Carbono-13

Carbono-13 (¹³C) es un isótopo natural y estable de carbono con un núcleo que contiene seis protones y siete neutrones. Como uno de los isótopos ambientales, constituye aproximadamente el 1,1% de todo el carbono natural de la Tierra.

Detección por espectrometría de masas

Un espectro de masas de un compuesto orgánico generalmente contendrá un pequeño pico de una unidad de masa mayor que el pico aparente de iones moleculares (M) de toda la molécula. Esto se conoce como pico M+1 y proviene de las pocas moléculas que contienen un átomo de ¹³C en lugar de uno de ¹²C. Se espera que una molécula que contiene un átomo de carbono tenga un pico M+1 de aproximadamente el 1,1% del tamaño del pico M, ya que el 1,1% de las moléculas tendrán un ¹³C en lugar de un 12C.. De manera similar, se espera que una molécula que contiene dos átomos de carbono tenga un pico M+1 de aproximadamente el 2,2 % del tamaño del pico M, ya que existe el doble de probabilidad que antes de que cualquier molécula contenga un ^{13Átomo de C.}

En lo anterior, las matemáticas y la química se han simplificado; sin embargo, se pueden usar de manera efectiva para dar el número de átomos de carbono de moléculas orgánicas de tamaño pequeño a mediano. En la siguiente fórmula el resultado debe redondearse al número entero más cercano:

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

Donde C = número de átomos C, X = amplitud del pico de iones M, y Y = amplitud del pico de iones M +1.

^{Los compuestos enriquecidos con 13}C se utilizan en la investigación de procesos metabólicos mediante espectrometría de masas. Estos compuestos son seguros porque no son radiactivos. Además, el ¹³C se utiliza para cuantificar proteínas (proteómica cuantitativa). Una aplicación importante es el marcaje de isótopos estables mediante aminoácidos en cultivos celulares (SILAC). Los compuestos ¹³C enriquecidos se utilizan en pruebas de diagnóstico médico como la prueba de urea en el aliento. El análisis en estas pruebas suele ser de la relación de ¹³C a ¹²C mediante espectrometría de masas de relación isotópica.

La proporción de ¹³C a ¹²C es ligeramente mayor en plantas que emplean fijación de carbono C4 que en plantas que emplean fijación de carbono C3. Debido a que las diferentes proporciones de isótopos para los dos tipos de plantas se propagan a través de la cadena alimentaria, es posible determinar si la dieta principal de un ser humano u otro animal consiste principalmente en plantas C3 o plantas C4 midiendo la firma isotópica de su colágeno y otros. tejidos.

Usos en la ciencia

Debido a la absorción diferencial en las plantas y en los carbonatos marinos de ¹³C, es posible utilizar estas firmas isotópicas en las ciencias de la tierra. Los procesos biológicos absorben preferentemente el isótopo de menor masa mediante fraccionamiento cinético. En geoquímica acuosa, al analizar el valor de δ13C del material carbonoso que se encuentra en las aguas superficiales y subterráneas, se puede identificar la fuente del agua. Esto se debe a que los valores de δ¹³C atmosféricos, de carbonatos y derivados de plantas difieren. En biología, la proporción de isótopos de carbono 13 y carbono 12 en los tejidos vegetales es diferente según el tipo de fotosíntesis de las plantas y esto puede usarse, por ejemplo, para determinar qué tipos de plantas fueron consumidas por los animales. Mayores concentraciones de carbono-13 indican limitaciones estomáticas, lo que puede proporcionar información sobre el comportamiento de las plantas durante la sequía. El análisis de los isótopos de carbono de los anillos de los árboles se puede utilizar para comprender retrospectivamente la fotosíntesis forestal y cómo se ve afectada por la sequía.

En geología, la relación ¹³C/¹²C se utiliza para identificar la capa de roca sedimentaria creada en el momento de la extinción del Pérmico hace 252 millones de años cuando la relación cambió. abruptamente en un 1%. Puede encontrar más información sobre el uso de la proporción ¹³C/¹²C en ciencia en el artículo sobre firmas isotópicas.

El carbono-13 tiene un número cuántico de espín distinto de cero, ½, y por lo tanto permite investigar la estructura de sustancias que contienen carbono mediante resonancia magnética nuclear de carbono-13.

La prueba de aliento de urea carbono-13 es una herramienta de diagnóstico segura y muy precisa para detectar la presencia de Helicobacter pylori infección en el estómago. La prueba de respiración urea utilizando carbono-13 es preferida al carbono-14 para ciertas poblaciones vulnerables debido a su naturaleza no radiactiva.

Producción

El carbono a granel-13 para uso comercial, por ejemplo en síntesis química, se enriquece con su abundancia natural del 1%. Aunque el carbono-13 puede separarse del isótopo principal de carbono-12 mediante técnicas como la difusión térmica, el intercambio químico, la difusión de gas y la destilación láser y criogénica, actualmente sólo la destilación criogénica de metano o monóxido de carbono es una técnica de producción industrial económicamente viable. Las plantas industriales de producción de carbono-13 representan una inversión sustancial, más de 100 metros de alto columnas de destilación criogénica son necesarias para separar el carbono-12 o carbono-13 que contienen compuestos. La planta de producción comercial de carbono-13 más grande del mundo hasta 2014 tiene una capacidad de producción de ~400 kg de carbono-13 anualmente. En cambio, una planta piloto de destilación criogénica de monóxido de carbono de 1969 en los Laboratorios Científicos de Los Álamos podría producir 4 kg de carbono-13 anualmente.