Exploration of radioactive carbon-14 using laser spectroscopic technologies

• Project/Area Number: 20K20485
• Project/Area Number (Other): 19H05581 (2019)
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2020); Single-year Grants (2019)
• Review Section: Medium-sized Section 63:Environmental analyses and evaluation and related fields
• Research Institution: Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology
• Principal Investigator: 坂井 三郎 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 海洋機能利用部門(生物地球化学センター), 主任研究員 (90359175)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥25,740,000 (Direct Cost: ¥19,800,000、Indirect Cost: ¥5,940,000); Fiscal Year 2021: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000); Fiscal Year 2020: ¥8,060,000 (Direct Cost: ¥6,200,000、Indirect Cost: ¥1,860,000); Fiscal Year 2019: ¥15,860,000 (Direct Cost: ¥12,200,000、Indirect Cost: ¥3,660,000)
• Keywords: レーザー分光 / 中赤外 / 超高感度 / 二酸化炭素 / 同位体 / 超微量 / 放射性炭素 / 放射性同位体 / 炭素 / 14C / 放射性炭素同位体 / レーザー / 分光

Outline of Research at the Start

放射性炭素年代測定法を確立したウィラード・リビーがノーベル化学賞を受賞してから半世紀、放射性炭素濃度の計測は、考古学や地質学における年代決定をはじめ、生態系の解析、海洋生物の動態やアルツハイマー病の研究にまで応用されている。しかし、加速器質量分析計は巨大で極めて高額、専属技術者が不可欠で、潤沢な研究資金を持つ研究機関でなければ所有できない。フォトニクスの時代と言われる近年の光計測技術の発展は目覚しく、ベンチトップで安価なレーザー分光技術で14C計測が実現すれば、小規模の研究施設でも計測可能となり、飛躍的に研究の裾野が広がる。本課題では「新しい14Cの超高感度分光法」の開拓に挑戦する。

Outline of Annual Research Achievements

21世紀はフォトニクス（光科学）の時代と言われ、半導体レーザーの技術革新は、様々な微量分子の精密計測に恩恵をもたらし、例えば二酸化炭素の安定同位体分子（12C, 13C, 16O, 17O, 18O）のレーザー分光計測では、研究代表者により世界に先駆けて超高分解能扇型質量分析計を凌駕する高感度計測が達成された。レーザー分光の利点は、ベンチトップで、商用電源を利用でき、構造がシンプル、かつ加速器質量分析計に比べて格段に安価でありながら、超高感度計測が可能なことである。もし、レーザー分光技術で14C計測が実現できれば、小規模の研究施設でも計測可能となり、飛躍的に新しい研究の裾野を広げることができる。このような背景から、本課題では最先端のレーザー分光技術に光ファイバ技術を癒合して、基盤研究では挑戦が困難である「新しい14Cの超高感度分光法」を開拓し、放射性炭素（14C）計測法のブレークスルーを目指している。
当該年度は、前年度に引き続き光ファイバに書き込んだ中赤外域をターゲットにしたミラー構造のテストを継続し、99.95%の反射率を得ることができた。一方で、前年度からの課題であるサンプルセル両端の光ファイバコリメータの光軸調整法についての改善策の試行錯誤が続いた。その間に新規光ファイバ技術である「中空光ファイバ」が登場し、この技術を採用することで、光軸調整とサンプル量の微量化を同時に解決できる可能性を見出すことができた。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

前年度からの課題であるサンプルセル両端の光ファイバコリメータの光軸調整法についての改善策の試行錯誤が継続中のため。

Strategy for Future Research Activity

当該年度に新規光ファイバ技術である「中空光ファイバ」が登場し、この技術を採用することで、光軸調整とサンプル量の微量化を同時に解決できる可能性を見出すことができた。当初計画にはない要素であるが、当初の予定よりもさらに高感度検出を可能できることが予測されるため、鋭意、中空ファイバ技術を導入、試験していく予定である。

Research Products

• [Journal Article] Subnanomolar Sensitive Stable Isotopic Determination in CO₂ by Tunable Infrared Laser Absorption Spectroscopy (2022)
  • Author(s): Sakai Saburo、Otsuka Taiga、Matsuda Shinichi、Sakairi Yoshiyuki、Uchida Ryoma、Sugahara Kazunori、Kano Akihiro、Yang Danzhou
  • Journal Title: Analytical Chemistry Volume: 94 Issue: 17 Pages: 6446-6450
  • DOI: 10.1021/acs.analchem.1c05458
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Rapid and precise measurement of carbonate clumped isotopes using laser spectroscopy (2022)
  • Author(s): Yanay Nitzan、Wang Zhennan、Dettman David L.、Quade Jay、Huntington Katharine W.、Schauer Andrew J.、Nelson David D.、McManus J. Barry、Thirumalai Kaustubh、Sakai Saburo、Rebaza Morillo Anna、Mallik Ananya
  • Journal Title: Science Advances Volume: 8 Issue: 43 Pages: 1-14
  • DOI: 10.1126/sciadv.abq0611
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 炭酸塩の安定同位体レーザー吸収分光法の開拓 (2021)
  • Author(s): 坂井三郎
  • Journal Title: ぶんせき Volume: 2 Pages: 52-56
  • NAID: 40022497821
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Protocol for Sampling Sequential Fin Spine Growth Intervals for Isotope Analysis in the Atlantic Bluefin Tuna (2020)
  • Author(s): Luque Patricia Lastra、Sakai Saburo、Murua Hilario、Arrizabalaga Haritz
  • Journal Title: Frontiers in Marine Science Volume: 7 Pages: 1-10
  • DOI: 10.3389/fmars.2020.588651
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Discrimination of eastward trans-Pacific migration of the Pacific bluefin tuna Thunnus orientalis through otolith δ13C and δ18O analyses (2020)
  • Author(s): Kawazu Masanori、Tawa Atsushi、Ishihara Taiki、Uematsu Yuki、Sakai Saburo
  • Journal Title: Marine Biology Volume: 167 Issue: 8 Pages: 1-7
  • DOI: 10.1007/s00227-020-03723-9
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Marine Os isotopic evidence for multiple volcanic episodes during Cretaceous Oceanic Anoxic Event 1b (2020)
  • Author(s): Matsumoto Hironao、Kuroda Junichiro、Coccioni Rodolfo、Frontalini Fabrizio、Sakai Saburo、Ogawa Nanako O.、Ohkouchi Naohiko
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Issue: 1 Pages: 1-10
  • DOI: 10.1038/s41598-020-69505-x
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Rapid and Precise Analysis of Carbon Dioxide Clumped Isotopic Composition by Tunable Infrared Laser Differential Spectroscopy (2019)
  • Author(s): Wang Zhennan、Nelson David D.、Dettman David L.、McManus J. Barry、Quade Jay、Huntington Katharine W.、Schauer Andrew J.、Sakai Saburo
  • Journal Title: Analytical Chemistry Volume: 92 Issue: 2 Pages: 2034-2042
  • DOI: 10.1021/acs.analchem.9b04466
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Rapid measurement of carbonate clumped isotopes using tunable infra-red laser spectroscopy (2022)
  • Author(s): Nitzan Yanay, Zhennan Wang, David L. Dettman, Jay Quade, Katharine W. Huntington, Andrew J. Schauer, David D. Nelson, J. Barry McManus, Kaustubh Thirumalai, Mathieu Daron and Saburo Sakai
  • Organizer: Goldshimidt 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Carbonate clumped isotope calibration from 6 to 1100 °C using an isotope ratio laser spectrometer based on tunable infra-red laser spectroscop (2022)
  • Author(s): Wang, Z, Yanay, N, Dettman, D., Quade, J., Huntington, K., Schauer, A., Nelson, D., McManus, J., Thirumalai, K. & Sakai, S
  • Organizer: 10th International Symposium on Isotopomers (ISI) and 12th Isotopes Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 中赤外線分光法を用いたCO2同位体種の超高感度分析とその古気候学への応用 (2022)
  • Author(s): 狩野彰宏・坂井三郎
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 中赤外レーザー分光システムを用いた17O存在度以上測定法の開発 (2022)
  • Author(s): 佐久間杏樹・坂井三郎
  • Organizer: 環境史学会
• [Presentation] Rapid measurement of carbonate clumped isotopes using tunable infra-red laser spectroscopy (2022)
  • Author(s): 4.Nitzan Yanay, Zhennan Wang, David L. Dettman, Jay Quade, Katharine W. Huntington, Andrew J. Schauer, David D. Nelson, J. Barry McManus, Kaustubh Thirumalai, Mathieu Daeron and Saburo Sakai
  • Organizer: Goldshimidt 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Carbonate clumped isotope calibration from 6 to 1100 °C using an isotope ratio laser spectrometer based on tunable infra-red laser spectroscopy (2022)
  • Author(s): 5.Wang, Z, Yanay, N, Dettman, D., Quade, J., Huntington, K., Schauer, A., Nelson, D., McManus, J., Thirumalai, K. & Sakai, S.
  • Organizer: 10th International Symposium on Isotopomers (ISI) and 12th Isotopes Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Calibrating the Carbonate Clumped Isotope Thermometer from 7 to 70 C by Automated Laser Spectroscopy (2020)
  • Author(s): Nitzan, Y., Wang, Z., Dettman, D.L., Quade, J., Huntington, K.W., Schauer, A.J., Nelson, D., McManus, J.B., Sakai, S
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ecological responses of coral reef under different seawater conditions inferred from mid-Holocene coral reefs at the central Ryukyu Islands, Japan (2019)
  • Author(s): Sowa, K., Hongo, C., Sakai, S., Yamaguchi, K.
  • Organizer: International sclerochronology conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Microscale stable isotopic analytical system (MICAL3c) reveals high-resolution temperature history of fish otoliths (2019)
  • Author(s): Nishida, K., Sakamoto, T., Aono, T., Sakai, S., Ishimura
  • Organizer: International sclerochronology conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Calibrating the Carbonate Clumped Isotope Thermometer from 7 to 70C by Automated Laser Spectroscopy (2019)
  • Author(s): 3.Nitzan, Y., Wang, Z., Dettman, D.L., Quade, J., Huntington, K.W., Schauer, A.J., Nelson, D., McManus, J.B., Sakai, S.
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2019
  • Int'l Joint Research