So sánh độ tuổi bằng đồng vị cacbon

Có ba loại đồng vị của cacbon xuất hiện trong tự nhiên trên Trái Đất: cacbon-12, cacbon-13, và cacbon-14. Trong đó việc test hơi thở phát hiện vi khuẩn Helicobacter pylori sử dụng đồng vị C13 và C14. Vậy giữa hai loại này có điểm gì khác nhau. Cùng khám phá qua bài viết dưới đây các bạn nhé.

1. Carbon C13

1.1 Định nghĩa

Carbon-13 (13 C) là một đồng vị carbon tự nhiên, ổn định với hạt nhân chứa sáu proton và bảy neutron. Là một trong những đồng vị môi trường, nó chiếm khoảng 1,1% tổng số carbon tự nhiên trên Trái đất.

1.2. Ứng dụng carbon C13:

13C được sử dụng trong nghiên cứu các quá trình trao đổi chất bằng phương pháp phổ khối. Các hợp chất như vậy là an toàn vì chúng không phóng xạ. Ngoài ra, 13 C được sử dụng để định lượng protein (định lượng protein). Một ứng dụng quan trọng là trong “Ghi nhãn đồng vị ổn định với các axit amin trong nuôi cấy tế bào” (SILAC). 13 hợp chất giàu C được sử dụng trong các xét nghiệm chẩn đoán y tế như xét nghiệm hơi thở urê. Phân tích trong các thử nghiệm này thường là tỷ lệ 13 C đến 12 C bằng phép đo phổ khối tỷ lệ đồng vị.

2. Carbon C 14

2.1. Định nghĩa

Cacbon-14, 14C, hay cacbon phóng xạ, là một trong các đồng vị phóng xạ của nguyên tố cacbon với hạt nhân chứa 6 proton và 8 neutron. Sự có mặt của nó trong vật chất hữu cơ là cơ sở cho phương pháp định tuổi bằng đồng vị cacbon do nhà hóa lý Willard Libby và cộng sự (1949) sử dụng nhằm xác định tuổi của các mẫu khảo cổ học và địa chất kỷ Đệ tứ.

Cacbon-14 do các nhà vật lý và hóa học Martin Kamen và Sam Ruben phát hiện vào ngày 27 tháng 2 năm 1940 tại Phòng thí nghiệm Phóng xạ Đại học California ở Berkeley, mặc dù sự tồn tại của nó đã được Franz Kurie dự đoán từ năm 1934.

Các đồng vị khác nhau của cacbon có tính chất hóa học gần như nhau. Đặc tính này đã được áp dụng trong các nghiên cứu hóa học và sinh học với kỹ thuật đánh dấu cacbon: người ta sử dụng nguyên tử cacbon-14 nhằm thay thế đồng vị cacbon không phóng xạ nhằm theo dõi dấu vết các phản ứng hóa học và hóa sinh có sự tham gia của các nguyên tử cacbon trong bất kỳ một hợp chất hữu cơ nào.

2.2. Ứng dụng carbon C14:

Một trong những kỹ thuật hay áp dụng được đồng vị cacbon 14C là xác định niên đại của mẫu hữu cơ tồn tại ở các khu khảo cổ. Thực vật cố định cacbon trong khí quyển trong quá trình quang hợp do vậy mức 14C trong thực vật và động vật khi chúng chết xấp xỉ bằng mức 14C có trong khí quyển ở thời điểm đó. Tuy nhiên, lượng cacbon-14 sau đó giảm đi do quá trình phân rã, cho phép các nhà khảo cổ xác định được niên đại mà thực vật chết hoặc thời điểm nó cố định cacbon lần cuối. Mức 14C ban đầu dùng cho tính toán có thể ước lượng được, hoặc so sánh trực tiếp với dữ liệu đã biết theo chuỗi thời gian từ dữ liệu đếm vòng-cây (phương pháp xác định tuổi thọ của cây) lên tới 10.000 năm trở về trước (sử dụng các dữ liệu bổ sung từ các cây còn sống và đã chết xung quanh vùng đó), hoặc từ các hang trầm tích (speleothems), cho phép xác định niên đại tới 45.000 năm từ hiện tại. Kết quả tính toán hoặc (chính xác hơn) so sánh trực tiếp mức cacbon-14 trong mẫu khảo cổ với mức cacbon-14 của vòng cây hoặc của hang đá trầm tích đã biết tuổi, sẽ cho biết tuổi của mẫu gỗ hay xương lúc thực – động vật chết.

Cacbon-14 được dùng làm chất đánh dấu phóng xạ trong y học. Trong các thử nghiệm ban đầu về nồng độ Urê trong hơi thở, phục vụ cho chẩn đoán Helicobacter pylori, urê được đánh dấu với khoảng 37 kBq (1,0 µCi) cacbon-14 khi đưa vào bệnh nhân (hay là 37.000 phân rã trên giây). Nếu bị nhiễm H. pylori, enzyme xúc tác từ vi khuẩn thủy phân urê thành amoniac và cacbon điôxít đã được đánh dấu phóng xạ, và thiết bị đo phóng xạ sẽ phát hiện được qua hơi thở bệnh nhân. Kiểm nghiệm hơi thở urê 14-C đã dần được thay thế bằng kiểm nghiệm urê 13-C với ưu điểm không cần tới tính phóng xạ của chất đánh dấu.

Tài liệu tham khảo:

https://vi.wikipedia.org/wiki/Cacbon-14

https://vi.wikipedia.org/wiki/Carbon-13

Hiện nay trên thị trường cũng có nhiều dòng máy xét nghiệm hơi thở khác nhau, Chủ yếu áp dụng công nghệ đồng vị cacbon C13 và C14. Medaz tự hào là nhà phân phối độc quyền máy xét nghiệm hơi thở HP thương hiệu Richen, áp dụng phương pháp C13 an toàn, không phóng xạ, đã và đang là đối tác tin cậy cung cấp cho các đối tác lớn như: Bệnh viện Medlatec, Bệnh Viện Thu Cúc, Phòng khám Đa Khoa Hoàng Long..

Một khái niệm khác có liên quan mật thiết đến vấn đề này là chu kì bán rã. Đây là thời gian mà một đại lượng sau khi biến đổi chỉ còn lại một nửa so với lượng ban đầu. Và chính chu kì bán rã là thông số quan trọng để người ta xác định tuổi của cổ vật.

Xác định niên đại bằng đồng vị Carbon-14

Vì hợp chất hữu cơ luôn tồn tại Carbon, do đó phương pháp này được sử dụng phổ biến khi cần xác định tuổi tuyệt đối của một mẫu vật hữu cơ. Ngoài Carbon, còn nhiều đồng vị phóng xạ của những chất khác được dùng trong phương pháp xác định bằng đồng vị nói chung.

Phương pháp này được phát minh bởi ông Willard Libby trên cover vào năm 1940 và chính đây đã mang về cho ông ta một giải Nobel Hoá học năm 1960. Dưới đây là nguyên lý mà phương pháp này hoạt động.

1. Đồng vị carbon 14 là đồng vị phóng xạ có chu kì bán rã là 5730 năm. Nghĩa là lấy ví dụ đơn giản nếu bạn có 4 hạt 14C, sau 5730 năm, chúng ta chỉ còn lại 2 hạt. (hoặc 1gam còn 0.5gam chẳng hạn)
2. Khi một thực vật hay động vật sống, chúng sẽ có lượng 14C trong cơ thể xấp xỉ trong khí quyển hoặc đại dương ( đối với sinh vật dưới nước) taji thời điểm đó. Tuy nhiên sau khi chết đi, lượng 14C giảm do quá trình phân rã.
3. Mức Carbon được dùng để so sánh tại thời điểm trong quá khứ có thể được ước lượng, hoặc lấy từ những dự kiện đã biết bằng những phương pháp gián tiếp khác, ví dụ như đếm số vòng trong thân cây rồi tính số 14C trong thân cây đó chẳng hạn. Hoặc người ta cũng có thể lấy một mẫu tham chiếu khác cùng loại nhưng có mốc thời gian ở hiện tại để tham chiếu.
4. Người ta tiến hành đo phóng xạ để biết độ phân rã hiện tại của mẫu vật là bao nhiêu, từ đó sẽ biết được tuổi của mẫu vật bằng cách so sánh tỉ lệ với 12C hoặc với độ phsong xạ của mẫu vật tương tự đã kể trên. Đây được xem là cách cơ bản.

Lấy một ví dụ cơ bản trong chương trình Vật lý lớp 12 để anh em dễ hiểu như sau nhé:

Bằng một số công thức đơn giản, ta dễ tìm được tuổi của mẫu gỗ này là hơn 17 nghìn năm (17190 năm). Mình sẽ không trình bày cách tính để bài viết khỏi lê thê và đi xa hơn khuôn khổ của một bài giải thích thông thường. Tuy nhiên phương pháp này thường không dùng cho các mẫu vật có niên đại ước lượng hơn 50 ngàn năm vì lúc này, lượng 14C còn lại không đủ để cho một kết quả chính xác, lúc này người ta sẽ lại dùng một phương pháp khác.

Ngoài Carbon, người ta còn có thể dùng Uranium hoặc hoặc Kali-Argon (dùng cho mẫu đất) để phân tích. Bằng những phương pháp này, chính nó cũng dùng để biết tuổi của Trái Đất hoặc những thiên thạch va vào TĐ.

Nói về con số 5730 cũng có khá nhiều thú vị. Trong một bài báo xuất bản vào năm 1949 của ông Libby, ông nêu rằng chu kì bán rã của 14C là 5720 sai số 47 năm. Nhưng sau đó, con số này được sữa thành 5568 sai số 30 năm và được dùng trong một khoảng thời gian 10 năm trời. Cho đến năm 1960, người ta chỉnh sửa lại thành 5730 sai số 40 năm cho bây giờ.