利用苯多羧酸（BPCA）法对热解碳进行表征、定量及化合物特异性同位素分析

该分子标记物方法的总体目标是对环境样品中的热解碳组分进行表征、定量和同位素分析。该方法有助于回答多个领域的关键科学问题，涵盖考古学、环境法医学以及生物炭和碳循环研究。该技术的主要优势在于能够检测燃烧连续体广泛范围内的热解碳。

同时对成壤碳进行表征、定量和同位素分析，并适用于多种环境样品材料。样品制备与色谱分析的演示将由本实验室的研究生 Ulrich Hanke 完成。

随后对纯化的目标化合物进行的同位素分析将由苏黎世联邦理工学院实验室协调员Negar Haghipour展示。开始该步骤时，将先前冷冻干燥并均质化的样品称重至石英消解管中，并用铝箔覆盖以防灰尘。整个操作过程中仅可使用洁净、去钙化且经燃烧处理的玻璃器皿，彻底清洁的工具，以及超纯色谱级水和溶剂。

向消化管中加入 2 毫升 65% 硝酸。使用涡旋混合器帮助每个样品充分润湿。随后，将消化管放入压力舱中。

根据说明书关闭压力舱，并将其放入预热至170摄氏度的烘箱中加热八小时。从冷却后的压力舱中取出消化管，用一次性玻璃纤维滤膜将样品加水过滤至容量瓶中，然后用水定容至25毫升。

每个样品准备两根玻璃柱，每根柱中装入11克阳离子交换树脂。依次用水、2摩尔氢氧化钠和2摩尔盐酸冲洗柱内树脂，以活化树脂。检测水的电导率。

在树脂活化后，用其冲洗。接下来将样品的一半分别转移至每根色谱柱，随后用10毫升水依次冲洗五次。然后将水溶液进行冷冻干燥。

根据制造商说明书对C18固相萃取小柱进行预处理。随后，将每份冻干残留物重新溶解于3毫升甲醇和水的混合液中。将每份样品的一半分别通过独立的C18固相萃取小柱洗脱，收集至2.5毫升离心管中。

然后，用一毫升甲醇和水冲洗小柱。使用真空浓缩仪在45摄氏度加热并保持约50毫巴的真空度，将含有样品溶液的试管干燥。干燥后，用一毫升水重新溶解各残留物，并用涡旋混合器混匀。

然后，将溶液转移至1.5毫升自动进样瓶中。进行色谱分析时，通过将20毫升85%正磷酸与980毫升水混合配制溶剂A，并在真空条件下使用一次性玻璃纤维滤膜过滤该溶液。配制市售苯多羧酸（BPCAs）的标准溶液，以制备外标浓度系列。

通过将各BPCA的色谱峰面积与外标系列的测定值进行比较，完成色谱分析并定量BPCA含量。对于BPCA的化合物特异性碳-14分析，化学品和实验仪器的纯度要求极高。空白样品评估和擦拭测试对于监测潜在的样品污染来源至关重要。

如果需要对热解碳组分进行特定化合物的碳-13和碳-14分析，则需对每个样品重复多次色谱分离，并使用连接至高效液相色谱仪的馏分收集器收集足够量的单个苯多环羧酸（BPCA）。通过温和的氮气流吹扫馏分以去除溶剂，同时将样品加热至70摄氏度。接下来，将2克过硫酸钠溶解于15毫升水中，配制氧化试剂。

将每份残留物用四毫升水重新溶解，并将样品转移至12毫升密封的硼硅酸盐小瓶中。然后加入一毫升氧化试剂，用含有丁基橡胶隔垫的标准瓶盖密封各小瓶。用氦气对含有水溶液的密封小瓶吹扫八分钟，以去除小瓶和溶液中的二氧化碳。

随后，将样品置于密封小瓶中，在100摄氏度下加热60分钟进行氧化。待样品冷却至室温后，直接使用同位素比值质谱仪分析氧化产生的二氧化碳中的碳-13含量，并使用加速质谱仪分析碳-14含量。该方法可实现所有BPCA目标化合物通过高效液相色谱（HPLC）的基线分离，此处展示了参照物质tramazem和草炭（grass-char）的色谱图。

通过调整色谱参数，可根据特定需求进一步优化分离效果。采用外标法对参比材料的色谱图进行定量分析，应得到此处所示的生烟碳含量值。当对参比材料的纯化BPCAs进行碳同位素组成分析时，所获得的碳-13和碳-14值列于此处。

掌握该技术后，可在三个工作日内完成实验。因此，样品通量取决于同时处理的样品数量。每周检测十余个样品，每个样品重复测定并获取同位素信息，均可轻松实现。

观看本视频后，您应能充分掌握在化合物特异性水平上成功分析生炭碳的确定性步骤。