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| 一般的な | |
|---|---|
| シンボル | 13 ℃ |
| 名前 | 炭素13、13C、C-13 |
| 陽子 ( Z ) | 6 |
| 中性子 ( N ) | 7 |
| 核種データ | |
| 自然の豊かさ | 1.109% |
| 同位体質量 | 13.003355 [1] ダ |
| スピン | − 1/2 |
| 炭素同位体 核種の完全な表 | |
炭素13（13C）は、6個の陽子と7個の中性子を含む原子核を持つ炭素の天然の安定同位体です。環境同位体の1つとして、地球上の天然炭素全体の約1.1％を占めています。
質量分析による検出
有機化合物の質量スペクトルには通常、分子全体の見かけの分子イオンピーク (M) よりも 1 質量単位大きい小さなピークが含まれます。これは M+1 ピークと呼ばれ、12 Cの代わりに13 C 原子を含む少数の分子に由来します。1 つの炭素原子を含む分子は、分子の 1.1% が12 Cではなく13 Cを含むため、M ピークの約 1.1% の大きさの M+1 ピークを持つことが予想されます。同様に、2 つの炭素原子を含む分子は、M ピークの約 2.2% の大きさの M+1 ピークを持つことが予想されます。これは、分子に13 C原子が含まれる可能性が前の 2 倍あるためです。
上記では数学と化学が簡略化されていますが、小型から中型の有機分子の炭素原子の数を示すのに効果的に使用できます。次の式では、結果を最も近い整数に丸めます。
ここで、C = C 原子の数、X = M イオンピークの振幅、Y = M +1 イオンピークの振幅です。
13 C 濃縮化合物は、質量分析法による代謝プロセスの研究に使用されています。このような化合物は非放射性であるため安全です。さらに、13 C はタンパク質の定量化 (定量的プロテオミクス) にも使用されます。重要な用途の 1 つは、細胞培養におけるアミノ酸による安定同位体標識(SILAC)です。 13 C 濃縮化合物は、尿素呼気試験などの医療診断テストに使用されます。これらのテストでの分析は、通常、同位体比質量分析法による13 C と12 Cの比率で行われます。
13 C と12 Cの比率は、 C4 炭素固定を行う植物の方がC3 炭素固定を行う植物よりもわずかに高くなります。2 種類の植物の異なる同位体比は食物連鎖を通じて伝播するため、コラーゲンやその他の組織の同位体特性を測定することで、人間や他の動物の主な食事が主に C3 植物で構成されているのか、それとも C4 植物で構成されているのかを判定できます。
科学における利用
13 Cは植物だけでなく海洋炭酸塩でも異なる吸収を示すため、これらの同位体シグネチャを地球科学に利用することができます。生物学的プロセスは、運動学的分別によって低質量同位体を優先的に吸収します。水質地球化学では、表層水と地下水に含まれる炭素質物質のδ 13 C値を分析することで、水源を特定できます。これは、大気、炭酸塩、植物由来のδ 13 C値がすべて異なるためです。生物学では、植物組織中の炭素13同位体と炭素12同位体の比率は植物の光合成の種類によって異なり、たとえば、動物がどの種類の植物を消費したかを判断するために使用できます。炭素13濃度が高いことは気孔の制限を示しており、干ばつ時の植物の行動に関する情報を提供できます。[2]炭素同位体の年輪分析は、森林の光合成とそれが干ばつによってどのように影響を受けるかを遡及的に理解するために使用できます。[3]
地質学では、13 C/ 12 C 比は、2億5200万年前のペルム紀絶滅時に形成された堆積岩の層を識別するために使用されます。このとき、比は1%急激に変化しました。科学における13 C/ 12 C 比の使用に関する詳細は、同位体シグネチャに関する記事に記載されています。
炭素13のスピン量子数はゼロではない1/2 、したがって、炭素13核磁気共鳴法を用いて炭素含有物質の構造を調べることができます。
炭素13尿素呼気検査は、胃のヘリコバクター・ピロリ感染の有無を検出するための安全で高精度な診断ツールです。 [4]炭素13を使用する尿素呼気検査は、非放射性であるため、特定の脆弱な集団では炭素14よりも好まれます。 [4]
生産
化学合成などの商業利用を目的としたバルク炭素13は、天然存在比1%から濃縮される。炭素13は、熱拡散、化学交換、ガス拡散、レーザーおよび極低温蒸留などの技術によって主要な炭素12同位体から分離できるが、現在、メタン（沸点-161.5°C）または一酸化炭素（沸点-191.5°C）の極低温蒸留のみが経済的に実現可能な工業生産技術である。[5]工業用炭素13生産プラントは多額の投資であり、炭素12または炭素13を含む化合物を分離するには、高さ100メートルを超える極低温蒸留塔が必要である。2014年時点で報告されている世界最大の商業用炭素13生産プラント[6]は、年間約400kgの炭素13の生産能力を有する。[7]対照的に、1969年にロスアラモス科学研究所に建設された一酸化炭素極低温蒸留パイロットプラントでは、年間4kgの炭素13を生産することができた。[8]
参照
注記
- ^ 「元素の正確な質量と同位体存在比」sisweb.com。
- ^ Francey, RJ; Farquhar, GD (1982年5月). 「樹木年輪における13 C/ 12 Cの変動の説明」. Nature . 297 (5861): 28–31. Bibcode :1982Natur.297...28F. doi :10.1038/297028a0. ISSN 1476-4687. S2CID 4327733.
- ^ McDowell, Nate G.; Adams, Henry D.; Bailey, John D.; Hess, Marcey; Kolb, Thomas E. (2006). 「林分密度の変化に対するポンデローサ松のガス交換の恒常性維持」。生態学的応用。16 (3): 1164–1182。doi :10.1890/1051-0761(2006)016[1164:HMOPPG]2.0.CO ; 2。ISSN 1939-5582。PMID 16827010 。
- ^ ab マナフ、モヒド・リサール・アブドゥル;ハッサン、モフド・ロハイザット。シャー、シャムスル・アズハル。ヨハニ、ファズルル・ハーフィズ。ラヒム、ムハンマド・アクリル・アブド（2019-07-24）。 「アジア人集団におけるヘリコバクター・ピロリ感染に対する13C-尿素呼気検査の精度：メタ分析」。グローバルヘルスの年報。85 (1): 110.土井: 10.5334/aogh.2570。ISSN 2214-9996。PMC 6659579。PMID 31348624。
- ^ Li, Hu-Lin; Ju, Yong-Lin; Li, Liang-Jun; Xu, Da-Gang (2010). 「高性能構造化充填剤を使用した同位体13Cの分離」.化学工学および処理：プロセス強化. 49 (3). Elsevier BV: 255–261. doi :10.1016/j.cep.2010.02.001. ISSN 0255-2701.
- ^ 「企業概要」。ケンブリッジ・アイソトープ・ラボラトリーズ。 2020年11月10日閲覧。
- ^ 「ケンブリッジ同位体研究所」.歴史. 2020年11月10日閲覧。
- ^ Armstrong, Dale E.; Briesmesiter, Arthur C.; McInteer, BB; Potter, Robert M. (1970 年 4 月 10 日)。「一酸化炭素蒸留法による炭素 13 製造プラント」(PDF)。LASLレポート。LA-4391。