Углерод-13 ( 13 C ) — природный стабильный изотоп углерода с ядром , содержащим шесть протонов и семь нейтронов . Как один из изотопов окружающей среды , он составляет около 1,1% всего природного углерода на Земле.
Масс -спектр органического соединения обычно содержит небольшой пик на одну единицу массы, превышающий кажущийся пик молекулярного иона (М) всей молекулы. Это известно как пик M+1, и он исходит от немногих молекул, которые содержат атом C 13 вместо атома C 12. Ожидается, что молекула, содержащая один атом углерода, будет иметь пик M + 1, составляющий примерно 1,1% от общего количества атомов углерода. размер пика М, так как 1,1% молекул будут иметь 13 C , а не 12 C. Точно так же ожидается, что молекула, содержащая два атома углерода, будет иметь пик M + 1, составляющий примерно 2,2% от размера пика M, поскольку в два раза выше предыдущая вероятность того, что любая молекула будет содержать атом 13 C.
Вышеупомянутые математика и химия были упрощены, однако их можно эффективно использовать для определения количества атомов углерода в органических молекулах малого и среднего размера. В следующей формуле результат необходимо округлить до ближайшего целого числа :
где C = количество атомов C, X = амплитуда пика иона M и Y = амплитуда пика иона M +1.
Соединения, обогащенные 13 С, используются при исследовании метаболических процессов методами масс-спектрометрии. Такие соединения безопасны, поскольку они нерадиоактивны. Кроме того, 13 C используется для количественного определения белков (количественная протеомика ). Одним из важных применений является мечение стабильных изотопов аминокислотами в культуре клеток (SILAC). Соединения, обогащенные 13 C, используются в медицинских диагностических тестах, таких как дыхательный тест с мочевиной . Анализ в этих тестах обычно заключается в определении соотношения 13 C и 12 C с помощью масс-спектрометрии изотопного соотношения .
Соотношение 13 C к 12 C немного выше у растений, использующих фиксацию углерода C4, чем у растений, использующих фиксацию углерода C3 . Поскольку разные 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 растений. ткани.
Благодаря различному поглощению 13 C растениями, а также морскими карбонатами , эти изотопные характеристики можно использовать в науках о Земле. Биологические процессы преимущественно поглощают изотопы с меньшей массой посредством кинетического фракционирования . В водной геохимии путем анализа значения δ 13 C углеродистого материала, обнаруженного в поверхностных и грунтовых водах, можно определить источник воды. Это связано с тем, что атмосферные, карбонатные и растительные значения δ 13 C различаются. В биологии соотношение изотопов углерода-13 и углерода-12 в тканях растений различно в зависимости от типа фотосинтеза растений и это можно использовать, например, для определения того, какие виды растений потреблялись животными. Более высокие концентрации углерода-13 указывают на ограничения устьиц , которые могут предоставить информацию о поведении растений во время засухи. [2] Анализ древесных колец изотопов углерода можно использовать для ретроспективного понимания лесного фотосинтеза и того, как на него влияет засуха. [3]
В геологии соотношение 13 C/ 12 C используется для определения слоя осадочных пород, образовавшегося во время пермского вымирания 252 млн лет назад, когда соотношение резко изменилось на 1%. Более подробную информацию об использовании соотношения 13 C/ 12 C в науке можно найти в статье об изотопных сигнатурах .
Углерод-13 имеет ненулевое спиновое квантовое число ½ и, следовательно, позволяет исследовать структуру углеродсодержащих веществ с помощью ядерного магнитного резонанса углерода-13 .
Дыхательный тест с мочевиной углерода-13 является безопасным и высокоточным диагностическим инструментом для выявления наличия инфекции Helicobacter pylori в желудке. [4] Для некоторых уязвимых групп населения дыхательный тест с мочевиной с использованием углерода-13 предпочтительнее углерода-14 из-за его нерадиоактивной природы. [4]
Массовый углерод-13 для коммерческого использования, например, в химическом синтезе, обогащается по сравнению с его естественным содержанием в 1%. Хотя углерод-13 можно отделить от основного изотопа углерода-12 с помощью таких методов, как термодиффузия, химический обмен, газовая диффузия, а также лазерная и криогенная дистилляция, в настоящее время только криогенная дистилляция метана или окиси углерода является экономически целесообразным методом промышленного производства. [5] Промышленные установки по производству углерода-13 требуют значительных инвестиций: для отделения соединений, содержащих углерод-12 или углерод-13, необходимы криогенные дистилляционные колонны высотой более 100 метров. По состоянию на 2014 год крупнейшая в мире коммерческая установка по производству углерода-13 [6] имеет производственную мощность около 400 кг углерода-13 в год. [7] Напротив, пилотная установка криогенной перегонки окиси углерода, построенная в 1969 году в Лос-Аламосских научных лабораториях, могла производить 4 кг углерода-13 в год. [8]
