El carbono-13 ( 13 C) es un isótopo natural y estable del carbono , cuyo núcleo contiene seis protones y siete neutrones . Como isótopos ambientales , constituye aproximadamente el 1,1 % de todo el carbono natural de la Tierra.
Un espectro de masas de un compuesto orgánico generalmente contendrá un pequeño pico de una unidad de masa mayor que el pico de ion molecular aparente (M) de toda la molécula. Esto se conoce como el pico M+1 y proviene de las pocas moléculas que contienen un átomo de 13 C en lugar de un 12 C. Se esperará que una molécula que contenga 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 13 C en lugar de un 12 C. De manera similar, se esperará que una molécula que contenga 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 la probabilidad anterior de que cualquier molécula contenga un átomo de 13 C.
En el ejemplo anterior, se han simplificado las matemáticas y la química, pero se puede utilizar de forma eficaz para obtener 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 próximo :
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 13 C se utilizan en la investigación de procesos metabólicos mediante espectrometría de masas. Dichos compuestos son seguros porque no son radiactivos. Además, el 13 C se utiliza para cuantificar proteínas ( proteómica cuantitativa ). Una aplicación importante es el marcaje de isótopos estables mediante aminoácidos en cultivos celulares (SILAC). Los compuestos enriquecidos con 13 C se utilizan en pruebas de diagnóstico médico como la prueba del aliento con urea . El análisis en estas pruebas se realiza normalmente de la relación de 13 C a 12 C mediante espectrometría de masas de relación isotópica .
La proporción de 13 C a 12 C es ligeramente mayor en las plantas que emplean la fijación de carbono C4 que en las plantas que emplean la 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 o de otro animal consiste principalmente en plantas C3 o C4 midiendo la firma isotópica de su colágeno y otros tejidos.
Debido a la absorción diferencial en plantas, así como en carbonatos marinos de 13 C, es posible utilizar estas firmas isotópicas en las ciencias de la tierra. Los procesos biológicos absorben preferentemente el isótopo de menor masa a través del fraccionamiento cinético . En geoquímica acuosa, al analizar el valor de δ 13 C del material carbonoso encontrado en aguas superficiales y subterráneas, se puede identificar la fuente del agua. Esto se debe a que los valores de δ 13 C 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. [2] El análisis de los anillos de los árboles de los isótopos de carbono se puede utilizar para comprender retrospectivamente la fotosíntesis forestal y cómo se ve afectada por la sequía. [3]
En geología, la relación 13 C/ 12 C 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 relación 13 C/ 12 C en la ciencia en el artículo sobre firmas isotópicas .
El carbono-13 tiene un número cuántico de espín distinto de cero .1/2 , y por lo tanto permite investigar la estructura de sustancias que contienen carbono utilizando resonancia magnética nuclear de carbono-13 .
La prueba de aliento con urea de carbono-13 es una herramienta de diagnóstico segura y muy precisa para detectar la presencia de infección por Helicobacter pylori en el estómago. [4] La prueba de aliento con urea que utiliza carbono-13 se prefiere a la de carbono-14 para ciertas poblaciones vulnerables debido a su naturaleza no radiactiva. [4]
El carbono-13 a granel para uso comercial, por ejemplo en síntesis química, se enriquece a partir de su abundancia natural del 1%. Aunque el carbono-13 se puede separar del isótopo principal carbono-12 mediante técnicas como difusión térmica, intercambio químico, difusión de gases y destilación criogénica y láser, actualmente solo la destilación criogénica de metano o monóxido de carbono es una técnica de producción industrial económicamente viable. [5] Las plantas de producción industrial de carbono-13 representan una inversión sustancial, se necesitan columnas de destilación criogénica de más de 100 metros de altura para separar el carbono-12 o los compuestos que contienen carbono-13. La planta de producción comercial de carbono-13 más grande del mundo reportada en 2014 [6] tiene una capacidad de producción de ~400 kg de carbono-13 al año. [7] En contraste, una planta piloto de destilación criogénica de monóxido de carbono de 1969 en Los Alamos Scientific Laboratories podría producir 4 kg de carbono-13 al año. [8]
