Existem duas técnicas para medir o teor de radiocarbono em amostras: a datação radiométrica e a datação por espectrometria de massas com aceleradores (AMS). Ambas técnicas são principalmente utilizadas na determinação do teor de carbono 14 de amostras arqueológicas e geológicas. Os dois métodos de datação por radiocarbono utilizam padrões modernos, como o ácido oxálico e outros materiais de referência. Embora ambos sejam capazes de gerar resultados de alta qualidade, eles são fundamentalmente diferentes.
Os métodos de datação radiométrica detectam partículas beta da decomposição de átomos do carbono 14, enquanto a espectrometria de massas com aceleradores conta o número de átomos de carbono 14 presentes na amostra. Cada método tem vantagens e desvantagens.
O espectrômetro de massas detecta átomos de elementos específicos, de acordo com seus pesos atômicos. No entanto, não tem a sensibilidade necessária para distinguir a linha isobárica atômica (átomos de elementos distintos com o mesmo peso atômico, tais como o carbono 14 e o nitrogênio 14, o isótopo mais comum do nitrogênio).
Graças à física nuclear, o espectrômetro de massas foi aperfeiçoado para separar um isótopo raro de uma massa vizinha abundante, possibilitando o surgimento da espectrometria de massas com aceleradores. O método foi desenvolvido para detectar carbono 14 em uma determinada amostra e ignorar os isótopos mais abundantes que inundam o sinal de carbono 14.
Há essencialmente duas partes no processo de datação por radiocarbono por AMS. A primeira inclui a aceleração de íons à energias cinéticas extremamente altas e, em seguida, realiza-se a análise da massa.
São empregados dois sistemas de aceleradores para a datação por radiocarbono através da técnica. Um deles é o ciclotron e o outro é o acelerador eletrostático tandem.
Antes de ser colocada no espectrômetro de massas com aceleradores, a amostra é pré-tratada e convertida em grafite sólido. Isto é feito pela conversão de dióxido de carbono em um catalisador de metal. Ao incinerar a amostra para convertê-la em grafite, são introduzidos outros elementos, como o nitrogênio 14.
Após convertida em poucos miligramas de grafite, a amostra é pressionada contra um disco de metal. Os materiais de referência também são pressionados contra discos de metal. Esses discos são acoplados a uma roda de comando para que possam ser analisados em sequência.
São disparados íons de uma pistola de césio na roda de comando, produzindo átomos de carbono negativamente ionizados. Esses átomos passam por dispositivos de focagem e por um ímã de injeção antes de alcançar o acelerador tandem, onde são acelerados para o terminal positivo por uma diferença de voltagem de dois milhões de volts.
Nessa fase, outros átomos carregados negativamente estão instáveis e não podem chegar ao detector. No entanto, os átomos de carbono com carga negativa passam para o extrator (um gás ou uma lâmina de metal), onde perdem os elétrons e emergem como átomos de carbono tríplices e carregados positivamente. Nesta fase, as moléculas que estejam presentes são eliminadas porque as mesmas não podem existir neste estado tríplice carregado.
Os átomos de carbono com carga positiva tríplice distanciam-se ainda mais do terminal positivo e passam por um outro conjunto de dispositivos de focagem, onde a massa é analisada.
Na análise de massa, um campo magnético é aplicado a essas partículas carregadas em movimento, o que faz com que as partículas se desviem da rota que estão percorrendo. Se as partículas carregadas têm a mesma velocidade e massas diferentes, como no caso dos isótopos de carbono, as partículas mais pesadas desviam menos. Em seguida, detectores em diferentes ângulos de deflexão contam as partículas.
Ao final de uma análise por AMS, os dados obtidos incluem não apenas o número de átomos de carbono 14 na amostra, mas também a quantidade de carbono 12 e carbono 13. A partir desses dados, é possível chegar ao índice de concentração dos isótopos, permitindo a avaliação do nível de fracionamento.
A maior vantagem que a datação por radiocarbono por AMS tem sobre os métodos radiométricos é que pede amostras muito pequenas. Os espectrômetros de massas com aceleradores requerem de 20 a 500 miligramas de certos tipos de amostras, enquanto os métodos convencionais precisam de pelo menos 10 gramas de amostras como madeira e carvão, e até 100 gramas de ossos e sedimentos. As quantidades que a AMS requer geralmente são menores que as de métodos convencionais por um fator de 1.000.
A datação por radiocarbono é um processo destrutivo. Assim, devido à sua capacidade de analisar amostras minúsculas, a AMS é o método preferido por pesquisadores que desejam analisar pequenos artefatos, ou quando não podem sacrificar materiais caros ou raros.
Devido à sensibilidade do espectrômetro de massas com aceleradores, tornou-se possível datar amostras tão pequenas quanto partículas de sangue ou um grão ou semente.
A AMS também leva menos tempo para analisar o teor de carbono 14 em amostras, em comparação com os métodos de datação radiométrica que podem levar até dois dias. O tempo de execução de um espectrômetro de massas é de poucas horas por amostra.
Além disso, as medições por AMS costumam ser mais precisas e ter backgrounds mais baixos do que os métodos de datação radiométrica.
Embora seja uma ferramenta potente, um espectrômetro de massas com aceleradores também tem um alto custo. Montar e manter um espectrômetro de massas com aceleradores custa milhões de dólares.
Devido às pequenas quantidades de de amostras necessárias, o controle de contaminantes pode ser difícil. É necessário aplicar um pré-tratamento rigoroso para garantir a eliminação de contaminantes e evitar erros substanciais durante o processo de datação por carbono.
Além das áreas de arqueologia, geologia e ciências oceânicas, a AMS é utilizada por laboratórios biomédicos que usam amostras “quentes” marcadas com carbono 14 no desenvolvimento de novos medicamentos.
O espectrômetro de massas com aceleradores também é utilizado em farmacocinética, perfilagem metabólica, toxicologia e microdosagem.
A AMS é empregada para medir os níveis naturais de carbono 14 em oceanos, e também para datar depósitos sedimentares. A espectrometria de massas com aceleradores foi utilizada na construção de um mapa tridimensional da distribuição de carbono 14 em carbono inorgânico dissolvido.
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Este trecho de vídeo é parte do webinário Beta: Uma introdução a análises isotópicas
Artigo Científico do Beta Analytic sobre Datação por AMS (PDF)
