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C14同位素即碳-14（Carbon-14），其原子核含有6個(gè)質(zhì)子和8個(gè)中子，相對于碳的兩種穩(wěn)定同位素（碳-12和碳-13）而言，碳-14具有放射性。

碳-14的形成主要是由宇宙射線中的中子轟擊氮-14原子核，使其轉(zhuǎn)變?yōu)樘?14，這一過程稱為宇宙射線產(chǎn)生的核反應(yīng)。

1940年2月，美國科學(xué)家卡門與同事魯賓，在加州大學(xué)伯克利實(shí)驗(yàn)室的加速器上，用氘核轟打石墨靶獲得碳的放射性同位素碳-14，幾年后科學(xué)家確定碳十四的物理半衰期為5730年，衰變方式為β衰變。

來源：中國同輻

C14的主要應(yīng)用·穿梭古今的神奇碳元素

01 碳14測年

C14測年方法建立的基礎(chǔ)是核物理學(xué)。由宇宙射線中子對大氣中的氮作用產(chǎn)生C14。生物生長過程中，由于一直處于與大氣的交換狀態(tài)，生物體C14水平與大氣C14水平保持一致。一旦生物死亡，脫離了交換狀態(tài)，其體內(nèi)C14水平隨著時(shí)間的流逝因衰變而逐漸降低。通過測定生物體中剩余C14含量，就可獲悉生物死亡的年代，這是C14測年的基本原理。

碳14衰變正弦曲線

ESR/U系聯(lián)合牙齒化石測年技術(shù)流程

C14測年方法主要包括常規(guī)測年法和加速器質(zhì)譜測年法。在考古學(xué)、地質(zhì)學(xué)中、古生態(tài)學(xué)等研究中，C14測年迄今仍是一項(xiàng)強(qiáng)大可靠的、廣泛適用的技術(shù)，對于科學(xué)家來說極其寶貴。

碳十四測年的在考古學(xué)中的應(yīng)用 研究實(shí)例：二里頭遺址

02 標(biāo)記化合物示蹤

用放射性核素C14取代化合物中它的穩(wěn)定同位素碳12(C12)，并以C14作為標(biāo)記的放射性標(biāo)記化合物。

80年代初，國際市場上提供的C14標(biāo)記化合物以及生物學(xué)研究中感興趣的各種化合物近千種。到80年代中期，C14標(biāo)記化合物已成為探索化學(xué)和生命科學(xué)微觀運(yùn)動的不可缺少的工具。

C14在檢測幽門螺旋桿菌中的應(yīng)用（網(wǎng)絡(luò)圖片）

C14的標(biāo)記化合物可用于：

⑴ 研究農(nóng)作物的光合作用、含碳農(nóng)藥在土壤和農(nóng)作物中的殘留情況等；

⑵ 可用于識別化學(xué)反應(yīng)的中間產(chǎn)物、研究反應(yīng)動力學(xué)和反應(yīng)途徑、研究化學(xué)鍵的形成過程、確定化學(xué)鍵的斷裂位置、研究催化劑中毒的原因等；

⑶ 用于診斷疾?。ㄈ鏑14–黃嘌呤可用于檢查肝功能、幽門螺旋桿菌檢測）和制成低能β放射源；

⑷ 觀察標(biāo)記的蛋白質(zhì)、脂肪、氨基酸等在體內(nèi)的代謝過程；

⑸ 觀察標(biāo)記的藥物在體內(nèi)的代謝行徑及由體內(nèi)的排除情況等。

放射性碳（14C）示蹤化石源碳排放示意圖（來源：地學(xué)之家）

C14檢測方法對比及選擇

01 傳統(tǒng)放射性檢測儀器

⑴ 液體閃爍計(jì)數(shù)器（LSC）

使用液體閃爍體（閃爍液）接受射線并轉(zhuǎn)換成熒光光子的放射性計(jì)量儀。但是使用的閃爍液可能是有毒的，需要特殊的處理和處置。另外需要將樣品轉(zhuǎn)化為可溶解或懸浮在閃爍液中的形式。環(huán)境中的本底輻射和儀器本身的本底可能會干擾測量結(jié)果。

⑵ 氣體正比計(jì)數(shù)器（GPC）

是一種放射性檢測儀器，用于檢測和量化放射性樣品中發(fā)射的粒子，尤其是β粒子。但操作過程中需要特殊的氣體處理和監(jiān)控系統(tǒng)。電場的穩(wěn)定性對計(jì)數(shù)器的性能至關(guān)重要，環(huán)境中的本底輻射和儀器本身的本底可能會干擾測量結(jié)果。

⑶ 加速器質(zhì)譜（AMS）

是一種高度靈敏的分析技術(shù)，用于測量極微量的放射性同位素，特別是用于C14的定年。但是AMS系統(tǒng)非常復(fù)雜且昂貴，需要專門的設(shè)施和維護(hù)。操作AMS需要高度專業(yè)的技術(shù)知識和訓(xùn)練，樣品的制備過程可能復(fù)雜且耗時(shí)。

02 新興放射性檢測技術(shù)

光譜法工業(yè)在線放射性C14檢測

和實(shí)驗(yàn)室檢測方法以及檢測儀器相比，在核工業(yè)、環(huán)境保護(hù)、石油和天然氣開采等方面，工業(yè)在線放射性檢測的有很強(qiáng)的市場需求。例如在核電站、核燃料循環(huán)設(shè)施、核廢物處理設(shè)施等需要實(shí)時(shí)監(jiān)測放射性物質(zhì)的泄漏和排放，以確保工作人員和周圍環(huán)境的安全。

與液體閃爍計(jì)數(shù)器（LSC）相比，光譜法工業(yè)在線放射性C14檢測的靈敏度更高、需要的樣品量少、檢測時(shí)間更短以及實(shí)時(shí)監(jiān)測能力更強(qiáng)。C14光譜法工業(yè)在線檢測不依賴于放射性測量，因此不需要特殊的放射性安全措施和許可，光譜法通常能夠提供快速的分析結(jié)果，適合在線監(jiān)測和實(shí)時(shí)分析。

另一項(xiàng)研究中，建立了使用中紅外（mid-IR）范圍腔衰蕩光譜（CRDS）系統(tǒng)的1?CO?濃度測量系統(tǒng)，用于核電站中C14的監(jiān)測。該技術(shù)以其高靈敏度（約50ppt）和對1?CO?的高效測量能力，顯示出了替代目前核電站中使用的液體閃爍計(jì)數(shù)（LSC）技術(shù)的潛力。

國內(nèi)首個(gè)碳14放射性光譜法檢測儀器，是蘇州冠德科技參加國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的重要成果，新產(chǎn)品新技術(shù)的出現(xiàn)，為更嚴(yán)格和高效的C14管理和監(jiān)測提供了新的可能性。

C14放射同位素分析儀

Grand1?CO?為C14同位素分析儀，該儀器是通過腔衰蕩光譜測量技術(shù)，利用中紅外量子級聯(lián)激光器和高品質(zhì)光學(xué)腔實(shí)時(shí)測量1?CO?氣體分子的光譜信息，可實(shí)現(xiàn)對CO?中的C14濃度進(jìn)行高靈敏度、高分辨率、高響應(yīng)速度的實(shí)時(shí)在線檢測。

該儀器無需高真空系統(tǒng)，系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)，體積小，不僅可在實(shí)驗(yàn)室中使用，也可應(yīng)用在核電站現(xiàn)場、醫(yī)療機(jī)構(gòu)等場景，尤其適用于針對核廢料檢測、核電站附近大氣環(huán)境監(jiān)測、地質(zhì)年代測定、幽門螺旋桿菌診斷等工作。

核心優(yōu)勢

1.可在現(xiàn)場部署，實(shí)時(shí)在線檢測

2.測量靈敏度高，可做到亞 ppb量級精準(zhǔn)檢測

3.測量速度快，幾分鐘便可得到1?CO?濃度值

4.測量范圍廣，能做到ppt~ppm量級間的測量

5.所需樣品氣量小，1毫升即可測樣

6.可對CO?氣體進(jìn)行直接檢測，給出同位素值

應(yīng)用領(lǐng)域

存在特定的監(jiān)測需求時(shí)，例如在核工業(yè)中監(jiān)測放射性物質(zhì)的排放，光譜法工業(yè)在線放射性C14檢測可能用于以下領(lǐng)域：

核工業(yè)：核電站和核燃料循環(huán)設(shè)施需要監(jiān)測C14的排放，以確保安全和合規(guī)

放射性碳示蹤：在環(huán)境科學(xué)和地質(zhì)學(xué)中，用于進(jìn)行放射性示蹤研究，以追蹤放射性同位素在生態(tài)系統(tǒng)中的流動

生物醫(yī)藥：在生物醫(yī)學(xué)研究中，C14同位素分析儀用于研究生物體內(nèi)外的碳循環(huán)，以及藥物和生物分子在生物體內(nèi)的代謝和分布

地質(zhì)環(huán)境：研究地質(zhì)事件和生物地層學(xué)，以及評估地質(zhì)和氣候變遷；研究生物地球化學(xué)循環(huán)，如碳循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)

在上述提到的應(yīng)用領(lǐng)域中，目前最廣泛應(yīng)用的領(lǐng)域是核工業(yè)。核工業(yè)包括核電站、核燃料循環(huán)設(shè)施、核廢物處理設(shè)施等，這些設(shè)施需要實(shí)時(shí)監(jiān)測放射性物質(zhì)的泄漏和排放，以確保工作人員和周圍環(huán)境的安全。

應(yīng)用案例

核電站樣品檢測：在核電站周圍的大氣環(huán)境中存在著一定量的C14同位素分布，對其進(jìn)行快速精確的測量可以監(jiān)控核電站周圍環(huán)境指標(biāo)是否正常，有無泄漏位置，對確保核電站附近環(huán)境的安全起到一定作用。

核電站產(chǎn)生的廢料具有較大放射性，對環(huán)境及人體都有很大危害，對其進(jìn)行高精度檢測可以監(jiān)控排放指標(biāo)情況，避免對周圍環(huán)境及居民造成危害。以下是使用本儀器對核工業(yè)提供的核電站C14樣品進(jìn)行的檢測測試結(jié)果。

動態(tài)濃度稀釋已實(shí)現(xiàn)亞ppb量級的1?CO?檢測

Allan方差分析， 1?CO?的最低檢測限可到1.2 ppt