פחמן-13

פחמן-13

כללי
סמל	^13C
נייטרונים	7
פרוטונים	6
מידע גרעיני
שכיחות יחסית	1.109%
מסה איזוטופית	13.003355 [1] u
ספין	-^1⁄2

מבנה האיזוטופ פחמן-13: בגרעין 6 פרוטונים ו-7 נייטרונים, ואת הגרעין מקיפים 6 אלקטרונים.

פחמן-13 או ¹³C הוא איזוטופ טבעי ויציב של פחמן שגרעינו מכיל 6 פרוטונים ו-7 נייטרונים. פחמן-13 מהווה כ-1.1% מכל הפחמן המצוי בטבע.

זיהוי באמצעות ספקטרומטריית מסה

ספקטרום המסה של תרכובות אורגניות יכיל בדרך כלל אות (peak) קטן הנובע ממסה הגדולה ביחידת מסה אחת יותר מהמסה הגדולה של המולקולה כולה (M). אות זה ידוע בשם אות M+1 (באנגלית: M+1 peak) ומקורו במעט המולקולות המכילות את האיזוטופ ¹³C במקום ¹²C. למולקולה המכילה אטום פחמן יחיד יהיה אות M+1 שגודלו כ-1.1% מגודל אות ה-M, שכן 1.1% מהמולקולות יהיו בעלות ¹³C במקום ¹²C. באופן דומה, למולקולה המכילה שני אטומי פחמן צפוי אות M+1 של כ-2.2% מגודל אות ה-M, שכן קיימת סבירות כפולה שהמולקולה תכלול את האיזוטופ ¹³C.

לכן, מהשוואת אות ה-M+1 לאות ה-M, נוכל לגלות את מספר אטומי הפחמן במולקולה לפי הנוסחה הבאה (יש לעגל את התוצאה למספר השלם הקרוב ביותר):

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

כאשר C = מספר אטומי הפחמן, X = גובה אות ה-M, ו-Y = גובה אות ה-M+1.

תרכובות המועשרות בפחמן-13 משמשות לחקר תהליכים מטבוליים באמצעות ספקטרומטריית מסה. תרכובות אלו בטוחות כיוון שהן אינן רדיואקטיביות. בנוסף, ¹³C משמש לכימות חלבונים (פרוטאומיקה כמותית). יישום חשוב נוסף הוא בסימון איזוטופים יציבים של חומצות אמינו בתרביות תאים (SILAC). תרכובות המועשרות בפחמן-13 משמשות בבדיקות אבחון רפואיות כגון תבחין נשיפה. האנליזה במבחנים אלו היא בדרך כלל בדיקה של היחס בין ¹³C ל-¹²C לפי ספקטרומטריית המסה של האיזוטופים.

היחס בין ¹³C ל-¹²C גבוה מעט בצמחים שעושים קיבוע פחמן במסלול C4 מאשר בצמחים שעושים קיבוע פחמן במסלול C3. מכיוון שההפרש ביחסי האיזוטופים השונים בין שני סוגי הצמחים נשמר במהלך שרשרת המזון, ניתן לקבוע האם התזונה העיקרית של אדם או בעל חיים כלשהו מורכבת בעיקר מצמחי C3 או צמחי C4 על ידי מדידת יחס האיזוטופים בקולגן והרקמות. עלייה מכוונת בריכוז ה-¹³C בתזונה היא הבסיס של i-food - דרך מוצעת להגדלת תוחלת החיים.

שימושים במדע

במדעי כדור הארץ, יש שימוש בהפרש היחסים בין ¹³C ל-¹²C בין צמחים שונים.

תהליכים ביולוגיים לרוב יעדיפו את האיזוטופ בעל המסה הנמוכה יותר בתהליכי פירוק קינטי (אנ').

בגאוכימיה מימית, ניתן לזהות את מקור המים על ידי ניתוח ערך ה-δ¹³C (אנ') ^[2] של חומרים המכילים פחמן המצויים במים ובקרקעית. הסיבה לכך היא שערכי δ¹³C תלויים במקור ממנו הגיעו הפחמנים: מאטמוספירה, מקרבונט או מצמחים.

בביולוגיה, היחס בין פחמן-13 לפחמן-12 ברקמות צמחים משתנה בהתאם לסוג הפוטוסינתזה שהצמחים מבצעים וניתן להשתמש בזה, למשל, כדי לקבוע אילו סוגי צמחים נצרכו על ידי בעל חיים.

ריכוזים גבוהים של פחמן-13 בצמח מצביעים על מגבלות ביכולת הספיקה של הפיונית, ובכמה פחמן דו-חמצני היא יכולה להכניס וכמה אדי מים היא יכולה להוציא. מידע שיכול לסייע בהבנת התנהגות הצמח במהלך בצורות.^[3]

באופן דומה, ניתן להבין את הפוטוסינתזה של יער וכיצד היא מושפעת מיובש על ידי ניתוח יחסי האיזוטופים של הפחמן בטבעות עץ.^[4]

הספין של פחמן-13 בשונה מפחמן-12, אינו אפס אלא ¹⁄₂-, ולכן ניתן לחקור את מבנה החומרים המכילים פחמן באמצעות תהודה מגנטית גרעינית של פחמן-13.

תבחין נשיפה - בו בודקים את ריכוז הפחמן-13 באוריאה, הוא אמצעי אבחון בטוח ומדויק ביותר לאיתור הימצאות זיהום הליקובקטר פילורי בקיבה. מבחן הנשיפה עושה שימוש בפחמן-13 במקום בפחמן-14 עבור אוכלוסיות פגיעות, בשל אופיו היציב והלא רדיואקטיבי.^[5]

הפקה

הפחמן-13 המיוצר עבור שימוש מסחרי, למשל עבור סינתזה כימית, מיוצר על ידי העשרת מקור פחמן טבעי שמכיל 1.1% פחמן-13. קיימות טכניקות רבות להפרדת פחמן-13 מפחמן-12, כגון: דיפוזיה תרמית, חילופי כימיקלים, דיפוזיה של גזים, זיקוק לייזר וזיקוק קריוגני. אך כרגע רק זיקוק קריאוגני של מתאן (CH₄) או פחמן חד-חמצני (CO) מהווה טכניקת ייצור תעשייתית המשתלמת כלכלית.^[6] מפעלים המייצרים פחמן-13 באופן תעשייתי דורשים השקעה גדולה, ובנוסף דורשים מגדלי זיקוק קריאוגניים בגובה של יותר מ-100 מטרים להפרדת התרכובות המכילות פחמן-12 או פחמן-13. נכון לשנת 2014, למפעל הייצור המסחרי של פחמן-13 הגדול ביותר בעולם יש יכולת ייצור של כ-420 ק"ג פחמן-13 בשנה.^[7][8]

ראו גם

• איזוטופ
• פחמן
• פחמן-11
• פחמן-12
• פחמן-14

הערות שוליים

1. "Exact Masses of the Elements and Isotopic Abundances". sisweb.com.
2. דלתא-פחמן-13 מציינת את יחס הפחמן-13 לפחמן-12 בדוגמית ביחס לסטנדרט לפי הנוסחה הבאה: $${\displaystyle \delta ^{13}C=\left({\frac {\left({\frac {^{13}C}{^{12}C}}\right)_{sample}}{\left({\frac {^{13}C}{^{12}C}}\right)_{standard}}}-1\right)\times 100\%}$$ לפעמים משתמשים גם בפרומיל במקום באחוזים
3. R.J. Francey, G.D Farquhar, An explanation of 13C/12C variations in tree rings, Nature, ‏מאי 1982 (באנגלית)
4. N.G McDowell, H.D. Adams, J.D. Bailey, M. Hess, T.E. Kolb, Homeostatic Maintenance Of Ponderosa Pine Gas Exchange In Response To Stand Density Changes, Ecological Applications, ‏1 ביוני 2006 (באנגלית)
5. M.A.A. Rahim, F.H. Johani, S.A. Shah, M.R. Hassan, M.R.A. Manaf, 13C-Urea Breath Test Accuracy for Helicobacter pylori Infection in the Asian Population: A Meta-Analysis, Annals of Global Health, ‏24 ביולי 2019 (באנגלית)
6. Hu-Lin Li, Yong-Lin Ju, Liang-Jun Li, Da-Gang Xu, Separation of isotope 13C using high-performance structured packing, Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, ‏2010 (באנגלית)
7. Corporate Overview, Cambridge Isotope Laboratories (באנגלית)
8. CIL History, Cambridge Isotope Laboratories (באנגלית)