μGRAPHILINE：全自动燃烧-石墨化系统的创新性能及其在加速器质谱碳十四测年中的应用

《Radiocarbon》：μGRAPHILINE: Performance of an automatic combustion and graphitization system

本研究针对加速器质谱(AMS)碳十四测年中依赖液氮和高纯度载气导致成本高、操作复杂的问题，开发了全自动模块化燃烧-石墨化系统μGRAPHILINE。该系统采用双区燃烧与铁锌还原技术，实现了>90%的石墨化产率、~0.24 pMC的稳定本底（约48,500 BP）和~3.5小时/样的处理速度，在0.2-1 mg C范围内均能获得足量离子流。其自动化、模块化设计显著提升了实验室通量和操作效率，为碳十四样品前处理提供了可靠解决方案。

　　

在加速器质谱(Accelerator Mass Spectrometry, AMS)碳十四测年领域，样品前处理过程中的石墨化步骤一直是制约实验效率和成本的关键环节。传统方法需要依赖液氮(LN₂)和高纯度反应气体（如氧气、氦气、氢气），这不仅增加了实验室的运营成本，还带来了操作复杂性和安全风险。随着样品数量的不断增加和对测年精度要求的提高，开发一种无需特殊气体、自动化程度高的石墨化系统成为迫切需求。

为解决这一技术瓶颈，波兰西里西亚工业大学的研究团队开发了名为μGRAPHILINE的全自动燃烧-石墨化系统，相关研究成果发表在《Radiocarbon》期刊上。这一创新系统通过独特的双区燃烧设计和铁锌还原技术，成功摆脱了对液氮和反应气体的依赖，为碳十四测年样品前处理带来了革命性改进。

研究人员为验证系统性能，对超过180个标准和参考材料目标进行了全面测试，并在两个独立的AMS系统上进行了测量比对。结果表明，μGRAPHILINE系统在石墨化效率、本底控制和样品通量等方面均表现出色，为碳十四测年实验室提供了一种更加经济、高效的前处理方案。

关键技术方法包括：1）双区燃烧室设计，通过控制加热程序实现样品的高效氧化；2）独立的气体传输系统，避免交叉污染且无需液氮；3）铁锌两步还原法，将CO₂转化为石墨；4）基于Python的自动化控制软件，实现全过程监控和数据记录；5）模块化架构支持最多32个样品并行处理。所有测试样品均采用国际原子能机构(IAEA)提供的标准参考材料。

系统性能验证

通过燃烧不同标准和参考材料，系统能够根据实时压力变化自动调整加热程序。如图5所示的压力温度记录显示，对于草酸等易分解材料，系统能在达到最高温度前完成燃烧，避免过热损失。石墨化过程中的压力变化（图6）表明系统能够稳定控制反应进程，确保石墨化质量。

AMS测量结果

在格利维采放射性碳和质谱实验室的MICADAS谱仪和美国佐治亚大学的CAIS 0.5 MeV加速器质谱仪上进行的测量结果显示，系统制备的石墨靶材与预期值高度吻合。线性回归斜率分别为1.00210±0.00097和1.0049±0.0023（图7），表明系统具有良好的准确性和重复性。表1详细列出了各参考材料的测量值与共识值的对比数据。

本底水平和记忆效应

使用邻苯二甲酸酐(PhA)作为本底材料时，系统获得的平均本底水平为0.238±0.025 pMC，相当于48,500 BP，这一数值完全满足高精度测年要求。记忆效应测试（表2）显示，即使在高活度样品（IAEA C-3）后测量低活度样品（IAEA C-4），交叉污染影响也在可接受范围内。

小样品处理能力

系统对小至0.2 mg C的样品仍能保持良好性能。图8展示了不同碳质量的草酸II石墨化压力记录，表3总结了相应的石墨化产率和离子流数据。如图9所示，即使是0.2 mg C的微小样品，在MICADAS系统上仍能获得足够的低能¹²C离子流，满足精确测量要求。

研究结论表明，μGRAPHILINE系统成功解决了传统石墨化方法对液氮和反应气体的依赖问题，实现了高效率、低本底的自动化样品前处理。系统在3.5小时内即可完成单个样品的全过程处理，石墨化产率稳定在90%以上，且适用于从常规1 mg C到微量0.2 mg C的广泛样品范围。其模块化设计支持并行处理多个样品，显著提升了实验室通量。

这项研究的重要意义在于为放射性碳测年实验室提供了一种更加经济、环保且高效的前处理解决方案。系统的成功开发不仅降低了实验室运营成本，还简化了操作流程，减少了人为误差的可能性。未来，这一技术有望在常规测年、化合物特异性分析以及同位素分析等领域发挥重要作用，推动放射性碳测年技术的进一步发展。不过，作者也指出需要在不同实验室条件下进行独立验证，以确认系统的重复性和可靠性。

这项由波兰科学和高等教育部"创新孵化器4.0"计划部分资助的研究，展示了创新技术在解决传统实验室技术瓶颈方面的巨大潜力，为相关领域的研究人员提供了重要的技术参考。