В сентябре 2022 года в г. Цюрих (Швейцария) состоялась научная конференция, на которой были подведены результаты «всемирного экзамена» лабораторий, занимающихся ускорительной масс-спектроскопией (УМС), запущенного университетом Глазго летом 2021 года. Из 140 мировых ускорительных масс-спектрометров в конкурсе принимали участие только 70, и лишь 55 лабораторий, включая Центр коллективного пользования научным оборудованием «Ускорительная масс-спектрометрия НГУ-ННЦ» (ЦКП УМС НГУ-ННЦ), успешно его прошли. Данные о радиоуглеродном датировании 17 различных образцов международного кросс-тестирования (GIRI) показали 100%-ое попадание в «ответы экзаменационных задач».
— 17 образцов международного кросс-тестирования – ячменную шелуху, древесину, целлюлозу, отдельные годичные кольца, китовую кость, гуминовые кислоты – мы обработали, подготовили и проанализировали в трех независимых сериях экспериментов, предполагающих сочетание подготовки мишеней для УМС российским (ACS) и швейцарским (AGE-3) стендом графитизации, а также проведение эксперимента на уникальной научной установке «Ускорительный масс-спектрометр ИЯФ СО РАН» (УНУ УМС ИЯФ) и зарубежном масс-спектрометре (MICADAS): 1) AGE-3 + MICADAS, 2) ACS + MICADAS, 3) AGE-3 + УНУ УМС ИЯФ. Во всех трех экспериментах результаты расходились с допустимой для метода радиоуглеродного датирования погрешностью, — рассказала кандидат химических наук, доцент Факультета естественных наук Новосибирского государственного университета, директор ЦКП УМС НГУ-ННЦ Екатерина Пархомчук.
Профессор Арно Синал (Arno Synal) – создатель MICADAS – перед одним из нескольких его ускорителей в ETH, Цюрих, Швейцария
На фото: профессор Арно Синал (Arno Synal) (второй слева), сотрудник Австралийского центра УМС Владимир Левченко (третий слева), сотрудник ЦКП УМС НГУ-ННЦ Алексей Петрожицкий (первый справа).
Чтобы провести процедуру радиоуглеродного датирования образцов, ученым было необходимо подготовить так называемые «мишени» для ускорительной масс-спектрометрии, представляющие собой прессованный графит. Графит готовится из предварительно обработанных образцов: сначала объект очищается от множества примесей различного состава (микроорганизмов, жиров, пигментов, гуминовых кислот из почвы), а затем из него выделяется именно то вещество, которое сформировалось во время жизни объекта. Например, целлюлоза – из древесины, в которой еще находится лигнин, смолы, соки и др.; коллаген – из кости и т.д.
Следует отметить, что в одном из экспериментов (ACS + MICADAS) наши ученые использовали установку абсорбционно-каталитической графитизации, включающую каталитическое сжигание образца, селективную сорбцию СО2 и удаление остальных газов вакуумированием, за которыми следует восстановление СО2 водородом до графита. Хотя для физических химиков данный метод зауглероживания является хорошо знакомым, например, в процессе получения водорода, новосибирские ученые применили его для радиоуглеродного датирования впервые в мире.
Сотрудник ЦКП УМС НГУ-ННЦ Алексей Петрожицкий перед монитором с данными от MICADAS
— Важно было обеспечить такие параметры процесса, которые давали бы требуемое для УМС-анализа количество и качество графита с максимально возможной конверсией углерода. Качество графита определяется не только его чистотой, отсутствием внешних примесей, но и способностью прессоваться в таблетки, которые затем выступают в качестве мишеней в УМС. Чтобы подобрать все параметры процесса, комплектующие для стенда, автоматизировать его, пришлось провести целое научное исследование. Но результат оказался неожиданно хорошим: при существенно более низкой стоимости российской установки, в сравнении с наиболее распространенным CHNS-методом, УМС-анализ графитов от двух установок дает близкие даты. Недостатком можно назвать необходимость регулярного обслуживания установки, замены расходников и комплектующих. Если этого не делать, то качество получаемых графитов и достоверность датирования резко падает, поскольку увеличивается вклад фонового загрязнения и изотопное фракционирование. Иными словами, тут очень важен человеческий фактор, — объяснила директор центра.
Во всех трех экспериментах результаты расходились с допустимой для метода радиоуглеродного датирования погрешностью. Например, древесина, которую ученые идентифицировали методом оптической микроскопии как лиственницу, показала возраст в 1) 4550 ± 32 лет, 2) 4553 ± 72 лет, 3) 4530 ± 70 лет, а китовая кость – 1) 12809 ± 40, 2) 12894 ± 150, 3) 12503 ± 150. «Правильными ответами» для этих образцов являются 4526 ± 47 и 12745 ± 99. Это означает, что и химическая лаборатория пробоподготовки Института археологии и этнографии СО РАН, и уникальная научная установка УМС, собранная в Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН, и метод абсорбционно-каталитической графитизации, разработанный в Институте катализа СО РАН, подтвердили свою состоятельность экспериментально.
— Результаты анализа объектов GIRI показали состоятельность исследовательского центра в целом: что все многостадийные процедуры с большой долей человеческого участия проводятся корректно и что коллектив способен в сжатый срок выполнить все химические, физические, аналитические работы. Более того, признаны конкретные приборы, созданные российскими учеными в непростых условиях, а также метод абсорбционно-каталитической графитизации для радиоуглеродного датирования. Теперь все эти признанные на международном уровне достижения нужно преобразовать в стабильное развитие, — добавила Екатерина Пархомчук.
Научный сотрудник ИЯФ СО РАН Алексей Петрожицкий рассказал о некоторых планах дальнейшего развития ускорительной масс-спектроскопии. Ученый отметил, что помимо автоматизации установки, на которой ЦКП УМС НГУ-ННЦ способен исследовать пока 1500 образцов в год, команда планирует разрабатывать новый ионный источник, внедрять систему диагностики пучка и создать надежную систему электропитания. Все это необходимо, чтобы удовлетворять постоянно растущий спрос со стороны науки и реального сектора экономики.
— С повышением доступности анализа С14 появляются новые пользователи, то есть технология сама порождает рынок. Если раньше этот метод был востребован преимущественно у археологов, то сейчас он активно используется для тестирования лекарств, и важен не только для фундаментальной науки, но и для реального сектора. В мире это направление интенсивно развивается, и нам необходимо развиваться вместе с ним. Поэтому создание низковольтной машины, аналогичной швейцарской, является одной из наших целей. Мы уже работаем над прототипом и планируем создать его к 2026 году, — объяснил Петрожицкий.
Коллектив ЦКП УМС НГУ-ННЦ
