炭素13
炭素13
一般的な
シンボル13 ℃
名前炭素13
陽子（Z）6
中性子（N）7
核種データ
自然の豊かさ1.07% [ 1 ]
同位体質量13.003354835 [ 2 ]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。天然炭素の約1.07%を占め、いわゆる環境同位体の一つです。

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。炭素原子を1つ含む分子の場合、Mピークの大きさの約1.1%のM+1ピークを持つと予想されます。これは、12 Cではなく13 C原子を含む分子が1.1%あるためです。同様に、炭素原子を2つ含む分子の場合、Mピークの大きさの約2.2%のM+1ピークを持つと予想されます。これは、分子が13 C原子を含む確率が前述の2倍になるためです。

上記では数学と化学の要素は簡略化されていますが、小分子から中分子の有機分子の炭素原子数を求めるのに効果的に使用できます。以下の式では、結果は最も近い整数に丸められます。

C＝100はい1.1X{\displaystyle C={\frac {100Y}{1.1X}}}

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、質量分析法を用いた代謝プロセスの研究に用いられます。これらの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（定量的プロテオミクス）にも用いられます。重要な応用例の一つとして、細胞培養におけるアミノ酸の安定同位体標識（SILAC）が挙げられます。13 C濃縮化合物は、尿素呼気試験などの医療診断検査に用いられます。これらの検査では、通常、同位体比質量分析法を用いて13 Cと12 Cの比を測定します。

C4炭素固定植物では、 C3炭素固定植物よりも13Cと12Cの比率がわずかに高くなります。2種類の植物の同位体比の違いは食物連鎖を通じて伝播するため、ヒトや他の動物の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、その主食がC3植物かC4植物かを判断することができます。

科学における用途

植物と海洋炭酸塩における13 C の吸収の違いにより、これらの同位体シグネチャーを地球科学で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 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、例えば、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。[ 3 ]樹木年輪の炭素同位体分析は、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。[ 4 ]

地質学では、13 C/ 12 C比は、2億5200万年前のペルム紀大量絶滅時に形成された堆積岩の層を特定するために用いられます。この大量絶滅の際には、この比が1%急激に変化しました。科学における13 C/ 12 C比の用法に関する詳細は、同位体シグネチャーに関する記事をご覧ください。

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核磁気共鳴法を使用して炭素含有物質の構造を調べることができます。

炭素13尿素呼気試験は、胃におけるヘリコバクター・ピロリ菌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。 [ 5 ]炭素13を使用する尿素呼気試験は、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。 [ 5 ]

生産

化学合成などの商業利用を目的とした大量の炭素 13 は、天然存在比 1.1% から濃縮されています。炭素 13 は、熱拡散、化学交換、ガス拡散、レーザー、極低温蒸留、CO2の化学交換などの技術を使用して主要な炭素12同位体から分離できますが 、[ 6 ] 2010 年現在、メタン(沸点 -161.5 °C) または一酸化炭素(bp -191.5 °C) の極低温蒸留のみが工業生産に経済的に実現可能です。[ 7 ]工業用の炭素 13 製造プラントには相当の投資が必要で、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 (330 フィート)を超える極低温蒸留塔が必要です。2014 年の時点で報告されている世界最大の商業用炭素 13 製造プラント[ 8 [ 9 ]対照的に、1969年にロスアラモス科学研究所で一酸化炭素極低温蒸留パイロットプラントが稼働し、年間4kgの炭素13を生産することができた。[ 10 ]

参照

注記

  1. ^「標準原子量：炭素」CIAAW .2011年。
  2. ^ Wang, Meng; Huang, WJ; Kondev, FG; Audi, G.; Naimi, S. (2021). 「AME 2020 原子質量評価 (II). 表、グラフ、参考文献*」. Chinese Physics C. 45 ( 3) 030003. doi : 10.1088/1674-1137/abddaf .
  3. ^ Francey, RJ; Farquhar, GD (1982年5月). 「樹木年輪における 13 C/ 12 C 変動の説明」 . Nature . 297 (5861): 28–31 . Bibcode : 1982Natur.297...28F . doi : 10.1038/297028a0 . ISSN 1476-4687 . S2CID 4327733 .  
  4. ^ 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マツのガス交換の恒常性維持」 . Ecological Applications . 16 (3): 1164– 1182. doi : 10.1890/1051-0761(2006)016[1164:HMOPPG]2.0.CO;2 . ISSN 1939-5582 . PMID 16827010 .  
  5. ^ a b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。   
  6. ^竹下健二・石田勝 (2006年12月). 「エクセルギー解析による多段同位体分離プロセスの最適設計」.エネルギー. 31 (15): 3097– 3107. doi : 10.1016/j.energy.2006.04.002 .
  7. ^ Li, Hu-Lin; Ju, Yong-Lin; Li, Liang-Jun; Xu, Da-Gang (2010). 「高性能構造化充填剤を用いた同位体13Cの分離」.化学工学およびプロセス：プロセス強化. 49 (3). Elsevier BV: 255– 261. doi : 10.1016/j.cep.2010.02.001 . ISSN 0255-2701 . 
  8. ^ 「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。
  9. ^ 「ケンブリッジ同位体研究所」 .歴史. 2020年11月10日閲覧。
  10. ^アームストロング、デール・E.、ブリーズメジター、アーサー・C.、マッキンティア、BB、ポッター、ロバート・M.（1970年4月10日）「一酸化炭素蒸留法を用いた炭素13製造プラント」（PDF） LASL報告書LA-4391

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