Carbono-13

El carbono-13 ( ^¹³C ) es un isótopo natural y estable del carbono , cuyo núcleo contiene seis protones y siete neutrones . Constituye aproximadamente el 1,07 % del carbono natural y es uno de los denominados isótopos ambientales .

Un espectro de masas de un compuesto orgánico generalmente contiene un pequeño pico de una unidad de masa mayor que el pico aparente del ion molecular (M) de la molécula completa. Este se conoce como pico M+1 y proviene de las pocas moléculas que contienen un átomo de ^{13C en lugar de un 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 de que cualquier molécula contenga un átomo de ^13C .

En lo anterior, las matemáticas y la química se han simplificado; sin embargo, se puede utilizar eficazmente para determinar el número de átomos de carbono en moléculas orgánicas de tamaño pequeño a mediano. En la siguiente fórmula, el resultado debe redondearse al entero más cercano :

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

donde C = número de átomos de C, X = amplitud del pico del ion M, e Y = amplitud del pico del ion M +1.

^{Los compuestos enriquecidos con 13C} 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 con isótopos estables de aminoácidos en cultivos celulares (SILAC). Los compuestos enriquecidos con ^13C se utilizan en pruebas de diagnóstico médico, como la prueba del aliento con urea . El análisis en estas pruebas suele ser de la relación ^13C / ^12C mediante espectrometría de masas de relación isotópica .

La proporción de ^13C a ^12C es ligeramente mayor en las plantas que utilizan la fijación de carbono C4 que en las que utilizan la fijación de carbono C3 . Dado que las diferentes proporciones isotópicas de ambos tipos de plantas se transmiten a través de la cadena alimentaria, es posible determinar si la dieta principal de un ser humano u otro animal se compone principalmente de plantas C3 o C4 midiendo la composición isotópica de su colágeno y otros tejidos.

^{Debido a la absorción diferencial de 13C} en plantas y carbonatos marinos , es posible utilizar estas firmas isotópicas en 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 carbonáceo encontrado en 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 la planta y esto se puede utilizar, 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. ^{[ 3 ]} El análisis de 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. ^{[ 4 ]}

En geología, la relación ^13C / ^12C se utiliza para identificar la capa de roca sedimentaria formada durante la extinción del Pérmico hace 252 millones de años, cuando dicha relación cambió abruptamente en un 1%. Para obtener más información sobre el uso de la relación ^13C / ^12C en la ciencia, consulte el artículo sobre firmas isotópicas .

El carbono-13 tiene un número cuántico de espín distinto de cero de 1/2 , y por lo tanto permite investigar la estructura de las sustancias que contienen carbono utilizando la resonancia magnética nuclear del carbono- 13 .

La prueba de aliento con urea marcada con carbono-13 es una herramienta de diagnóstico segura y altamente precisa para detectar la presencia de infección por Helicobacter pylori en el estómago. ^{[ 5 ]} La prueba de aliento con urea que utiliza carbono-13 se prefiere a la que utiliza carbono-14 para ciertas poblaciones vulnerables debido a su naturaleza no radiactiva. ^{[ 5 ]}

El carbono-13 a granel para uso comercial, por ejemplo en síntesis química, se enriquece a partir de su abundancia natural del 1,1 %. El carbono-13 se puede separar del isótopo principal carbono-12 mediante técnicas como difusión térmica, intercambio químico, difusión de gas, láser, destilación criogénica o intercambio químico de _CO₂ , [ ^{6 ] sin} embargo, solo la destilación criogénica de metano (punto de ebullición -161,5  °C) o monóxido de carbono (p.e. -191,5  °C) es económicamente viable para la producción industrial a partir de 2010. ^{[ 7 ]} Las plantas industriales de producción de carbono-13 representan una inversión sustancial: se necesitan columnas de destilación criogénica de más de  100 metros de altura (330 pies) para separar los compuestos que contienen carbono-12 o carbono-13. La planta comercial de producción de carbono-13 más grande del mundo reportada a partir de 2014 ^{[ 8 ]} tiene una capacidad de producción anual de ~400 kg de carbono-13. ^{[ 9 ]} En contraste, una planta piloto de destilación criogénica de monóxido de carbono de 1969 en los Laboratorios Científicos de Los Alamos podía producir 4 kg de carbono-13 anualmente. ^{[ 10 ]}   

• Isótopos del carbono
• Fraccionamiento isotópico