탄소-13
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1. 개요
탄소-13(¹³C)은 핵 스핀을 가지고 있어 핵자기 공명(NMR) 현상을 나타내며, 유기 화합물의 구조 분석, 단백질 연구, 대사 경로 연구 등 다양한 과학 분야에서 활용된다. 질량 분석법을 통해 검출할 수 있으며, ¹³C와 ¹²C의 비율을 통해 화합물 내 탄소 원자 수를 추정할 수 있다. 생물학에서는 식물의 광합성 유형, 먹이 사슬 추적, 가뭄 연구 등에 사용되며, 지구과학에서는 물의 기원, 과거 지구 환경 변화 연구 등에 활용된다. 의학에서는 헬리코박터 파일로리균 감염 진단에 사용되며, 안전성이 높아 탄소-14 검사보다 선호된다. 상업적으로는 다양한 분리 기술을 통해 농축된 형태로 생산되며, 극저온 증류가 가장 실용적인 방법으로 사용된다.
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| 탄소-13 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
| 원소 기호 | C |
| 질량수 | 13 |
| 중성자 수 | 7 |
| 양성자 수 | 6 |
| 자연 존재비 | 1.109% (지구) |
| 안정성 | 안정 |
| 스핀 | −1/2 |
| 질량 및 에너지 정보 | |
| 질량 | 13.0033548378(10) |
| 질량 과잉 | 3.12501129 × 103 |
| 결합 에너지 | 7.469849 × 103 |
| 붕괴 정보 | |
| 붕괴 과정 | 붕소-13, 붕소-14, 붕소-15, 붕소-17, 질소-13, 질소-17로 부터 생성 |
| 추가 정보 | |
 | |
2. 핵자기공명(NMR)을 이용한 검출
탄소-13은 핵 스핀이 1/2이므로 핵자기 공명(NMR) 현상을 보인다. ¹³C NMR (탄소-13 NMR) 분광법은 유기 화합물의 구조를 밝히는 데 매우 유용하다.[12] ¹³C NMR은 ¹²C NMR에 비해 낮은 감도를 가지지만, 화합물 내 탄소 골격을 파악하는 데 중요한 정보를 제공한다.
2. 1. 유기 화합물 구조 분석
탄소-13은 유기 화합물의 구조를 파악하는 데 사용되는 핵자기 공명(NMR) 실험에 이용된다[12]. 핵 스핀의 성질 덕분에, 이 동위원소는 공명 주파수 신호에 반응한다. 핵자기공명 분광법을 통해 핵이 흡수하거나 방출하는 주파수 신호를 검출할 수 있다. 이 방법은 분자 내 인접한 원자의 종류와 개수에 대한 정보를 제공하여, 유기 분자 구조를 파악하는 단서가 된다. 탄소-12는 스핀이 0이라 NMR 신호를 보이지 않고, 탄소-13은 전체 탄소의 약 1%에 불과하여 분자 내에서 서로 인접하는 경우가 드물다. 탄소-13 NMR에서는 잡음과 실제 신호를 구별하기 위해 수 분에서 수 시간에 걸쳐 여러 번 스캔을 한다.단백질 NMR에서는 단백질을 탄소-13과 질소-15로 표지하여 구조 결정에 필요한 정보를 얻는다. 이러한 단백질은 탄소-13을 포함하는 포도당, 글리세롤, 피루브산 등의 탄소원을 이용하여 유전자 공학으로 단백질 생산 능력을 부여받은 미생물을 배양하여 얻을 수 있다. 이 방법을 통해 특정 부위의 탄소가 거의 모두 탄소-13으로 치환된 단백질을 생산할 수 있다.
2. 2. 단백질 구조 연구
핵자기 공명(NMR)을 이용한 단백질 연구에서, 단백질을 탄소-13과 질소-15로 표지하여 3차원 구조 결정에 필요한 정보를 얻는다.[12] 이러한 표지 단백질은 유전자 공학 기술을 이용하여, 탄소-13을 포함하는 포도당, 글리세롤, 피루브산 등의 탄소원을 미생물에 주입하여 생산한다. 이 방법을 통해, 특정 부위의 탄소가 거의 모두 탄소-13으로 대체된 단백질을 얻을 수 있다.3. 질량 분석법을 이용한 검출
유기 화합물의 질량 스펙트럼에는 분자 이온 피크(M)보다 1 질량 단위 큰 M+1 피크가 나타나는데, 이는 13C 원자를 포함하는 분자 때문이다. 탄소 원자가 하나인 분자는 M 피크 크기의 약 1.1%에 해당하는 M+1 피크를 가지며, 탄소 원자가 두 개이면 M 피크 크기의 약 2.2%에 해당하는 M+1 피크를 갖는다.
이러한 원리를 이용하여 소형~중형 유기 분자 내 탄소 원자 수를 추정할 수 있다. 공식은 다음과 같다.
:
(C: 탄소 원자 수, X: M 이온 피크의 진폭, Y: M+1 이온 피크의 진폭)13C는 요소 호기 검사와 같은 의학적 진단 검사에 사용되며, 이 검사 분석에는 동위원소비 질량 분석법을 통해 13C와 12C의 비율을 측정한다.
3. 1. 대사 경로 분석
질량 분석법을 이용한 대사 경로 분석에서는 탄소-13(Carbon-13영어)을 많이 포함한 물질이 사용된다. 탄소-13은 방사성을 띠지 않으므로, 이러한 물질을 섭취해도 안전하다.[1] 탄소-13은 단백질 정량에도 사용된다. 세포 배양에서 아미노산에 의한 안정 동위원소 표지법(SILAC)은 중요한 응용 사례이다.[1]탄소-12(Carbon-12영어)에 대한 탄소-13의 존재비는 C4 식물이 C3 carbon fixation|C3 식물영어보다 약간 더 크다.[1] 두 종류 식물의 동위원소 존재비 차이는 먹이 사슬을 통해 전파되므로, 콜라겐이나 기타 조직의 동위원소 비율을 측정함으로써 사람이나 다른 동물의 주식이 주로 C3 식물인지 C4 식물인지 결정할 수 있다.[1]
3. 2. 단백질 정량 (프로테오믹스)
세포 배양에서 아미노산에 의한 안정 동위원소 표지법(SILAC)은 Stable Isotope Labeling by Amino acids in Cell culture영어의 약자로, ¹³C와 같은 안정 동위원소로 표지된 아미노산을 세포 배양에 사용하여 단백질 발현량 차이를 비교 분석하는 기술이다.[1]4. 과학 분야에서의 활용
생물학에서는 식물이 광합성을 할 때 탄소-13과 탄소-12 동위원소의 흡수 비율이 다르다는 점을 이용해 동물이 어떤 종류의 식물을 섭취했는지 확인할 수 있다. 탄소-13 농도가 높을수록 기공 제한을 나타내며, 이는 가뭄 중 식물의 행동에 대한 정보를 제공할 수 있다.[2] 탄소 동위원소의 나무 나이테 분석은 과거의 삼림 광합성을 이해하고 가뭄의 영향을 어떻게 받는지 파악하는 데 사용될 수 있다.[3]
지구과학에서는 지표수 및 지하수에 있는 탄소질 물질의 δ¹³C 값을 분석하여 물의 기원을 추적할 수 있다. 이는 대기, 탄산염, 식물 등에서 탄소의 δ¹³C 값이 서로 다르기 때문이다.[1]
의학 분야에서는 탄소-13 요소 호기 검사를 통해 헬리코박터 파일로리 감염 여부를 검출한다.[4] 탄소-13은 방사성이 없기 때문에 탄소-14를 이용한 검사보다 임산부나 어린이 등 특정 취약 계층에서 선호된다.[4]
4. 1. 생물학
식물과 해양 탄산염에서 ¹³C의 차별적인 흡수로 인해, 지구과학에서 이러한 동위원소 지문을 사용할 수 있다. 생물학적 과정은 동위원소 분별 작용을 통해 질량이 더 작은 동위원소를 우선적으로 흡수한다. 생물학에서는 식물 조직의 탄소-13과 탄소-12 동위원소 비율이 식물 광합성 유형에 따라 다르며, 이를 이용하여 예를 들어 동물이 어떤 종류의 식물을 섭취했는지 확인할 수 있다. 탄소-13 농도가 높을수록 기공 제한을 나타내며, 이는 가뭄 중 식물의 행동에 대한 정보를 제공할 수 있다.[2] 탄소 동위원소의 나무 나이테 분석은 과거의 삼림 광합성을 이해하고 가뭄의 영향을 어떻게 받는지 파악하는 데 사용될 수 있다.[3]¹²C에 대한 ¹³C의 존재비는 C4 식물이 C3 carbon fixation|C3 식물영어보다 약간 더 크다. 두 종류의 식물의 동위원소 존재비 차이는 먹이 사슬을 통해 전파되므로, 콜라겐이나 기타 조직의 동위원소 비율을 측정함으로써 사람이나 다른 동물의 주식이 주로 C3 식물인지 C4 식물인지 결정할 수 있다.
4. 2. 지구과학
지표수 및 지하수의 탄소질 물질의 δ¹³C 값을 분석하여 물의 기원을 추적할 수 있다. 이는 대기, 탄산염, 식물 등에서 탄소의 δ¹³C 값이 서로 다르기 때문이다.[1] δ¹³C 값은 다음 식으로 구할 수 있다.:
4. 3. 의학
탄소-13 요소 호기 검사는 헬리코박터 파일로리 감염 여부를 검출하는 안전하고 정확한 진단 도구이다.[4] 탄소-13은 방사성이 없기 때문에 탄소-14를 이용한 검사보다 임산부나 어린이 등 특정 취약 계층에서 선호된다.[4]5. 생산
상업적 목적의 탄소-13(Carbon-13영어) 대량 생산은 천연 존재비(약 1.1%)보다 농축된 형태로 이루어진다. 열확산, 화학적 교환, 기체 확산, 레이저 및 극저온 증류와 같은 기술을 통해 탄소-13을 주요 동위원소인 탄소-12로부터 분리할 수 있다. 하지만 현재로서는 메테인(비점 −161.5°C) 또는 일산화탄소(비점 −191.5°C)의 극저온 증류만이 경제적으로 실용적인 산업적 생산 기술이다.[5] 산업용 탄소-13 생산 공장은 상당한 투자가 필요하며, 탄소-12 또는 탄소-13을 포함하는 화합물을 분리하기 위해서는 100미터가 넘는 극저온 증류탑이 필요하다. 2014년 기준[6] 세계 최대 규모의 상업용 탄소-13 생산 공장은 연간 약 400kg의 탄소-13을 생산할 수 있다.[7] 반면, 1969년 로스앨러모스 과학연구소의 일산화탄소 극저온 증류 파일럿 플랜트는 연간 4kg의 탄소-13을 생산할 수 있었다.[8]
참조
[1]
웹사이트
Exact Masses of the Elements and Isotopic Abundances
https://www.sisweb.c[...]
sisweb.com
[2]
논문
An explanation of 13 C/ 12 C variations in tree rings
https://www.nature.c[...]
1982-05-00
[3]
논문
Homeostatic Maintenance Of Ponderosa Pine Gas Exchange In Response To Stand Density Changes
https://esajournals.[...]
2006-00-00
[4]
논문
13C-Urea Breath Test Accuracy for Helicobacter pylori Infection in the Asian Population: A Meta-Analysis
2019-07-24
[5]
논문
Separation of isotope 13C using high-performance structured packing
Elsevier BV
[6]
웹사이트
Corporate Overview
https://www.isotope.[...]
2020-11-10
[7]
웹사이트
Cambridge Isotope Laboratories
https://www.isotope.[...]
2020-11-10
[8]
논문
A Carbon-13 Production Plant Using Carbon Monoxide Distillation
https://inis.iaea.or[...]
1970-04-10
[9]
웹사이트
Carbon
http://periodic.lanl[...]
[10]
웹인용
Isotope data for Carbon-13
http://periodictable[...]
2014-09-07
[11]
웹인용
Carbon-13
http://www.wolframal[...]
2014-09-07
[12]
웹인용
숯, 흑연, 다이아몬드, 풀러렌, 탄소
http://navercast.nav[...]
2014-09-01
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