嚴重的空氣污染和逐漸變暖的氣候是目前人類社會面臨的重大威脅。據世界衛生組織估計，全球90%的人口呼吸的空氣都是不健康的，每年因空氣污染而早逝的人數高達700萬。全球變暖則可觸發一系列難以預測的極端天氣和氣候災害，給人們的生命健康和財產安全帶來巨大隱患。空氣污染、全球變暖這兩大全球性環境問題，都與含碳物質（例如黑碳、二氧化碳、甲烷）排放密切相關。這些物質既可通過自然過程排放（例如森林火災），亦可通過人類活動產生（例如機動車尾氣、工廠廢氣），一旦排放到大氣中，很難通過常規手段進行區分。放射性碳同位素（14C）分析，是解決此難題的強有力技術手段。

       由于化石燃料不含14C（14C半衰期：5730±40年），而現代生物質的14C豐度與當前大氣的14C豐度一致，因此，通過測量大氣中含碳物質的14C，能可靠估算化石燃料燃燒對大氣碳質組分的貢獻。中國科學院廣州地球化學研究所張干研究員團隊在14C技術的研發與應用上已有10余年的研究積淀，開發了針對不同大氣含碳物質14C的系列技術方法，該所14C加速器質譜實驗室是國際上少數幾個具有完備前處理技術平臺的先進實驗室。

       近期，張干研究員團隊在國家自然科學基金委主辦的Fundamental Research期刊上系統綜述了14C在大氣中關鍵含碳物質（黑碳、多環芳烴、二氧化碳、甲烷）溯源與環境過程研究上的技術方法和應用進展，描繪了大氣Δ14CO2在IPCC不同減排情境下的演化，并指出加強碳減排實施的必要性和緊迫性。最后，文章對14C在大氣環境科學領域的研究方向進行了展望。

       談及14C在我國的研究情況，張干研究員說道：“雖然我國科學家已逐漸認識到14C是研究人類活動影響大氣環境和氣候變化的利器，且取得了許多重要進展，但目前我國這方面的數據積累仍然比較薄弱，譬如我國還沒有建立針對性的全國或重點地區14C觀測網絡。可喜的是，為了更有效服務我國碳減排行動和碳中和目標，在中國環境監測總站于今年5月發布的典型城市大氣碳監測技術指南中，已納入了大氣Δ14CO2的測量任務。這無疑將極大地促進我國大氣14C觀測技術的發展與應用”。

       本研究強調了大氣14C測量可為空氣污染控制、碳減排政策效力評估提供科學依據。
 

圖1. 放射性碳（14C）示蹤化石源碳排放示意圖
 

以上內容節選自期刊Fundamental Research 2021年第3期發表的文章 “G. Zhang, J.W. Liu, J. Li, et al., Radiocarbon isotope technique as a powerful tool in tracking anthropogenic emissions of carbonaceous air pollutants and greenhouse gases: A review, Fundamental Research 1(3)(2021)306-316 ”

以上內容轉載自中國核技術網（https://www.ccnta.cn/article/7039.html）

       早期進行14C測量使用的是β衰變法，即測量樣品衰變產生的β射線的劑量來推斷14C含量。這一方法測量周期較長，需要的樣品量較大。后來超靈敏加速器質譜（AMS）技術的出現，通過直接測量14C原子數，使14C測定樣品用量減少了3-4個數量級，測樣時間縮短了近100倍。AMS設備具有精度高，速度快，樣本量小等優點，但是AMS設備體積龐大，采購非常昂貴，目前國內也才有十幾套設備。

       在大氣14C的測定中有兩個難點，第一在于有設備，第二在于樣品制備。而對于實驗來說，樣品制備帶來的干擾可能性更高。一般我們無法直接測試14C，需要對大氣進行采集和純化之后直接測試，或者使用 Zn-Fe 法將純化的CO2 還原成石墨，制成靶后用加速器質譜儀進行14C測定。

       針對大氣14C測定的兩大痛點：設備昂貴和樣品制備誤差大，我們特別向各位老師提供一攬子解決方案——EA-IRMS-iRIS 13C 14C同位素測量系統。整套設備由四部分組成：1、Air CO2 PSM現場取樣器；2、ECS 8070元素分析儀；3、ID Micro桌面質譜儀；4、PEM iRIS 14C分析儀。EA-IRMS-iRIS 13C 14C同位素測量系統是一個集CO2濃縮和純化為一體，用于分離和檢測大氣中CO2的C穩定和放射性同位素分析設備。

圖1. ECS 8070-IRMS-14C 大氣CO2濃度，δ13C和14C分析儀
 

       該裝置允許任何操作人員直接在現場收集純CO2樣品，不再需要樣品袋/瓶。該裝置結構緊湊，重量輕，可充電。

• 重量輕，僅3kg，隨時可用，便于野外攜帶；
• 高流量泵，快速取樣；
• 可充電電池，每次充電多達20個樣品-快速充電，1.5小時完全充電；
• 快速便捷樣品管更換；
• H2O、VOC、NOX高效捕集器，捕集器易于更換；
• 規格：14×16×40cm。

       創新的ECS 8070大氣CO2同位素前處理設備是一種強大而有用的儀器，能夠在短時間內（10-60分鐘）捕獲和分離每個樣品（10-100 mg）相對大量的CO2。采用吸附/解吸原理，用創新的純化線路，可以消除水、VOC和NOX，只留下純CO2氣體。使用自動空氣泵吸附/解吸使得系統使用非常簡單，通過新的C-Quantum CO2吸附系統，可以通過自動再生系統處理大量的CO2，與其他系統相比，測量精度高，性能更好。ECS 8070 大氣CO2兼容性高，容易對接各類同位素檢測設備以測定碳穩定同位素（IRMS）和放射性成因14C的同位素比值。

• 自動化操作，用戶使用友好；
• 允許更好的使用消耗品，并自動監控其狀態，自動泄露測試；
• 三種可選配置：僅吸附、僅解吸、根據需要完成吸附/解吸循環；
• 用戶可以設置所有的儀器參數，包括CO2捕集阱溫度，載氣壓力和解吸時間；
• 便攜式，可充電和輕量級的現場取樣器；
• 專用CO2烘箱，快速加熱和冷卻循環；
• 功能強大的測試軟件，結果可視化；
• 兼容性高，容易對接各類同位素檢測設備以測定碳穩定同位素（IRMS）和放射性成因14C的同位素比值。

* 說明：

       后接ID Micro桌面質譜儀測試13C同位素比率，分析測試時間10min/樣品；

       后接PEM iRIS 14C分析儀測試14C同位素比率，分析測試時間1h/樣品。

       新一代ID Micro桌面同位素比質譜儀徹底打破了質譜設備的使用限定條件。它無需專門的實驗室、體積極小，可以安置在桌面上，因此我們稱之為桌面質譜儀。ID Micro 和ECS8070聯用，能快速測定大氣樣品中的δ13C。

• 體積小巧（長70cm，寬30cm，高47cm），占用空間小；
• 可插拔可互換的高靈敏度離子源，更換快捷；
• 真空泵流速可選：70 L/s或250 L/s，取決于所需的靈敏度；
• 操作簡單，使用方便，無需專人進行；
• 免維護操作；
• 低功耗，低成本。

       用現場采樣器從不同地方采集4組大氣樣品， 通過8070 AIR_CO2 和 IRMS進行重現性測試，結果如下：

表1. 四個不同地理位置大氣CO2的δ13C比率（單位：‰）

       PEM iRIS便攜式放射性14C同位素分析儀基于分布反饋量子級聯激光器（DFB-QCL）整合光腔衰蕩光譜技術（CRDS），能夠高頻高精度定量測量14CO2或14C。放射性碳是化石燃料向大氣排放二氧化碳的示蹤劑，也被用于考古材料的年代測定，以及更為廣泛的被用于石油、天然氣和核工業等領域。通常情況下，放射性碳由加速器質譜（AMS）以極高的成本和幾天甚至幾周的分析周期獲得；而PEM iRIS便攜式14C同位素分析儀則可以在低成本的和30~60分鐘內獲得相關數據，這標志著放射性碳分析檢測手段的重大突破。

• 高精度14CO2 CRD線性吸收平臺；
• 純CO2分析消除N2O干擾；
• 整合14C 參照系統（sir-14C）；
• 易于整合外部模塊和串聯分析儀，用于不同形態樣品分析和同位素分析，如12CO2 , 13CO2 和/或CO17O，CO18O；
• 體積小巧、操作方便、測量快速。