The C14-SCAR instrument for 14C concentration measurements: from prototype to full process development

Degli isotopi del carbonio presenti in natura (12C, 13C e 14C) il radiocarbonio è quello di gran lunga meno abbondante: la sua cosiddetta “abbondanza naturale” è 12 ordini di grandezza più bassa di quella del 12C. Così come gli altri isotopi, esso entra in tutti i processi della nostra biosfera, ed è quindi presente in tutti gli esseri viventi. Siccome è anche un isotopo instabile, quando un organismo muore il radiocarbonio inizia a decadere, con tempo dimezzamento pari a circa 5700 anni. Questa caratteristica lo rende un perfetto marcatore della vita, per cui misurarne la concentrazione in un materiale di origine vegetale o animale permette di determinare l’età. In una prospettiva un po’ diversa, l’analisi al radiocarbonio può quindi essere utilizzata a fini ambientali, in quanto permette di misurare la frazione biogenica (contenente 14C) e quella fossile (derivata dal petrolio, non contenente 14C) di un qualsiasi sostanza (combustibile, plastica, tessuto, ecc.) determinandone di conseguenza l’impatto in termini emissioni “non biogeniche” di carbonio nell'ambiente. Nonostante il fatto che nascono continuamente nuove applicazioni (dal monitoraggio di siti nucleari e di scorie radioattive ad attività di tracing metabolico dei farmaci sperimentali) l'analisi del radiocarbonio è limitata dalla difficoltà di rilevarlo a causa della sua bassissima concentrazione naturale (1 parte in 1012). Servono strumenti di misura estremamente sensibili, e fino a pochi anni fa le sole due tecnologie in grado di raggiungere tali sensibilità erano AMS e LSC. Almeno fino all’invenzione di una tecnica spettroscopica ultra-sensibile come SCAR (Saturated-Absorption Cavity Ring Down). Questo nuovo metodo spettroscopico è stato integrato in uno strumento per misure di concentrazione di 14C: lo spettrometro C14-SCAR. L’obiettivo del lavoro nei tre anni di Dottorato di Ricerca è stato quello di incrementare il livello di maturità tecnologica (TRL) di C14-SCAR dall'iniziale TRL 4 ad un TRL 9, al fine di renderlo uno strumento commerciale. Per raggiungere tale obiettivo è stato necessario adottare un approccio volto all’ottimizzazione dell’intero processo completo di misura, che inizia con la fase di preparazione del campione da analizzare e termina con il risultato della misura. È stato necessario, pertanto, individuare soluzioni innovative al fine di migliorare le criticità presenti nel prototipo, e automatizzare alcune delle operazioni più delicate del processo di misura, al fine di rendere lo strumento più semplice e sicuro da utilizzare per un operatore formato. Inoltre, è stato creato un protocollo per la preparazione del campione gassoso di CO2 sul quale viene misurata la concentrazione di radiocarbonio. Questo ha richiesto di sviluppare una metodologia per rimuovere, in alcuni campioni, la presenza di due gas interferenti che possono disturbare sensibilmente la misura. In prospettiva, il lavoro descritto ha l’obiettivo di contribuire ad abilitare il gran numero di possibili applicazioni dell’analisi al radiocarbonio che beneficeranno dell'introduzione di un nuovo ed innovativo strumento di misura, più compatto, economico, versatile e facile da utilizzare rispetto a quanto la tecnologia ha offerto fino ad oggi.