Charakterystyka, kwantyfikacja i analiza izotopowa specyficzna dla związku węgla pirogennego przy użyciu polikarboksylowych kwasów benzenowych (BPCA)
16 maja 2016
Przedstawiamy metodę oceny pirogenicznego węgla (PyC) w środowisku za pomocą kwasu polikarboksylowego benzenu (BPCA). Podejście specyficzne dla związku w unikalny sposób dostarcza jednoczesnych informacji o charakterystyce, ilości i składzie izotopowym (13C i 14C) PyC.
Ogólnym celem tej metody markerów molekularnych jest scharakteryzowanie, ilościowe i izotopowa analiza pirogenicznej frakcji węgla w próbkach środowiskowych. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w różnych dziedzinach, począwszy od archeologii i kryminalistyki środowiskowej, a skończywszy na badaniach nad biowęglem i obiegiem węgla. Głównymi zaletami tej techniki jest wykrywanie węgla pirogenicznego w szerokim zakresie kontinuum spalania.
Jednoczesna charakterystyka, kwantyfikacja i analiza izotopowa węgla pirogennego. I możliwość zastosowania do bardzo szerokiej gamy materiałów próbek środowiskowych. Przygotowanie próbki i chromatografię zademonstruje Ulrich Hanke, doktorant z naszego laboratorium.
Późniejsza analiza izotopowa oczyszczonych związków docelowych zostanie pokazana przez Negara Haghipoura, koordynatora laboratorium na Politechnice Federalnej w Zurychu. Aby rozpocząć tę procedurę, należy zważyć wcześniej liofilizowane i zhomogenizowane próbki do probówek do mineralizacji kwarcu i przykryć przed kurzem folią aluminiową. Do całej procedury należy używać wyłącznie czystych, odwapnionych i kompozytowych naczyń szklanych, dokładnie oczyszczonych narzędzi oraz ultraczystej wody i rozpuszczalników do chromatografii.
Dodaj dwa mililitry 65% kwasu azotowego do probówek wytrawiających. Użyj mieszalnika wirowego, aby wspomóc dokładne zwilżenie każdej próbki. Następnie włóż rurki wytrawiające do komory ciśnieniowej.
Zamknij komorę ciśnieniową zgodnie z instrukcją i wstaw ją do piekarnika nagrzanego do 170 stopni Celsjusza na osiem godzin. Po wyjęciu probówek wytrawiających ze schłodzonej komory ciśnieniowej, przefiltruj próbki z wodą do kolb miarowych, używając jednorazowych filtrów z włókna szklanego. Następnie dostosuj objętość do 25 mililitrów wodą.
Dla każdej próbki należy przygotować dwie szklane kolumny zawierające 11 gramów żywicy kationowymiennej na kolumnę. Kondycjonuj żywicę wewnątrz kolumn, kolejno spłukując je wodą, dwoma molowymi wodorotlenkami sodu i dwoma molowymi kwasami solnymi. Sprawdź przewodność wody.
Który jest płukany przez żywicę po jej kondycjonowaniu. Następnie przenieś połowę próbki do każdej kolumny, spłucz kolejno pięć razy 10 mililitrami wody. Następnie liofilizować roztwory wodne.
Stan wkładów ekstrakcyjnych C18 do fazy stałej zgodnie z instrukcją obsługi producenta. Następnie ponownie rozpuść każdą liofilizowaną pozostałość w trzech mililitrach metanolu i wody. Eluować każdą połowę próbki przez oddzielny wkład ekstrakcyjny C18 do fazy stałej do probówek o pojemności 2,5 mililitra.
Następnie przepłucz wkłady jednym mililitrem metanolu i wodą. Wysuszyć probówki roztworami próbek za pomocą koncentratora próżniowego podgrzanego do 45 stopni Celsjusza i w próżni około 50 milibarów. Po wysuszeniu ponownie rozpuść każdą pozostałość w jednym mililitrze wody i wymieszaj mikserem wirowym.
Następnie przenieś roztwory do 1,5-mililitrowych fiolek z automatycznym samplerem. Do analizy chromatograficznej należy przygotować rozpuszczalnik A, mieszając 20 mililitrów 85% kwasu ortofosforowego z 980 mililitrami wody i przefiltrować roztwór przez jednorazowy filtr z włókna szklanego za pomocą próżni. Przygotować roztwory wzorcowe dostępnych w handlu benzenowo-polikarboksylowych kwasów BPCA w celu wytworzenia zewnętrznej serii stężeń wzorcowych.
Przeprowadzić chromatografię i określić ilościowo zawartość BPCA, porównując odpowiednie obszary pików BPCA z pomiarami serii wzorców zewnętrznych. Wymagania dotyczące czystości dla sprzętu chemicznego i laboratoryjnego są szczególnie wysokie w przypadku analizy BPCA za pomocą węgla swoistego dla związków. Ślepa próba i testy machnięcia są ważne dla monitorowania potencjalnego źródła zanieczyszczenia próbki.
Jeżeli planowane są analizy pirogenicznej frakcji węgla dla swoistego dla związków chemicznych frakcji węgla-13 i węgla-14, należy powtórzyć chromatografię kilka razy dla każdej próbki i zebrać poszczególne BPCA w wystarczającej ilości za pomocą kolektora frakcji podłączonego do HPLC. Usuń rozpuszczalnik, przedmuchując frakcje delikatnym strumieniem azotu, jednocześnie podgrzewając je do 70 stopni Celsjusza. Następnie przygotuj odczynnik utleniający, rozpuszczając dwa gramy nadsiarczanu sodu w 15 mililitrach wody.
Ponownie rozpuść każdą pozostałość w czterech mililitrach wody i przenieś próbki do 12-mililitrowych, gazoszczelnych, borokrzemianowych fiolek. Następnie dodać jeden mililitr odczynnika utleniającego i zamknąć każdą fiolkę standardową nakrętką zawierającą przegrodę z kauczuku butylowego. Gazoszczelne fiolki zawierające roztwory wodne należy przepłukać helem przez osiem minut, aby usunąć dwutlenek węgla z fiolki i roztworu.
Następnie należy utlenić próbki w gazoszczelnych fiolkach, podgrzewając je w temperaturze 100 stopni Celsjusza przez 60 minut. Po pozostawieniu próbek do ostygnięcia do temperatury pokojowej, należy bezpośrednio przeanalizować dwutlenek węgla z utleniania na spektrometrze masowym proporcji izotopów dla zawartości węgla-13 i na przyspieszonym spektrometrze masowym dla zawartości węgla-14. Opisana procedura umożliwia oddzielenie wszystkich docelowych związków BPCA od linii bazowej za pomocą HPLC, a chromatogramy materiałów referencyjnych: tramazemu i zwęglenia trawy są pokazane tutaj.
Dostosowując parametry chromatografii, separacja może być dalej modyfikowana w zależności od potrzeb. Analiza ilościowa chromatogramów materiałów odniesienia z wzorcami zewnętrznymi powinna dostarczyć przedstawionych tutaj wartości węgla pirogenicznego. Wartości węgla-13 i węgla-14, które uzyskuje się, gdy oczyszczone BPCA materiałów referencyjnych są analizowane pod kątem zawartości izotopów węgla, są wymienione tutaj.
Po opanowaniu tej techniki można to zrobić w ciągu trzech dni roboczych. W związku z tym przepustowość próbki jest kwestią tego, ile próbek jest przetwarzanych jednocześnie. Pomiar kilkunastu próbek tygodniowo w duplikatach i z informacjami izotopowymi jest łatwo osiągalny.
Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak wykonać niewątpliwe kroki w celu pomyślnej analizy węgla pirogenicznego na poziomie specyficznym dla związku.
Przegląd
W niniejszym artykule przedstawiono metodę z wykorzystaniem kwasu benzenopolisilorkarboksylowego (BPCA) do oceny zawartości węgla pirogenicznego (PyC) w próbkach środowiskowych. Metoda ta umożliwia jednoczesną charakterystykę, kwantyfikację i analizę izotopową PyC, dostarczając cennych informacji przydatnych w różnych dziedzinach badawczych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Nauki o środowisku
- Badania nad cyklem węglowym
- Archeologia
Wprowadzenie
- Węgiel pirogeniczny jest istotnym elementem cyklu węglowego.
- Zrozumienie jego charakterystyki i składu izotopowego ma kluczowe znaczenie dla wielu badań naukowych.
- Metoda BPCA oferuje podejście specyficzne dla konkretnych związków w celu analizy PyC.
- Technika ta ma zastosowanie do szerokiego zakresu próbek środowiskowych.
Cel badania
- Opracowanie metody charakteryzacji i kwantyfikacji węgla pirogenicznego.
- Przeprowadzenie analizy izotopowej PyC w celu pogłębienia wiedzy w wielu dziedzinach badawczych.
- Zaprezentowanie przygotowania próbek oraz technik analitycznych stosowanych w metodzie BPCA.
Zastosowane metody
- Przygotowanie próbek z wykorzystaniem kwarcowych tub do mineralizacji i kwasu azotowego.
- Analiza chromatograficzna z użyciem HPLC w celu oznaczania ilości BPCA.
- Analiza izotopowa węgla-13 i węgla-14 z wykorzystaniem spektrometrii mas.
- Stosowanie reagentów o wysokiej czystości i staranna obsługa próbek w celu uniknięcia kontaminacji.
Główne wyniki
- Metoda BPCA skutecznie rozdziela i oznaczają ilościowo pirogenne związki węgla.
- Analiza izotopowa dostarcza odrębnych wartości dla węgla-13 i węgla-14 w analizowanych próbkach.
- Metoda wykazuje potencjał do wysokiej przepustowości w zakresie jednoczesnego przetwarzania próbek.
- Wyniki wskazują na skuteczność metody BPCA w różnych kontekstach środowiskowych.
Wnioski
- Metoda BPCA jest niezawodnym narzędziem do analizy węgla pirogenicznego w próbkach środowiskowych.
- Umożliwia ona lepsze zrozumienie cyklu węglowego i jego znaczenia w różnych dziedzinach.
- Przyszłe zastosowania tej metody mogą przyczynić się do dalszego wyjaśnienia roli węgla pirogenicznego w środowisku.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Niezawodna detekcja i kwantyfikacja węgla pirogenicznego (PyC) jest kluczowa dla zrozumienia jego roli w globalnym cyklu węglowym oraz jego trwałości w środowisku. Metoda BPCA umożliwia specyficzną dla związków charakterystykę, kwantyfikację oraz analizę izotopową PyC w szerokim kontinuum spalania, co wspiera mitygację ryzyk mechanistycznych w badaniach nad cyklem węglowym oraz modelowanie predykcyjne losów substancji w środowisku. Możliwość ta usprawnia walidację celów i opracowywanie testów w badaniach nad wpływem PyC na zdrowie gleby, sekwestrację węgla oraz pętle sprzężeń zwrotnych klimatu.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia badanie szlaków powstawania oraz charakterystyki strukturalnej PyC w całym kontinuum procesu spalania.
- Wartość operacyjna: Dostarcza powtarzalnych markerów molekularnych dla spójnego wykrywania PyC w złożonych matrycach środowiskowych.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Pozwala na generowanie ilościowych profili BPCA, które odzwierciedlają zawartość oraz stopień kondensacji PyC.
- Wartość operacyjna: Zapewnia wysokoprzepustowe, zestandaryzowane wyniki chromatograficzne, odpowiednie do standaryzacji analiz i porównywalności między laboratoriami.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Wspiera śledzenie izotopowe (13C/14C) w celu wyjaśnienia źródeł PyC, szybkości ich obrotu oraz losów środowiskowych w układach istotnych dla przebiegu chorób.
- Wartość operacyjna: Umożliwia podłużne śledzenie PyC w modelach przedklinicznych poprzez analizę izotopową specyficzną dla związków.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda BPCA integruje się z przepływami pracy w badaniach środowiskowych, umożliwiając testowanie hipotez dotyczących źródeł PyC oraz procesów transformacji, przy czym wyniki ilościowe i izotopowe służą do późniejszej oceny ryzyka i udoskonalania modeli.
- Biologia odkrywcza: Wspiera ograniczanie ryzyka mechanistycznego poprzez powiązanie cech strukturalnych PyC z trwałością w środowisku i biodostępnością.
- Przesiewanie: Zapewnia powtarzalną kwantyfikację PyC w różnych typach próbek, umożliwiając wiarygodną ocenę związków w kampaniach przesiewowych.
- Analityka: Dostarcza specyficznych dla związków pomiarów izotopowych (13C/14C), które pozwalają zespołom śledzić pochodzenie i obrót PyC w układach eksperymentalnych.
- Badania translacyjne: Łączy charakterystykę PyC w fazie odkrywczej z ciągłością przedkliniczną poprzez śledzenie izotopowe w systemach modelowych.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Tworzy zstandaryzowaną, modułową platformę do analizy PyC, którą można dostosować do różnych typów próbek i celów badawczych.
Wpływ operacyjny i organizacyjny
- Wartość naukowa: Zwiększenie pewności predykcyjnej w określaniu źródeł PyC oraz redukcja niejednoznaczności mechanistycznej w modelach obiegu węgla.
- Wartość operacyjna: Standaryzacja, powtarzalność i skalowalność w odniesieniu do różnych matryc próbek środowiskowych.
- Wartość strategiczna: Lepsze podejmowanie decyzji o kontynuacji lub przerwaniu projektów sekwestracji węgla oraz zmniejszenie niepewności na późnych etapach ocen ryzyka środowiskowego.
- Wpływ na portfolio: Priorytetyzacja strategii łagodzenia skutków PyC z uwzględnieniem ryzyka, w oparciu o izotopowe i strukturalne sygnatury.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymagana jest wiedza specjalistyczna z zakresu geochemii organicznej, rozdziału chromatograficznego oraz spektrometrii mas stosunków izotopowych.
- Niezbędne jest użycie szkła wysokiej czystości, rozpuszczalników ultraczystych oraz środowisk z kontrolowanym poziomem zanieczyszczeń w celu zapewnienia wierności izotopowej.
- Wymagana jest standaryzacja protokołów przygotowania próbek, mineralizacji i ekstrakcji pomiędzy zespołami.
- Konieczne jest uwzględnienie adaptacji do różnych źródeł PyC (np. spalanie biomasy w porównaniu do paliw kopalnych) oraz matryc (gleba, osady, aerozole).
- Ograniczenia praktyczne obejmują wymagania dotyczące korekcji tła (blank correction) oraz konieczność rygorystycznego monitorowania zanieczyszczeń podczas analizy 14C specyficznej dla konkretnych związków.
Najczęściej zadawane pytania z zakresu biofarmacji
Chapters in this video
0:05
Title
1:07
HNO3 Digestion
2:14
Removal of Cations
3:00
Removal of Apolar Compounds
4:00
Chromatography
4:47
Wet Oxidation of Purified BPCAs for Subsequent 13C and 14C Analysis
6:41
Results: Characterization, Quantification and Isotopic Analysis of Pyrogenic Carbon Using BPCAs
7:27
Conclusion
