Углерод-13 ( 13 C) — это естественный, стабильный изотоп углерода с ядром , содержащим шесть протонов и семь нейтронов . Как один из природных изотопов , он составляет около 1,1% всего природного углерода на Земле.
Масс -спектр органического соединения обычно содержит небольшой пик на одну единицу массы больше, чем видимый пик молекулярного иона (M) всей молекулы. Это известно как пик M+1 и происходит от нескольких молекул, которые содержат атом 13 C вместо 12 C. Молекула, содержащая один атом углерода, как ожидается, будет иметь пик M+1 приблизительно 1,1% от размера пика M, так как 1,1% молекул будут иметь 13 C , а не 12 C. Аналогично, молекула, содержащая два атома углерода, как ожидается, будет иметь пик M+1 приблизительно 2,2% от размера пика M, так как существует удвоенная предыдущая вероятность того, что любая молекула будет содержать атом 13 C.
В приведенном выше примере математика и химия были упрощены, однако их можно эффективно использовать для определения числа атомов углерода для органических молекул малого и среднего размера. В следующей формуле результат следует округлить до ближайшего целого числа :
где C = количество атомов C, X = амплитуда пика иона M, а Y = амплитуда пика иона M+1.
Соединения, обогащенные 13 C, используются в исследовании метаболических процессов с помощью масс-спектрометрии. Такие соединения безопасны, поскольку они нерадиоактивны. Кроме того, 13 C используется для количественного определения белков (количественная протеомика ). Одним из важных применений является маркировка стабильных изотопов аминокислотами в клеточной культуре (SILAC). Соединения, обогащенные 13 C, используются в медицинских диагностических тестах, таких как уреазный дыхательный тест . Анализ в этих тестах обычно заключается в соотношении 13 C к 12 C с помощью масс-спектрометрии изотопного отношения .
Соотношение 13 C к 12 C немного выше в растениях, использующих фиксацию углерода C4, чем в растениях, использующих фиксацию углерода C3 . Поскольку различные соотношения изотопов для двух видов растений распространяются по пищевой цепи, можно определить, состоит ли основной рацион человека или другого животного в основном из растений C3 или растений C4, путем измерения изотопной сигнатуры их коллагена и других тканей.
Из-за дифференциального поглощения растениями, а также морскими карбонатами 13 C, эти изотопные сигнатуры можно использовать в науках о Земле. Биологические процессы преимущественно поглощают изотоп с меньшей массой посредством кинетического фракционирования . В водной геохимии, анализируя значение δ 13 C углеродистого материала, обнаруженного в поверхностных и грунтовых водах, можно определить источник воды. Это связано с тем, что атмосферные, карбонатные и полученные из растений значения δ 13 C различаются. В биологии соотношение изотопов углерода-13 и углерода-12 в тканях растений различается в зависимости от типа фотосинтеза растений, и это можно использовать, например, для определения того, какие типы растений были потреблены животными. Более высокие концентрации углерода-13 указывают на устьичные ограничения , которые могут предоставить информацию о поведении растений во время засухи. [2] Анализ изотопов углерода по годичным кольцам деревьев можно использовать для ретроспективного понимания фотосинтеза леса и того, как на него влияет засуха. [3]
В геологии отношение 13 C/ 12 C используется для идентификации слоя в осадочной породе, образовавшегося во время пермского вымирания 252 млн лет назад, когда отношение резко изменилось на 1%. Более подробную информацию об использовании отношения 13 C/ 12 C в науке можно найти в статье об изотопных сигнатурах .
Углерод-13 имеет ненулевое спиновое квантовое число 1/2 , и, следовательно, позволяет исследовать структуру углеродсодержащих веществ с помощью ядерного магнитного резонанса углерода-13 .
Дыхательный тест с мочевиной на углерод-13 является безопасным и высокоточным диагностическим инструментом для обнаружения наличия инфекции Helicobacter pylori в желудке. [4] Дыхательный тест с мочевиной, использующий углерод-13, предпочтительнее, чем углерод-14, для некоторых уязвимых групп населения из-за его нерадиоактивной природы. [4]
Массовый углерод-13 для коммерческого использования, например, в химическом синтезе, обогащается от его естественного содержания 1%. Хотя углерод-13 можно отделить от основного изотопа углерода-12 с помощью таких методов, как термодиффузия, химический обмен, газовая диффузия, лазерная и криогенная дистилляция, в настоящее время только криогенная дистилляция метана ( температура кипения -161,5 °C) или оксида углерода (температура кипения -191,5 °C) является экономически целесообразной промышленной технологией производства. [5] Промышленные установки по производству углерода-13 представляют собой существенные инвестиции, для разделения соединений, содержащих углерод-12 или углерод-13, необходимы криогенные дистилляционные колонны высотой более 100 метров. Крупнейшая в мире коммерческая установка по производству углерода-13, о которой сообщалось, по состоянию на 2014 год [6] имела производственную мощность ~400 кг углерода-13 в год. [7] Напротив, пилотная установка криогенной дистилляции оксида углерода, созданная в 1969 году в Лос-Аламосских научных лабораториях, могла производить 4 кг углерода-13 в год. [8]
