الكربون-13

الكربون-13 ( ^13C ) هو نظير طبيعي مستقر للكربون ، يحتوي نواته على ستة بروتونات وسبعة نيوترونات . يشكل حوالي 1.07% من الكربون الطبيعي، وهو أحد ما يسمى بالنظائر البيئية .

يحتوي طيف الكتلة لمركب عضوي عادةً على قمة صغيرة تزيد كتلتها بوحدة واحدة عن قمة الأيون الجزيئي الظاهرية (M) للجزيء بأكمله. تُعرف هذه القمة بقمة M+1، وتنتج عن وجود ذرة كربون ^-13 بدلاً من ذرة كربون-12 في ^عدد قليل من الجزيئات . من المتوقع أن يكون حجم قمة M+1 في جزيء يحتوي على ذرة كربون واحدة حوالي 1.1% من حجم قمة M، لأن 1.1% من الجزيئات تحتوي على ذرة كربون ^-13 بدلاً من ذرة كربون ^-12 . وبالمثل، من المتوقع أن يكون حجم قمة M+1 في جزيء يحتوي على ذرتي كربون حوالي 2.2% من حجم قمة M، لأن احتمالية احتواء أي جزيء على ذرة كربون ^-13 تتضاعف .

في المثال أعلاه، تم تبسيط المعادلات الرياضية والكيميائية، ومع ذلك يمكن استخدامها بفعالية لحساب عدد ذرات الكربون في الجزيئات العضوية الصغيرة والمتوسطة الحجم. في الصيغة التالية، يجب تقريب النتيجة إلى أقرب عدد صحيح .

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

حيث C = عدد ذرات C، X = سعة ذروة أيون M، و Y = سعة ذروة أيون M +1.

^{تُستخدم المركبات المُخصبة بالكربون -13} في أبحاث العمليات الأيضية باستخدام مطياف الكتلة. وتتميز هذه المركبات بأنها آمنة لعدم كونها مشعة. إضافةً إلى ذلك، يُستخدم الكربون ^{-13 في تحديد كمية البروتينات (} علم البروتينات الكمي ). ومن أهم تطبيقاته وسم الأحماض الأمينية بالنظائر المستقرة في مزارع الخلايا (SILAC). كما تُستخدم المركبات المُخصبة بالكربون ^{-13 في الاختبارات التشخيصية الطبية، مثل} اختبار التنفس باليوريا . ويعتمد التحليل في هذه الاختبارات عادةً على نسبة الكربون ^-13 إلى الكربون ^-12 باستخدام مطياف الكتلة لنسب النظائر .

تكون نسبة الكربون ^-13 إلى الكربون ^-12 أعلى قليلاً في النباتات التي تستخدم تثبيت الكربون من نوع C4 مقارنةً بالنباتات التي تستخدم تثبيت الكربون من نوع C3 . ولأن اختلاف نسب النظائر بين هذين النوعين من النباتات ينتقل عبر السلسلة الغذائية، فمن الممكن تحديد ما إذا كان النظام الغذائي الرئيسي للإنسان أو أي حيوان آخر يتكون أساسًا من نباتات C3 أو C4 عن طريق قياس البصمة النظيرية للكولاجين والأنسجة الأخرى.

^{نظراً لاختلاف امتصاص نظير الكربون -13} في النباتات والكربونات البحرية ، يُمكن استخدام هذه البصمات النظيرية في علوم الأرض. تميل العمليات البيولوجية إلى امتصاص النظير ذي الكتلة الأقل عبر التجزئة الحركية . في الكيمياء الجيولوجية المائية، يُمكن تحديد مصدر المياه من خلال تحليل قيمة δ13C للمواد الكربونية الموجودة في المياه السطحية والجوفية، وذلك لاختلاف قيم δ13C بين الغلاف الجوي والكربونات والنباتات. ^في علم الأحياء، تختلف نسبة نظيري الكربون-13 والكربون-12 في أنسجة النبات تبعاً لنوع عملية التمثيل الضوئي، ويمكن استخدام هذه النسبة، على سبيل المثال، لتحديد أنواع النباتات التي استهلكتها الحيوانات. تشير التركيزات الأعلى للكربون-13 إلى ^{محدودية} الثغور ، مما يُوفر معلومات حول سلوك النبات أثناء الجفاف. ^{[ 3 ]} يُمكن استخدام تحليل حلقات الأشجار لنظائر الكربون لفهم عملية التمثيل الضوئي في الغابات بأثر رجعي، وكيف تتأثر بالجفاف. ^{[ 4 ]}

في علم الجيولوجيا، تُستخدم نسبة الكربون ^-13 إلى الكربون ^-12 لتحديد الطبقة في الصخور الرسوبية التي تشكلت خلال انقراض العصر البرمي قبل 252 مليون سنة، عندما تغيرت النسبة فجأة بنسبة 1%. يمكن الاطلاع على مزيد من المعلومات حول استخدام نسبة الكربون ^{-13 إلى الكربون -12} في العلوم في مقال البصمات النظيرية .

يمتلك الكربون-13 عددًا كميًا دورانيًا غير صفري قدره 1 / 2 ، وبالتالي يسمح بدراسة بنية المواد المحتوية على الكربون باستخدام الرنين المغناطيسي النووي للكربون-13 .

يُعد اختبار التنفس باليوريا المُشعّة بالكربون-13 أداة تشخيصية آمنة ودقيقة للغاية للكشف عن وجود عدوى جرثومة المعدة (Helicobacter pylori) . ^{[ 5 ]} يُفضّل استخدام اختبار التنفس باليوريا المُشعّة بالكربون-13 على الكربون-14 لدى بعض الفئات السكانية الأكثر عرضة للخطر نظرًا لطبيعته غير المشعة. ^{[ 5 ]}

يُستخلص الكربون-13 بكميات كبيرة للاستخدام التجاري، مثلاً في التخليق الكيميائي، من وفرته الطبيعية البالغة 1.1%. ويمكن فصل الكربون-13 عن نظير الكربون-12 الرئيسي باستخدام تقنيات مثل الانتشار الحراري، والتبادل الكيميائي، وانتشار الغاز، والليزر، والتقطير المبرد، أو التبادل الكيميائي لثاني _أكسيد الكربون [ ^{6 ]. ومع} ذلك، فإن التقطير المبرد للميثان (نقطة غليانه -161.5  درجة مئوية) أو أول أكسيد الكربون (نقطة غليانه -191.5  درجة مئوية) هو الطريقة الوحيدة المجدية اقتصادياً للإنتاج الصناعي حتى عام 2010 ^{[ 7 ].} وتمثل محطات إنتاج الكربون-13 الصناعية استثماراً ضخماً، إذ تتطلب أعمدة تقطير مبردة يزيد  ارتفاعها عن 100 متر (330 قدماً) لفصل المركبات المحتوية على الكربون-12 أو الكربون-13. أكبر مصنع تجاري مُعلن عنه لإنتاج الكربون-13 في العالم حتى عام 2014 ^{[ 8 ]} تبلغ طاقته الإنتاجية السنوية حوالي 400 كيلوغرام من الكربون-13. ^{[ 9 ]} في المقابل، كان بإمكان محطة تجريبية لتقطير أول أكسيد الكربون المبردة في مختبرات لوس ألاموس العلمية، والتي أُنشئت عام 1969، إنتاج 4 كيلوغرامات من الكربون-13 سنويًا. ^{[ 10 ]}   

• نظائر الكربون
• التجزئة النظائرية