MOLEKULÁRNĚ-SPECIFICKÁ RADIOUHLÍKOVÁ ANALÝZA

Význam tématu

Radiouhlíkové datování je klíčovou metodou pro určení stáří organických materiálů v rozmezí posledních 55 tisíc let, avšak celkové vzorky často obsahují směs látek z různých zdrojů a mohou být zasaženy sekundární kontaminací. Molekulárně-specifická radiouhlíková analýza (CSRA) umožňuje izolovat a datovat jednotlivé biomarkery, čímž se výrazně zvyšuje přesnost a relevantnost výsledků u heterogenních vzorků ze sedimentů, archeologické keramiky či kostního kolagenu.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem referátu je představit metodologii CSRA, popsat klíčové kroky předúpravy a separace látek pomocí preparativní plynové a kapalinové chromatografie a demonstrovat vybrané aplikace v archeologii, sedimentologii a paleoklimatologii.

Použitá metodika a instrumentace

Metodický postup CSRA zahrnuje extrakci, případnou derivatizaci, chromatografickou separaci, spalování izolovaných sloučenin na CO₂ a měření izotopu ¹⁴C metodou AMS. Klíčové instrumentální komponenty:

• Preparativní kapilární plynová chromatografie (PCGC) s programovatelným PTV vstřikovacím systémem (chlazeným CO₂ či N₂) a děličem/frakčním kolektorem (např. Gerstel PFC) doplněným o FID pro kontrolu separace.
• Semi-preparativní vysokoúčinná kapalinová chromatografie (PLC) s normální či reverzní fází pro netěkavé polární biomarkery, vybavená programovatelným sběračem frakcí a často napojená na hmotnostní spektrometrický detektor.
• Elementární analyzátor spojený s urychlovačovou hmotnostní spektrometrií (EA-AMS) pro přímé měření CO₂ a minimalizaci ztrát při grafitizaci.
• Procesní standardy a pozaďové vzorky sledované ve všech krocích CSRA pro kvantifikaci a kontrolu kontaminace cizorodým uhlíkem.

Hlavní výsledky a diskuse

Bylo prokázáno, že pro spolehlivé datování je potřeba minimálně 25 µg C v řadě případů izolovaných sloučenin; grafitizační proces i možné ztráty uhlíku představují klíčové limity. Vývoj solventless trapping (skelná vata ve sběrací kapiláře) významně snížil riziko organického kontaminantu z rozpouštědel. CSRA umožnila:

• Datovat mastné kyseliny (C16:0, C18:0) v archeologické keramice bez přídavku rozpouštědel, s potlačením mořského rezervoárového efektu.
• Stanovit stáří alifatických alkánů, alkenonů, terpenoidů či GDGTs v mořských a jezerních sedimentech.
• Izolovat a datovat 4-hydroxyprolin z kostního kolagenu pro starší vzorky přesahující 40 000 BP.

Přínosy a praktické využití metody

CSRA přináší přesnější chronologii a lepší interpretaci paleoenvironmentálních a archeologických dat takto:

• Archeologie: určování funkce a stáří keramiky na základě lipidových reziduí.
• Environmentální vědy: sledování změn klimatu a biogeochemických procesů pomocí biomarkerů v sedimentech.
• Bioarcheologie: datování kostí a hodnocení sekundární kontaminace skrze selektivní analýzu aminokyselin.

Budoucí trendy a možnosti využití

Další rozvoj CSRA směřuje k:

• rozšíření použití EA-AMS pro automatizované měření vzorků pod 100 µg C,
• vylepšení sběracích kapilár a minimalizaci krížové kontaminace,
• aplikacím na nové typy biomarkerů (alkany, alkenony, GDGTs, sacharidy),
• integraci s datovými systémy pro lepší reprodukovatelnost a auditování procesu.

Závěr

CSRA kombinující preparativní chromatografii a AMS nabízí unikátní nástroj pro radiouhlíkové datování heterogenních či kontaminovaných vzorků. Dodržování přísných protokolů extrakce, chromatografické separace a kontrola kontaminace procesními standardy umožňuje získat spolehlivé stáří i z velmi nízkých množství izolovaných biomarkerů.

Reference

1. Hajdas I., Ascough P., Garnett M. H., Fallon S. J., Pearson Ch. L., Quarta G., Spalding K. L., Yamaguchi H., Yoneda M.: Nat. Rev. Methods Primers 1, 62 (2021).
2. Světlík I., Dreslerova D., Limburský P., Tomášková L.: Archeologické rozhledy 59, 80 (2007).
3. Rosenheim B. E., Day M. B., Domack E., Schrum H., Benthien A., Hayes J. M.: Geochem. Geophys. Geosyst. 9, Q04005 (2008).
4. Mollenhauer G., Rethemeyer J.: IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 5, 1 (2009).
5. Ingalls A., Pearson A.: Oceanography 18, 18 (2005).
6. Tuniz C., Bird J. R., Fink D., Herzog G. F.: Accelerator Mass Spectrometry: Ultrasensitive Analysis for Global Science. CRC Press, Florida 1998.
7. Kusch S., Mollenhauer G., Willmes C., Hefter J., Eglinton T. I., Galy V.: Org. Geochem. 157, 104259 (2021).
8. Devièse T. a kol.: Nat. Commun. 10, 1 (2019).
9. Bronk Ramsey C.: Archaeometry 50, 249 (2008).
10. Wang X.-C., Druffel E. R. M., Griffin S., Lee C., Kashgarian M.: Geochim. Cosmochim. Acta 62, 1365 (1998).
11. Hwang J., Druffel E. R. M.: Science 299, 881 (2003).
12. Berstan R., Stott A. W., Minnitt S., Ramsey C., Hedges R. E. M., Evershed R. P.: Antiquity 82, 702 (2008).
13. Birkholz A., Smittenberg R. H., Hajdas I., Wacker L., Bernasconi S. M.: Org. Geochem. 60, 9 (2013).
14. Deviese T., Comeskey D., McCullagh J., Bronk Ramsey C., Higham T.: Rapid Commun. Mass Spectrom. 32, 373 (2018).
15. Wacker L., Fahrni S. M., Hajdas I., Molnar M., Synal H. A., Szidat S., Zhang Y. L.: Proceedings of the 12th International Conference on AMS, Elsevier 2013.
16. Haghipour N., Ausín B., Usman M. O., Ishikawa N., Wacker L., Welte C., Ueda K., Eglinton T. I.: Anal. Chem. 91, 2042 (2020).
17. Sun S. a kol.: Radiocarbon 62, 207 (2020).
18. Casanova E., Knowles T., Williams C., Crump M., Evershed R.: Anal. Chem. 89, 7090 (2017).
19. Casanova E., Knowles T. D. J., Williams C., Crump M. P., Evershed R. P.: Anal. Chem. 90, 11025 (2018).
20. Casanova E. a kol.: Nature 580, 506 (2020).
21. Kim L., Marriott P. J., Preparative Gas Chromatography. Elsevier, Waltham 2012.
22. Eglinton T. I., Aluwihare L. I., Bauer J. E., Druffel E. R., McNichol A. P.: Anal. Chem. 68, 904 (1996).
23. Davidová L.: Izolace a separace organických reziduí… Bakalářská práce, VŠCHT Praha 2020.
24. Gerstel: GC Preparative Fraction Collector – PFC (online 2022).
25. Casanova E., Knowles T. D., Ford C., Cramp L. J., Sharples N., Evershed R. P.: Radiocarbon 62, 1679 (2020).
26. Kučera J. a kol.: Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B 527, 29 (2022).
27. Kučera J., Němec M., John J., Světlík I., Pachnerová Brabcová K., Kameník J., Dreslerová D.: ESAS–CSSC 2022, Brno, Abstract OL 33 (2022).
28. Smittenberg R. H., Hopmans E.C., Schouten S., Damsté J. S. S.: J. Chromatogr. A 978, 129 (2002).
29. Linscott B. a kol.: 24th Radiocarbon Conference Zurich (2022).
30. Correa-Ascencio M., Evershed R. P.: Anal. Methods 6, 1330 (2014).
31. Stott A. W., Berstan R., Evershed R. P., Bronk-Ramsey C., Hedges R. E. M., Humm M. J.: Anal. Chem. 75, 5037 (2003).
32. Cook G. T., Ascough P. L., Bonsall C., Hamilton W. D., Russell N., Sayle K. L., Scott E. M., Bownes J. M.: Quat. Geochronol. 27, 164 (2015).
33. Blattmann T. M., Montluçon D. B., Haghipour N., Ishikawa N. F., Eglinton T. I.: Front. Mar. Sci. 7, 174 (2020).
34. Ishikawa N. a kol.: Anal. Chem. 90, 12035 (2018).
35. McCullagh J., Marom A., Hedges R.: Radiocarbon 52, 620 (2010).