美国国家标准技术研究院(NIST)的科学家开发了一种实验室仪器，可以测量许多含碳材料中的多少碳源自化石燃料。这将为生物燃料和生物塑料行业，科学研究和环境监测中的新方法开辟道路。除其他事项外，它将使科学家能够测量大气中有多少二氧化碳(CO 2)来自燃烧化石燃料，并估计了小城市或大洲地区的化石燃料排放量。

　　这是可能的，因为碳原子以重，轻形式或同位素形式存在，并且测量每种原子的相对含量可以揭示碳的来源。以这种方式使用碳同位素并不是一个新主意，但它需要极其精确且昂贵的测量。由NIST化学家亚当·弗莱舍(Adam Fleisher)和戴维·朗(David Long)开发的新仪器，基于腔衰荡光谱(CRDS)技术，有望显着降低这些测量的成本。他们在《物理化学快报》上描述了该仪器的性能。

　　朗说：“测量碳同位素是一种非常有用的技术，但是直到现在，由于成本的原因，它的使用受到了限制。” “降低成本将为新应用开辟道路，特别是那些需要测试大量样品的应用。”

　　这些测量的关键是碳14，碳14是在高层大气中形成的一种放射性(至今无害)碳同位素。碳14进入了所有生物。与普通碳不同，碳14不稳定，半衰期为5,730年。当生物死亡时，它们停止将碳吸收到体内，并且其碳14开始衰减。

　　科学家可以通过测量残留物中的碳14来计算多年前死亡。这种技术称为碳定年法，科学家使用它来定年，例如尼安德特人的骨头和古老的植物纤维。

　　化石燃料还是生物的遗骸，主要是几亿年前死亡的植物。几乎所有的碳14都在不久前衰变，因此从它们衍生的任何东西都以缺乏可测量的碳14量为标志。

　　但是碳14极为罕见，要使用它来鉴定化石燃料，科学家需要能够以低至10万亿分之一的浓度对其进行测量。这相当于60辆装满东西的自卸车中的一粒沙。

　　要测量如此低的浓度，您需要一种极其灵敏的测量技术，并且这种技术已经存在。几十年来，考古学家一直依赖它。但是，该技术需要使用粒子加速器来分离同位素(较重的碳14的加速比日常碳12的加速更慢)，还需要容纳它的设施以及一组运行它的博士。

　　Fleisher和Long开发的CRDS仪器可以坐在实验室的台式计算机上，并且操作成本相对较低。

　　CRDS仪器通过检测气体吸收的光的波长来分析气体。例如，CO 2，其中包含碳-14-所谓的重CO 2 -absorbs稍微不同的波长比一般的CO 2。

　　要测量您的CO 2样品中有多少重的CO 2，首先将样品注入仪器的测量腔(CRDS中的“ C”)，该腔的两端都装有镜子。然后，您将激光调谐到仅重CO 2吸收的确切波长，并将其射入空腔。当激光在反射镜之间反射时，其某些能量会被气体吸收。吸收越大，重质CO 2的浓度越高。

　　为了达到所需的灵敏度，Fleisher和Long通过设计一种将腔体冷却至均匀的负55摄氏度并最小化可能导致测量误差的温度波动的系统，增强了现有的CRDS技术。使腔体变得很冷可以使他们的仪器检测到非常微弱的光吸收信号，就像您将房间变得非常安静时，您可能会听到针脚掉落的声音一样。

　　这项改进和其他改进大大提高了仪器的灵敏度，可进行准确的碳定年。

　　要测试生物燃料和生物塑料，您首先要燃烧这些材料，然后收集生成的CO 2进行分析。这将使您能够测试燃料混合物，以确定其中有多少是生物燃料。例如，在航空业中，这将很有用，因为某些国家/地区要求航空燃料中包含特定的生物燃料百分比。此类测试还可用于验证溢价出售的生物塑料不包含石油衍生的化合物。

　　要估算某个地理区域内的化石燃料排放量，您将收集该区域内的许多空气样本并分析这些样本中的大气CO 2。化石燃料排放量较高的地区，例如城市和工业区，其重质CO 2浓度将低于正常水平。

　　弗莱舍说：“化石燃料的排放稀释了空气中重CO 2的浓度。” “如果我们能够在稀释后准确测量该浓度，我们就可以计算出混合燃料的排放量。”

　　美国国家科学院(National Academy of Sciences)的一份报告估计，每年在美国各地精心选择的地点收集10,000个样本，足以估计全国化石燃料的排放量不超过实际值的10%。这种测量系统可以提高国家排放估算的可靠性。这在世界上尚无法获得高质量排放数据的地区中尤其有用。

　　“在许多行业中都需要这种类型的测量，”弗莱舍说。“我们展示了一种以经济高效的方式满足需求的途径。”