają niezmienione od momentu powstania komórki 6 pg DNA w komórce = 2.4 pg węgla ~1011 atomów węgla w DNA komórki ~1 atom 14C w DNA 10 komórek 10 milionów komórek daje ~20 µg węgla czyli 1 milion atomów 14C 20. kwietnia 2010 St. Kistryn - Izotopy wokół nas 41 Śledzenie zanieczyszczeń spalanie paliw kopalnych ∆14C [‰] 250 δ18O [‰] 45 oddychanie biogeniczne 40 200 150 35 30 25 spalanie gazu ziemnego 20 -50 -45 spalanie benzyny -40 -35 -30 δ13C [‰] -25 100 -500 -1000 -20 Transport zanieczyszczeń z pomiarów 14C Kontynentalne zmiany zawartości atmosferycznego 14C 20. kwietnia 2010 St. Kistryn - Izotopy wokół nas 42 Zawartość bioetanolu w paliwach Dyrektywa 2003/30/WE Parlamentu Europejskiego i Rady UE od 2009 roku udział biopaliw powinien wynosić 5.1% fermentacja ⇒ bioetanol C6H12O6 → 2CH3CH2OH + 2CO2 koszt bioetanolu = 1.5 · koszt syntetycznego etanolu pochodzenie etanolu tylko przez zawartość 14C Fraction Modern 100 hydratacja etylenu ⇒ etanol syntetyczny C2H4 + H2O → CH3CH2OH 20. kwietnia 2010 80 60 40 20 0 0 20 40 60 80 100 zawartość węgla z biopaliwa [%] St. Kistryn - Izotopy wokół nas 43 Kontrola instalacji jądrowych CO, CO2, C2H6, CH4 pracujący w elektrowni: zwiększona aktywność 14C włosy + 63% mocz + 400% Wzrost aktywności ~ 20% 20. kwietnia 2010 295 aktywność [Bq/kgC] ] aktywność trawy zebranej w pobliżu elektrowni jądrowej zal eżn ość 275 255 od kie run ku w ia t ru tło 235 0 1 2 3 4 5 odległość od elektrow ni [km ] St. Kistryn - Izotopy wokół nas 44 Jeszcze izotopy stabilne … 20. kwietnia 2010 St. Kistryn - Izotopy wokół nas 45 Włosy – miejsce pobytu Korelacja zawartości izotopowych wodoru i tlenu w spożywanej wodzie (pożywieniu) i włosach szybka zmiana stosunków izotopowych przy zmianie diety (miejsca pobytu) 2 H/1H 18 O/16O 2 tygodnie Pekin Salt Lake City 20. kwietnia 2010 St. Kistryn - Izotopy wokół nas 46 Lód – historyczny termometr Wostok Antarktyka miejsce odwiertu National Ice Core Lab Denver Greenland Ice Core Project 11711 lat temu ocieplenie o 12oC 20. kwietnia 2010 St. Kistryn - Izotopy wokół nas 47 Pióra – rejestrator migracji zawartość deuteru w piórach ptaków drapieżnych zawartość izotopów w piórach zebranych w różnych porach roku świadczy o miejscu wylęgu i pobytu zimowego 20. kwietnia 2010 St. Kistryn - Izotopy wokół nas 48 Kontrola farmaceutyków skład izotopowy Naproxenu (C14H14O3) różnych producentów frakcjonowanie izotopów w procesie syntezy skład izotopowy - δ δ13C [‰] -30 -34 reagenty reakcja autentyczny autentyczny łamiący patent -38 -42 0 20. kwietnia 2010 produkt A+B ∆A generyczny 2 St. Kistryn - Izotopy wokół nas 4 6 czas δ15N [‰] C 8 10 49 Szukanie śladów życia porównanie stosunków izotopowych w gazach i glebie Mars Science Laboratory badane gazy H2O, CH4, CO, CO2, H2O2 badane izotopy 13 C/12C w CH4 13 C/12C, 18O/16O w CO2 frakcjonowanie izotopów ⇓ dowód (poszlaka) istnienia życia spektrometr laserowy 20. kwietnia 2010 St. Kistryn - Izotopy wokół nas 50 Kończymy definitywnie… 20. kwietnia 2010 St. Kistryn - Izotopy wokół nas 51 20. kwietnia 2010 St. Kistryn - Izotopy wokół nas 52 Planowane laboratorium ASM akcelerator 1MV system detekcyjny 14C dwa źródła jonów w tym jedno gazowe 20. kwietnia 2010 puszki Faradaya pozycja serwisowa akceleratora magnes rozrzucający St. Kistryn - Izotopy wokół nas analizator wysokoenergetyczny analizator niskoenergetyczny Instytut Fizyki UJ 53 Laboratorium badań izotopowych w Instytucie Fizyki UJ system AMS z akceleratorem 1 MV 14 C, 10Be, 27Al, 41Ca - czułość do 10-15 spektrometr scyntylacyjny 3 H, 14C, 90Sr, 137Cs, Rn, Ra, U czułość 0.5 – 2 rozpadów na minutę 20. kwietnia 2010 P L A N O W A N E pracownia przygotowywania próbek spektrometr izotopów stabilnych D/H, 13C/12C, 15N/14N, 18O/16O, 34S/32S dokładność – (0.6–9)·10-6 St. Kistryn - Izotopy wokół nas 54 Zastosowania badań izotopowych ARCHEOLOGIA GEOLOGIA datowanie obiektów o wieku do 60 tysięcy lat datowanie skał wulkanicznych datowanie osadów jeziornych erozja brzegów zbiorników wodnych wiek wód głębinowych FARMAKOLOGIA metody poszukiwania lekarstw nowe technologie produkcji antropogeniczne zanieczyszczenia rozprzestrzenianie zanieczyszczeń migracja zanieczyszczeń obieg wody i węgla w przyrodzie wpływ elektrowni jądrowych biopaliwa MIKROBIOLOGIA BIOMEDYCYNA metabolizm komórek substancje kancerogenne terapia antynowotworowa ŻYWNOŚĆ KRYMINALISTYKA pochodzenie narkotyków pochodzenie mat. wybuchowych miejsce i czas pobytu przestępcy wiek ofiary 20. kwietnia 2010 OCHRONA ŚRODOWISKA żywność ekologiczna składniki naturalne i syntetyczne zmiany przez konserwację oddziaływanie opakowania St. Kistryn - Izotopy wokół nas 55 Dziękuję za uwagę 20. kwietnia 2010 St. Kistryn - Izotopy wokół nas 56 20. kwietnia 2010 St. Kistryn - Izotopy wokół nas 57 Oddziaływania wymienne Elektromagnetyczne Zasięg: ∞ Siła: 10-2 20. kwietnia 2010 Słabe Zasięg: 10-18 m Siła: 10-14 Grawitacyjne: Silne Zasięg: 10-15 m Siła: 1 -38 Zasięg: ∞ ; Siła: 10 St. Kistryn - Izotopy wokół nas 58 Elementy budowy świata: cząstki i ich oddziaływania Silne Gluony (8) Elektromagnetyczne Foton Kwarki Mezony Bariony Jądra atomowe Grawitacyjne Atomy Światło Chemia Elektronika Słabe Grawiton ? Bozony W,Z Układ Słoneczny Galaktyki Czarne dziury Rozpad neutronu Promieniotw. β Oddziaływ. neutrin Reakcje w Słońcu 20. kwietnia 2010 St. Kistryn - Izotopy wokół nas 59 Zestaw budowniczego świata 20. kwietnia 2010 St. Kistryn - Izotopy wokół nas 60 20. kwietnia 2010 St. Kistryn - Izotopy wokół nas 61 Przygotowanie próbek wstępne oczyszczanie metodami mechanicznymi usunięcie widocznych zanieczyszczeń rejestracja kamerą cyfrową metody wstępnego oczyszczania chemicznego i uzyskiwanie dwutlenku węgla węgiel drzewny, nasiona, ziarna, torf, węgiel organiczny z gleby metoda kwas-zasada-kwas (Acid-Alkali-Acid – AAA), spalanie drewno, części roślin ekstrakcja celulozy metodą Soxhleta, spalanie kości ekstrakcja kalogenu, spalanie węglany w postaci stałej (koral, muszle, …) trawienie rozcieńczonym HCl, hydroliza 85% H3PO4 rozpuszczony węgiel nieorganiczny (woda gruntowa, woda morska, …) hydroliza 85% H3PO4 20. kwietnia 2010 St. Kistryn - Izotopy wokół nas 62 Metoda kwas-zasada-kwas oczyścić cały sprzęt odwirować, usunąć roztwór z NaOH przepłukać zdejonizowaną wodą dodać 1N HCl grzać przez 30 minut w temperaturze 70oC dodać 1N HCl grzać przez 30 minut w temperaturze 70oC odwirować, usunąć roztwór z HCl dodać zdejonizowaną wodę odwirować, usunąć roztwór z HCl, przepłukać zdejonizowaną wodą dodać 1N NaOH grzać przez 5 minut w temperaturze 70oC powtarzać do uzyskania neutralnego pH grzać przez 60 minut w temperaturze 70oC powtarzać do uzyskania klarownego roztworu 20. kwietnia 2010 wysuszyć St. Kistryn - Izotopy wokół nas 63 Spalanie z rurki odpompowuje się powietrze i wygrzewa przez na 2 godziny w temperaturze 950oC CuO jest źródłem tlenu do spalania, srebro reaguje z gazami siarki i halogenami analizator elementarny FLASH EA1112 THERMO FISHER SCIENTIFIC 20. kwietnia 2010 St. Kistryn - Izotopy wokół nas 64 Analizator elementarny – CHNS próbka w cynowej kapsule automatyczne dozowanie tlenu He kanał kanał analityczny referencyjny 900°C N2, NXOY, CO2 tlenek miedzi N2 CO2 TCD napięcie H2O, SO2, SO3 wychwyt nadmiaru tlenu N2 + CO2+ miedź elektrolityczna H2 O SO2 H2O + SO2 czas N2 + CO2+ H2O + SO2 kolumna do separacji CHNS/NCS temperatura 75°C 20. kwietnia 2010 St. Kistryn - Izotopy wokół nas 65 Analizator elementarny – tlen próbka w srebrnej kapsule He węgiel pokryty niklem kwarc piroliza bez tlenu 1070°C kanał referencyjny kanał analityczny CO,N2 czas TCD CO,N2 pułapka adsorpcyjna CO, N2 20. kwietnia 2010 CO napięcie N2 kolumna do separacji tlenu temperatura 100°C St. Kistryn - Izotopy wokół nas 66 Grafityzacja; tarcze CO2 + 2H2 → C + 2H2O 20. kwietnia 2010 St. Kistryn - Izotopy wokół nas 67 Źródło jonów prąd Cs – kilka mA + rozmiar wiązki Cs – 1 mm + można łatwo przerobić na źródło gazowe 20. kwietnia 2010 materiał próbki jon prąd [µA] czas osiągania maksymalnego prądu [minuty] BeO BeO- 10 15 grafit C- 100 1 Al2O3 Al- 5 60 AgCl Cl- 15 30 CaH2 CaH3- 5 30 od źródła do detektora transmitowane jest 10-3 jonów źródło zużywa materiał z prędkością 0.5 mg/godz. 10 mg grafitu = 0.5 · 1020 atomów przy zawartości 14C wynoszącej 10-15 rejestrujemy 5 · 104 atomów 14C w ciągu 20 godzin St. Kistryn - Izotopy wokół nas 68 Interferujące molekuły (izobary) CH + ,13 CH 2+ 12 CH +2 nie ma molekuł o ładunkach >2+ 13 C + ,14 C 2+ , 14 C 3+ ,14 C4+ 14 14 interferujące molekuły system injekcji folia lub gaz przeładowanie jonów − 13 CH 12 CH −2 14 C3+ C− CH − 12 CH −2 nie ma 14N– 13 20. kwietnia 2010 St. Kistryn - Izotopy wokół nas 14 C− 69 Detektor ∆E1 ∆E2 ∆E3 ∆Er siatka jon − katoda dE dx ∆E1 ∆E2 20. kwietnia 2010 ∆E3 ∆Er x St. Kistryn - Izotopy wokół nas 70