骨头样品的放射性碳测年服务

骨头样品是十分常见的加速器质谱仪(AMS)测年样品。这是因为考古研究中经常用到动物骨或者人骨。

在考古研究以及骨头样品测年数据的基础上,史前研究有了很大进展。通过骨头样品测年,越来越多的古文明得以被发现和了解。

骨头样品的成分

骨头由30%的有机物和70%的无机物共同组成。有机部分为蛋白质;无机部分为羟基磷灰石,包含了磷酸钙、碳酸钙、氟化钙、氢氧化钙和柠檬酸。蛋白质主要为骨胶原,为骨头增加强度和柔韧性,而羟基磷灰石则提供骨头硬度和坚固的结构。

理论上,骨头的有机部分和无机部分均可进行测年。然而羟基磷灰石的开放式晶格构造使得其容易受到地下水中碳酸盐的污染。由于羟基磷灰石可溶于酸,因此无法采用稀释的酸溶液将碳酸盐污染物去除。

实验室使用蛋白质部分进行AMS测年,因为它不溶于酸,所以可较容易地从羟基磷灰石和其他碳酸盐中分离。

当蛋白质部分保存不佳,或由于高温、真菌或细菌的影响已分解,那么实验室会对单种氨基酸进行测试,检查氨基酸的碳年龄是否相同。因为所需的样品量很少,AMS实验室可进行该项操作。但是该操作需要的时间以及费用较高,因此并不太推荐进行单种氨基酸测年,除非是古老的骨头样品且有出现轻微污染但造成较大误差的情况下而必须进行的测试。

骨头样品的时间宽度

被测样品的时间宽度可反映有机体的整个生长以及有机体与生物圈相互反应的时间范围。对于大部分含有骨头的有机体,它们的死亡时间与它们停止和生物圈交换的时间一致。因此,这些有机体在死亡时的碳测年年龄为0。

骨头的放射性碳测年结果无需进行年龄补偿,但是骨头样品需考虑年龄宽度问题。文献指出,骨头样品只有在死亡时才停止从生物圈吸收碳;对于人类骨头,转化时间大概为30年左右而动物骨头样品所需的时间则稍短一些。

时间宽度数据十分重要,因为它们不仅会影响到碳测年结果校正,也是碳年龄转换为公历年龄的途径。

任何会影响骨头中C14含量的含碳物质被视为污染物。考虑到骨头样品发现的环境周围一般都有多种不同有机物质,因此骨头样品会被认为是测年样品中最容易受污染的样品之一。

污染物主要为胡敏酸和富里酸,它们是植物或动物在发生微生物分解后产生的有机酸。根据文献可了解,其他的有机污染物为多酚、多糖、木质素和腐化的胶原蛋白。根据挖掘的地点,骨头也可能受到石灰岩的污染。由于这些污染物是在自然状态中与骨头接触带入,因此它们被认为是天然污染。

人为污染,指的是在采样、保存或者包装过程中人为带入的污染。当使用动物胶将标签贴在骨头上时,污染物便被引入到样品中,这是因为动物胶与骨头在化学性上属于相同。对于此类样品,AMS无法测出准确的数据。

在骨头被挖掘出来后,其他潜在的污染物为杀虫剂、聚醋酸乙烯酯(粘合剂)、聚乙二醇(保存剂)、烟灰、标签或其他纸质包装材料。

骨头样品中污染物对AMS测年结果的影响需考虑的这些因素:污染物类别、污染程度以及骨头与污染物的年龄。

若石灰岩在AMS测年之前未被清除,那么最终的测年结果会比实际年龄老得多。这是因为地质起源形成的石灰岩,会比任何考古样品都古老许多。

若AMS测年样品中含有胡敏酸或富里酸,那么测试结果也会不准确。根据产生这些酸的有机体年龄不同,AMS实验室测出的碳年龄可能比骨头实际年龄古老或年轻。

由于植物根系入侵,骨头也可能接触到现代碳源。现代碳源会使得测年结果偏年轻。

一般而言,未知年龄的古老污染物会对真实年龄带来许多影响,使得其古老得多。而现代碳的影响,则会让测试数据比真实年龄要年轻。

为了避免误差,AMS实验室在测年之前会对所有骨头样品进行预处理。

物理预处理指的是在操作过程中未使用任何化学品。AMS实验室对骨头的物理预处理一般为挑出植物根系,压碎样品减小样品大小。

在收到样品时,实验室会先进行视觉检查,看是否有明显的污染物。

小根系会通过镊子或钳子挑掉,而使用外科手术刀或牙科“烤架”可刮去骨头的外层污染。

实验室也会检查骨头的硬度。若骨头柔软则说明骨胶原可能已流失,而这一部分为C14测年所需的材料。

在可视的污染物去除后,实验室会在研钵中用杵捣碎骨头样品。样品尺寸变小而与随后预处理的接触面积变大。

不同的AMS实验室所进行的化学预处理会有细微的区别,但是他们一般都会使用相同的化学品。

被碾碎的骨头样品会在稀释的冷盐酸中清洗多次,直到羟基磷灰石被清除而分离出骨胶原。若样品中有植物细根,那么实验室会做进一步预处理将其从骨胶原中挑除。

为了确保所有有机酸已被完全清除,骨胶原会使用碱溶液清洗,一般为氢氧化钠(NaOH)。若骨胶原样品的保存情况不佳,那么实验室会跳过碱洗步骤,因为在洗的过程中可能会将可测的有机物质清洗掉。