Tại sao tỷ lệ đồng vị (Isotope ratio) giúp truy xuất nguồn gốc thực phẩm?

• Làm thế nào để biết mật ong có bị pha đường hay không ?
• Vì sao hai mẫu cà phê giống nhau nhưng có nguồn gốc khác nhau ?

Trong tự nhiên, mỗi giọt nước, hạt cà phê hay mẫu đất đều mang một “dấu vân tay hóa học” riêng. Nhờ phân tích tỷ lệ đồng vị, các nhà khoa học có thể xác định nguồn gốc thực phẩm, theo dõi ô nhiễm môi trường và nghiên cứu biến đổi khí hậu.

Đó cũng chính là lý do kỹ thuật Phổ khối tỷ lệ đồng vị (Isotope Ratio Mass Spectrometry) ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong:

• thực phẩm,
• môi trường,
• nông nghiệp,
• dầu khí,
• và nghiên cứu khoa học.

1. Đồng vị (Isotope) là gì?

Mọi vật chất đều được cấu tạo từ nguyên tử. Mỗi nguyên tố hóa học trên bảng tuần hoàn được xác định bởi:

• số proton,
• số electron,
• và số neutron.

Trong đó:

• số proton của một nguyên tố luôn cố định,
• nhưng số neutron có thể thay đổi.

Các nguyên tử có cùng số proton nhưng khác số neutron được gọi là đồng vị.

Chúng có hầu hết các tính chất hóa học giống nhau, nhưng khác nhau về khối lượng và do đó khác nhau về tính chất vật lý.

Ví dụ:

Đồng vị được chia thành 2 nhóm chính:

• Đồng vị bền (Stable isotopes): không phát xạ bức xạ
• Đồng vị phóng xạ (radioisotopes): có phát xạ phóng xạ

Trong kĩ thuật IRMS, , các nhà nghiên cứu chủ yếu tìm kiếm và đo lường các đồng vị bền:

• Các đồng vị mục tiêu: Các nguyên tố nhẹ phổ biến nhất được phân tích bao gồm Carbon (¹³C/¹²C), Nitơ (¹⁵N/¹⁴N), Oxy (¹⁸O/¹⁶O), Hydro (²H/¹H) và Lưu huỳnh (³⁴S/³²S).
• Không phải phóng xạ: Các đồng vị bền này hoàn toàn tự nhiên, không bị phân rã theo thời gian và không phát ra bức xạ, khác biệt hoàn toàn với các đồng vị phóng xạ.

Các đồng vị này tồn tại tự nhiên và đóng vai trò quan trọng trong:

• truy xuất nguồn gốc thực phẩm,
• nghiên cứu môi trường,
• thủy văn đồng vị,
• nông nghiệp,
• và địa hóa học.

2. Vì sao cần biểu diễn đồng vị

Một nguyên tố có thể tồn tại dưới nhiều dạng:

Ví dụ như carbon ¹²C ≈ 98,9% và ¹³C ≈ 1,1% hay nitơ ¹⁴N ≈ 99,6% và ¹⁵N ≈ 0,4%

Với phương pháp IRMS, không chỉ trả lời câu hỏi “nguyên tố này có trong mẫu hay không” mà hỏi “Tỷ lệ giữa các đồng vị là bao nhiêu?”

Vì tỷ lệ này cho biết:

• nguồn gốc mẫu,
• quá trình sinh học,
• địa hóa,
• thực phẩm giả mạo,
• chu trình môi trường,
• nguồn ô nhiễm…

2.1. Các đại lượng liên quan tỷ lệ đồng vị:

a) Phần nguyên tử (Atomic fraction):

=> Đại lượng này cho biết tỷ lệ phần trăm thật sự của đồng vị

Nhưng trong IRMS, người ta ít dùng trực tiếp vì:

• Giá trị rất nhỏ,
• Khó so sánh biến thiên nhỏ

b) Tỷ lệ đồng vị (Isotope Ratio)

Đây là đại lượng IRMS sử dụng trực tiếp nhiều nhất

IRMS đo thực tế: cường độ ion tại m/z 44, m/z 45, m/z 46

c) Đồng vị Delta ⸹ (Isotope Delta ⸹)

Chỉ số Delta ⸹ cho biết: “mẫu lệch bao nhiêu so với chuẩn”

Ví dụ:

• Khác biệt rất nhỏ => IRMS sử dụng ⸹¹³C để phóng đại sự khác biệt

Giả sử: R_sample = 0,011250 và R_standard = 0,011180.

Ta có:

Ý nghĩa dấu + và -:

• ⸹ dương: mẫu giàu đồng vị nặng hơn chuẩn
• ⸹ âm: mẫu nghèo đồng vị nặng hơn chuẩn

2.2. Ý nghĩa ứng dụng thực tế

2.3. Các quá trình ảnh hưởng đến tỷ lệ đồng vị trong tự nhiên

• Phân tách đồng vị là sự phân bố tương đối của các đồng vị nặng hơn và nhẹ hơn của một nguyên tố giữa hai pha cùng tồn tại trong một hệ thống tự nhiên
• Có hai loại quá trình phân tách chính là hiệu ứng đồng vị động học và hiệu ứng đồng vị cân bằng

Kết Luận

Isotope analysis không chỉ giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về tự nhiên mà còn đóng vai trò quan trọng trong:

• truy xuất nguồn gốc,
• kiểm soát chất lượng thực phẩm,
• bảo vệ môi trường,
• và phát triển nông nghiệp bền vững.

Bạn muốn tìm hiểu cách hệ thống IRMS hoạt động?

Trong bài viết tiếp theo, chúng tôi sẽ giải thích chi tiết cấu tạo của hệ thống IRMS Sercon, bao gồm nguồn ion hóa, bộ phân tích từ trường và detector Faraday Cup, cùng nguyên lý đo đồng thời các ion m/z 44, 45 và 46.

———————————————————————————————————–

Quý khách hàng cần hỗ trợ tư vấn sản phẩm Sercon, liên hệ VIỆT NGUYỄN.