Углерод-13 - Carbon-13

Углерод-13 (¹³C) является естественным, стабильный изотоп из углерод с ядро содержащий шесть протоны и семь нейтроны. Как один из изотопы окружающей среды, он составляет около 1,1% всего природного углерода на Земле.

Обнаружение масс-спектрометрией

А масс-спектр органического соединения обычно будет содержать небольшой пик на одну единицу массы больше, чем видимый пик молекулярного иона (M) всей молекулы. Он известен как пик M + 1 и исходит от нескольких молекул, содержащих ¹³Атом углерода вместо атома ¹²C. Ожидается, что молекула, содержащая один атом углерода, будет иметь пик M + 1, составляющий примерно 1,1% от размера пика M, поскольку 1,1% молекул будут иметь пик M + 1. ¹³C, а не a ¹²C. Аналогичным образом ожидается, что молекула, содержащая два атома углерода, будет иметь пик M + 1, составляющий приблизительно 2,2% от размера пика M, поскольку вероятность того, что любая молекула будет содержать ¹³Атом C.

Вышеупомянутая математика и химия были упрощены, однако ее можно эффективно использовать для определения числа атомов углерода для органических молекул малого и среднего размера. В следующей формуле результат следует округлить до ближайшего целое число:

${ displaystyle C = { frac {100Y} {1.1X}}}$

C = количество атомов C Икс = амплитуда пика ионов M Y = амплитуда ионного пика M +1

¹³C-обогащенные соединения используются при исследовании метаболических процессов с помощью масс-спектрометрии. Такие соединения безопасны, потому что они нерадиоактивны. К тому же, ¹³C используется для количественного определения белков (количественный протеомика ). Одним из важных приложений является «Мечение стабильных изотопов аминокислотами в культуре клеток» (СИЛАК ). ¹³Соединения, обогащенные С, используются в медицинских диагностических тестах, таких как дыхательный тест на мочевину. Анализ в этих тестах обычно представляет собой соотношение ¹³C к ¹²C пользователем изотопное соотношение масс-спектрометрия.

Соотношение ¹³C к ¹²C немного выше у растений, использующих Фиксация углерода C4 чем на заводах, использующих Фиксация 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 изотопная подпись их коллагена и других тканей. Умышленное увеличение доли ¹³C в диете - это концепция я-еда, предлагаемый способ увеличения долголетие.

Использование в науке

Из-за различного поглощения растениями, а также морскими карбонатами ¹³C, эти изотопные сигнатуры можно использовать в науках о Земле. Биологические процессы преимущественно поглощают изотоп с меньшей массой через кинетическое фракционирование. В водной геохимии, анализируя δ¹³C ценность углеродистого материала, обнаруженного в поверхностных и грунтовых водах, источник воды может быть идентифицирован. Это связано с тем, что атмосферный, карбонатный и растительный δ¹³Все значения C различаются. В биологии соотношение изотопов углерода-13 и углерода-12 в тканях растений различается в зависимости от типа фотосинтеза растений, и это может быть использовано, например, для определения того, какие типы растений потребляли животные. В геологии ¹³C /¹²Отношение C используется для определения слоя в осадочной породе, образовавшейся во время пермского вымирания 252 млн лет назад, когда соотношение резко изменилось на 1%. Подробнее об использовании ¹³C /¹²Соотношение С в науке можно найти в статье о изотопные подписи.

Углерод-13 имеет ненулевое квантовое число спина 1/2, что позволяет исследовать структуру углеродсодержащих веществ с использованием Ядерный магнитный резонанс углерода-13.

Дыхательный тест карбамида углерода-13 - это безопасный и высокоточный диагностический инструмент для обнаружения присутствия Helicobacter pylori инфекция в желудке.^[2] Для некоторых уязвимых групп населения дыхательный тест с мочевиной с использованием углерода-13 предпочтительнее, чем углерод-14, из-за его нерадиоактивности.^[2]

Производство

Объемный 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, а также лазерная и криогенная дистилляция, в настоящее время только криогенная дистилляция метан или монооксид углерода это экономически выгодная технология промышленного производства.^[3] Промышленные установки по производству углерода-13 представляют собой значительные вложения, требуются криогенные дистилляционные колонны высотой более 100 метров для отделения углерод-12 или углерод-13 содержащих соединений. Самый крупный завод по производству коммерческого углерода-13 в мире по состоянию на 2014 год.^[4] имеет производственную мощность ~ 400 кг углерода-13 в год.^[5] Напротив, экспериментальная установка криогенной дистилляции окиси углерода 1969 года в Лос-Аламосской научной лаборатории могла производить 4 кг углерода-13 в год.^[6]

Смотрите также

• Изотопы углерода
• Изотопное фракционирование

Заметки