Углерод-13
| Общий | |
|---|---|
| Символ | 13 С |
| Имена | углерод-13, 13С, С-13 |
| Протоны ( С ) | 6 |
| Нейтроны ( Н ) | 7 |
| Данные о нуклидах | |
| Природное изобилие | 1.109% |
| масса изотопа | 13.003355 [1] И |
| Вращаться | − 1 / 2 |
| Изотопы углерода Полная таблица нуклидов | |
Углерод-13 ( 13 В) — природный стабильный изотоп углерода содержащим с ядром, шесть протонов и семь нейтронов . Как один из изотопов окружающей среды , он составляет около 1,1% всего природного углерода на Земле.
Обнаружение с помощью спектрометрии - масс
Масс -спектр органического соединения обычно содержит небольшой пик на одну единицу массы, превышающий кажущийся пик молекулярного иона (М) всей молекулы. Это известно как пик М+1, и он исходит от нескольких молекул, содержащих 13 Атом С вместо 12 C. Ожидается, что молекула, содержащая один атом углерода, будет иметь пик M+1 размером примерно 1,1% от размера пика M, поскольку 1,1% молекул будут иметь 13 С, а не 12 С. Аналогично, ожидается, что молекула, содержащая два атома углерода, будет иметь пик M+1, составляющий примерно 2,2% от размера пика M, поскольку вероятность того, что любая молекула будет содержать 13 Атом С.
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.
13 Соединения, обогащенные 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). 13 Соединения, обогащенные углеродом, используются в медицинских диагностических тестах, таких как дыхательный тест с мочевиной . Анализ в этих тестах обычно представляет собой соотношение 13 С до 12 C методом масс-спектрометрии изотопного соотношения .
Соотношение 13 С до 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.
Использование в науке [ править ]
Из-за различного поглощения растениями, а также морских карбонатов 13 C, эти изотопные сигнатуры можно использовать в науках о Земле. Биологические процессы преимущественно поглощают изотопы с меньшей массой посредством кинетического фракционирования . В водной геохимии, анализируя δ 13 Значение C углеродистого материала, обнаруженного в поверхностных и грунтовых водах, позволяет определить источник воды. Это связано с тем, что δ атмосферного, карбонатного и растительного происхождения. 13 Все значения 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 фотосинтеза леса и того, как на него влияет засуха. [3]
В геологии, 13 С/ 12 Отношение C используется для идентификации слоя осадочных пород, образовавшегося во время пермского вымирания 252 млн лет назад, когда соотношение резко изменилось на 1%. Дополнительная информация об использовании 13 С/ 12 Соотношение С в науке можно найти в статье об изотопных сигнатурах .
Углерод-13 имеет ненулевое спиновое квантовое число 1/2 , а значит , ядерного позволяет исследовать структуру углеродсодержащих веществ с помощью 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] Дыхательный тест с мочевиной с использованием углерода-13 предпочтительнее углерода-14 для некоторых уязвимых групп населения из-за его нерадиоактивной природы. [4]
Производство [ править ]
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. Крупнейшее коммерческое предприятие по производству углерода-13 в мире по состоянию на 2014 год. [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]
См. также [ править ]
Примечания [ править ]
- ^ «Точные массы элементов и содержание изотопов» . sisweb.com.
- ^ Фрэнси, Р.Дж.; Фаркуар, Джорджия (май 1982 г.). «Объяснение вариаций 13 C/12 C в годичных кольцах» . Природа . 297 (5861): 28–31. Бибкод : 1982Natur.297...28F . дои : 10.1038/297028a0 . ISSN 1476-4687 . S2CID 4327733 .
- ^ Макдауэлл, Нейт Г.; Адамс, Генри Д.; Бейли, Джон Д.; Хесс, Марси; Колб, Томас Э. (2006). «Гомеостатическое поддержание газообмена сосны Пондероза в ответ на изменения плотности насаждения» . Экологические приложения . 16 (3): 1164–1182. doi : 10.1890/1051-0761(2006)016[1164:HMOPPG]2.0.CO;2 . ISSN 1939-5582 . ПМИД 16827010 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Манаф, Мохд Ризал Абдул; Хасан, Мохд Рохайзат; Шах, Шамсул Ажар; Джохани, Фазрул Хафиз; Рахим, Мухаммад Аклил Абд (24 июля 2019 г.). «Точность дыхательного теста с 13C-мочевиной на инфекцию Helicobacter pylori у азиатского населения: метаанализ» . Анналы глобального здравоохранения . 85 (1): 110. дои : 10.5334/aogh.2570 . ISSN 2214-9996 . ПМК 6659579 . ПМИД 31348624 .
- ^ Ли, Ху-Линь; Джу, Юн-Лин; Ли, Лян-Цзюнь; Сюй, Да-Ганг (2010). «Выделение изотопа 13С с помощью высокоэффективной структурированной упаковки». Химическая инженерия и переработка: интенсификация процессов . 49 (3). Эльзевир Б.В.: 255–261. дои : 10.1016/j.cep.2010.02.001 . ISSN 0255-2701 .
- ^ «Корпоративный обзор» . Кембриджские изотопные лаборатории . Проверено 10 ноября 2020 г.
- ^ «Кембриджские изотопные лаборатории» . История . Проверено 10 ноября 2020 г.
- ^ Армстронг, Дейл Э.; Брисмезитер, Артур К.; Макинтер, BB; Поттер, Роберт М. (10 апреля 1970 г.). «Завод по производству углерода-13, использующий перегонку окиси углерода» (PDF) . Отчет ЛАСЛ . ЛА-4391.