表征，气相炭用苯聚羧酸的定量和特定化合物同位素分析（BPCA）
2016年5月16日
我们提出了苯聚羧酸 （BPCA） 方法，用于评估环境中的热原碳 （PyC）。化合物特异性方法独特地提供了有关 PyC 的特性、数量和同位素组成（13C 和 14C）的同步信息。
这种分子标记方法的总体目标是表征、定量和同位素分析环境样品中的热原碳分数。这种方法可以帮助回答各个领域的关键问题，从考古学和环境法医到生物炭和碳循环研究。该技术的主要优点是在燃烧连续体的广泛范围内检测热原碳。
气相碳的同步表征、定量和同位素分析。并且适用于非常广泛的环境样品材料。演示样品制备和色谱分析的是我们实验室的研究生 Ulrich Hanke。
苏黎世联邦理工学院实验室协调员 Negar Haghipour 将展示纯化目标化合物的后续同位素分析。要开始此过程，请将先前冷冻干燥和均质化的样品称量到石英消解管中，并用铝箔盖住灰尘。在整个过程中，仅使用干净、脱钙和坚固的玻璃器皿、彻底清洁的工具以及超纯色谱级水和溶剂。
将 2 毫升 65% 硝酸加入消化管中。使用涡旋混合器帮助彻底润湿每个样品。然后，将消化管插入压力室。
根据手册关闭压力室，并将其放入 170 摄氏度的预热烤箱中 8 小时。从冷却的压力室中取出消解管后，使用一次性玻璃纤维过滤器将水溶液过滤到容量瓶中。然后用水将体积调节至 25 毫升。
对于每个样品，准备两个玻璃柱，每根柱子含有 11 克阳离子交换树脂。用水、两摩尔氢氧化钠和两摩尔盐酸连续冲洗色谱柱内的树脂，以调节色谱柱内的树脂。检查水的电导率。
调质后通过树脂冲洗。接下来，将一半样品转移到每根色谱柱上，用 10 毫升水依次冲洗 5 次。然后冷冻干燥水溶液。
根据制造商说明手册对 C18 固相萃取柱进行条件调节。然后，将每个冻干残留物重新溶解在 3 毫升甲醇和水中。在单独的 C18 固相萃取柱上将样品的每一半洗脱到 2.5 mL 试管中。
然后，用 1 毫升甲醇和水冲洗小柱。使用加热至 45 摄氏度的真空浓缩器，以约 50 毫巴的真空干燥带有样品溶液的试管。干燥后，用 1 毫升水重新溶解每个残留物，并与涡旋混合器混合。
然后，将溶液转移到 1.5 mL 自动进样器样品瓶中。对于色谱分析，通过将 20 毫升 85% 正磷酸与 980 毫升水混合来制备溶剂 A，并使用真空通过一次性玻璃纤维过滤器过滤溶液。制备市售 BPCA 苯聚羧酸的标准溶液，以产生外部标准浓度系列。
通过将各自的 BPCA 峰面积与外部标准品系列的测量值进行比较，进行色谱并定量 BPCA 含量。对于 BPCA 的化合物特异性 Carbon-14 分析，化学和实验室设备的纯度要求特别高。空白评估和刷卡测试对于监测样品污染的潜在来源非常重要。
如果要对热原碳馏分进行化合物特异性 Carbon-13 和 Carbon-14 分析，请对每个样品重复色谱数次，并使用连接到 HPLC 的馏分收集器收集足够数量的单个 BPCA。用温和的氮气流吹扫馏分，同时将其加热至 70 摄氏度，以去除溶剂。接下来，通过将 2 克过硫酸钠溶解在 15 毫升水中来制备氧化试剂。
用 4 mL 水重新溶解每个残留物，并将样品转移至 12 mL 气密硼硅酸盐样品瓶中。然后，加入 1 毫升氧化试剂，并用含有丁基橡胶隔垫的标准盖封闭每个样品瓶。用氦气吹扫装有水溶液的气密样品瓶 8 分钟，以去除样品瓶和溶液中的二氧化碳。
然后，通过在 100 摄氏度下加热 60 分钟来氧化气密样品瓶中的样品。让样品冷却至室温后，直接在同位素比质谱仪上分析氧化产生的二氧化碳（测定 Carbon-13 含量）和加速质谱仪上测定 Carbon-14 含量。所描述的程序允许通过 HPLC 对所有 BPCA 目标化合物进行基线分离，此处显示了参考材料 tramazem 和 grass-char 的色谱图。
通过调整色谱参数，可以根据特定需要进一步修改分离。使用外部标准品对参比物质色谱图进行定量分析应产生此处描述的热原碳值。此处列出了在分析参考材料的纯化 BPCA 的碳同位素含量时获得的 Carbon-13 和 Carbon-14 值。
一旦掌握了这项技术，就可以在三个工作日内完成。因此，样品通量取决于同时处理多少样品。每周测量十几个样品，一式两份，并带有同位素信息，这很容易实现。
观看此视频后，您应该对如何执行在化合物特定水平上成功分析热原碳的无可置疑的步骤有一个很好的了解。
概述
本文介绍了苯多羧酸 (BPCA) 方法，用于评估环境样品中的炭源性碳 (PyC)。该方法可同时进行 PyC 的表征、定量和同位素分析，为各个研究领域提供宝贵的见解。
主要研究组成
科学领域
- 环境科学
- 碳循环研究
- 考古学
背景
- 炭源性碳是碳循环的重要组成部分。
- 了解其特征和同位素组成对于各种科学探究至关重要。
- BPCA 方法提供了一种针对 PyC 的化合物特异性方法。
- 该技术适用于广泛的环境样品。
研究目的
- 开发一种表征和定量炭源性碳的方法。
- 提供 PyC 的同位素分析，以增强对多个研究领域的理解。
- 演示 BPCA 方法涉及的样品制备和分析技术。
使用的方法
- 使用石英消解管和硝酸进行样品制备。
- 使用 HPLC 进行 BPCA 定量分析的色谱分析。
- 使用质谱法分析碳-13 和碳-14 的同位素。
- 使用高纯试剂和小心处理样品以避免污染。
主要结果
- BPCA 方法成功分离和定量炭源性碳化合物。
- 同位素分析为所分析样品提供了不同的碳-13 和碳-14 值。
- 该方法具有高通量潜力，可同时处理样品。
- 结果表明 BPCA 方法在各种环境背景下的有效性。
结论
- BPCA 方法是分析环境样品中炭源性碳的强大工具。
- 它增强了对碳循环及其在不同领域的影响的理解。
- 未来，该方法可以进一步阐明炭源性碳在环境中的作用。
常见问题解答
Executive Industry Relevance
Reliable detection and quantification of pyrogenic carbon (PyC) is critical for understanding its role in the global carbon cycle and environmental persistence. The BPCA method enables compound-specific characterization, quantification, and isotopic analysis of PyC across a broad combustion continuum, supporting mechanistic de-risking in carbon cycling research and predictive modeling of environmental fate. This capability enhances target validation and assay development for studies investigating PyC's impact on soil health, carbon sequestration, and climate feedback loops.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of PyC formation pathways and structural characteristics across the combustion continuum.
- Operational Value: Provides reproducible molecular markers for consistent PyC detection in complex environmental matrices.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative BPCA profiles that reflect PyC abundance and condensation degree.
- Operational Value: Delivers high-throughput, standardized chromatographic outputs suitable for assay standardization and cross-lab comparability.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Supports isotopic tracing (13C/14C) to elucidate PyC sources, turnover rates, and environmental fate in disease-relevant systems.
- Operational Value: Facilitates longitudinal tracking of PyC in preclinical models through compound-specific isotopic analysis.
Pipeline & Workflow Integration
The BPCA method integrates into environmental discovery workflows by enabling hypothesis testing on PyC sources and transformation processes, with quantitative and isotopic outputs informing downstream risk assessment and model refinement.
- Discovery Biology: Supports mechanistic de-risking by linking PyC structural features to environmental persistence and bioavailability.
- Screening: Delivers reproducible quantification of PyC across sample types, enabling reliable compound evaluation in screening campaigns.
- Analytics: Provides compound-specific isotopic measurements (13C/14C) that allow teams to trace PyC origins and turnover in experimental systems.
- Translational Research: Connects discovery-phase PyC characterization to preclinical continuity through isotopic tracing in model systems.
- Enterprise Reuse: Establishes a standardized, modular platform for PyC analysis adaptable to diverse sample types and research objectives.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in PyC source apportionment and reduction of mechanistic ambiguity in carbon cycling models.
- Operational Value: Standardization, reproducibility, and scalability across environmental sample matrices.
- Strategic Value: Better go/no-go decisions in carbon sequestration projects and reduced late-stage uncertainty in environmental risk assessments.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization of PyC mitigation strategies based on isotopic and structural fingerprints.
Implementation Considerations
- Requires expertise in organic geochemistry, chromatographic separation, and isotope ratio mass spectrometry.
- Necessitates high-purity glassware, ultra-clean solvents, and contamination-controlled environments for isotopic fidelity.
- Demands cross-team standardization of sample preparation, digestion, and extraction protocols.
- Involves adaptation considerations for varying PyC sources (e.g., biomass vs. fossil fuel combustion) and matrices (soil, sediment, aerosols).
- Practical limitations include blank correction requirements and the need for rigorous contamination monitoring during compound-specific 14C analysis.
Biopharma FAQs
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
