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Quelle: Labors von Margaret Workman und Kimberly Frye - Depaul University
Elementare Analyse ist eine Methode zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung des Materials. In Umweltproben wie Böden interessieren sich Wissenschaftler vor allem in den Mengen von zwei ökologisch wichtige Elemente, Stickstoff und Kohlenstoff. Elementaranalyse von der Flash-Verbrennungstechnik funktioniert durch Oxidation der Probe mit einem Katalysator durch Verbrennung in einer Hochtemperatur-Kammer. Die Produkte der Verbrennung sind dann N2 und CO2 reduziert und mit einer Wärmeleitfähigkeit Detektor erkannt.
Im Gegensatz zu anderen Methoden für die Gesamt-Stickstoff-Bestimmung (Kjeldahl-Methode) und CO2-Bestimmung (Walkley-schwarz, Heanes oder Leco Methoden) die Flash-Verbrennungstechnik verwendet keine giftige Chemikalien und ist daher viel sicherer zu nutzen.
Dieses Video veranschaulicht Verbrennung basierende Elementaranalyse mit dem Flash EA 1112 Instrument von Thermo Fisher Scientific.
1. Vorbereitung von Bodenproben
2. Einrichten der Geräteparameter
3. Erstellen einer Standardkurve
4. laden den Autosampler mit Boden Proben
5. Ausführen der Beispiele
Abbildung 1. Flash-EA-1112-Parameter-Setup-Bildschirm 1.
Abbildung 2. Flash-EA-1112-Parameter-Setup-Bildschirm 2.
Abbildung 3. Flash-EA-1112-Parameter-Setup-Bildschirm 3.
Abbildung 4. Entfernen einer Zinn Disc mit der Pinzette.
Abbildung 5. Die Zinn Scheibe geformt in eine Tasse Form mit der Dichteinrichtung.
Abbildung 6. Das Zinn-Paket in den Autosampler.
Analyse der Mengen von Kohlenstoff und Stickstoff in Umweltproben - ein Prozess, bekannt als "Elementaranalyse" - Einblicke wichtige in die ökologischen Eigenschaften der Umwelt.
Kohlenstoff und Stickstoff sind zwei der wichtigsten Elemente für das Leben. Carbon ist die Grundlage von organischen Verbindungen, die die Grundlage aller Lebewesen und eignet sich besonders als ein Maß für Moleküle wie Kohlenhydrate, die primäre Energiequelle für Organismen. Auf der anderen Seite wird Stickstoff in Molekülen wie Nukleinsäuren und Aminosäuren gefunden. Diese dienen, bzw. als genetisches Material sowie die Bausteine der Proteine für Struktur und Funktion von Organismen verwendet.
Da diese verschiedenen Klassen organischer Moleküle unterschiedliche biologische Rollen haben, fordern sie Organismen in unterschiedlichen Mengen. Beispielsweise benötigen Mikroorganismen im Boden in der Regel Nahrungsquellen mit einem dadurch Verhältnis von 24:1. Weil verschiedene Pflanzenreste haben verschiedene dadurch Verhältnisse, die von 13:1, wie Alfalfa, zu 57:1, wie Mais, werden sie zerlegt durch Mikroben zu unterschiedlichen Preisen und in unterschiedlichem Maße, wiederum beeinflussen wie Nährstoffe an den Boden zurückgegeben werden.
Dieses Video wird die Grundsätze zur Analyse von Kohlenstoff und Stickstoff Elementzusammensetzung einführen; ein Protokoll zur Durchführung der Elementaranalyse in Bodenproben; und zu guter Letzt einige Anwendungen der diese Analysemethode zur Umweltforschung.
Elementaranalyse kann durchgeführt werden, in eine Reihe von Möglichkeiten, wie die Verwendung von bestimmten chemischen Reaktionen, oft verbunden mit starken Säuren, was zu charakteristischen Produkten, die erkannt werden können. Eine wesentliche Verbesserung in der Elementaranalyse Methodik entwickelte sich die Flash-Verbrennungstechnik, die die Notwendigkeit der Verwendung von gefährlicher Chemikalien entfernt, erheblich vereinfacht und beschleunigt den Prozess, und erlaubt für die Automatisierung.
Flash-Verbrennung-basierte Elementaranalyse beruht, die Probe in eine Kammer"Oxidation" durch Verbrennen in Gegenwart von Sauerstoff bei hohen Temperaturen von ca. 1.000 ° C in Gegenwart eines Katalysators, die Beschleunigung der Reaktion zu oxidieren. Dies wandelt den Kohlenstoff in der Probe in Kohlendioxid und Stickstoff in Stickstoffoxid und Stickstoff Gase. Eine inerte "Trägergas" wie Helium dann eingesetzt wird, um diese Verbrennungsprodukte zu einer "Reduktion Kammer" mit Kupfer Füllung zu transportieren, wo die Stickoxide weiter sind in Stickstoff umgewandelt. Überschüssige Wasserdampf wird durch Filtration mit einem Trockenmittel wie Magnesium Perchlorat aus dem Gasgemisch entfernt.
Die Flash-Verbrennungsprodukte können dann durch Gaschromatographie, getrennt werden, während die Gasmoleküle Schlauch, eine Spalte, mit einer dünnen Schicht von Flüssigkeit oder Polymer namens durchlaufen. Die Gase immer wieder auflösen und aus diesem Substrat zu verdampfen, als Durchgang durch die Spalte, zu Preisen, die sind abhängig, wie stark die Moleküle mit dem Substrat und das Trägergas interagieren. Eine Spezies, die verbringt mehr Zeit in das Substrat aufgelöst reist langsamer durch die Spalte, so dass die Gase zu unterscheiden.
Sobald sie die Spalte verlassen, können die Gase durch, z. B. identifiziert werden erkennen, wie gut sie Wärme, eine Eigenschaft bekannt als thermische Leitfähigkeit zu leiten. Durch Auftragen der Zeitaufwand jedes Gas durch die Spule zu reisen, erhalten Wissenschaftler eine "Chromatogramm" mit Gipfeln, die jedes Gas darstellen. Durch die Berechnung der gefundenen Mengen an Kohlendioxid und Stickstoff Gase mit dem Bereich unter den jeweiligen Gipfeln, kann dadurch Verhältnis in der ursprünglichen Probe dann abgeleitet werden.
Nun, da Sie die Prinzipien von Kohlenstoff und Stickstoff Elementaranalyse mit der Flash-Verbrennung-Methode zu verstehen, gehen Sie wir durch ein Protokoll für die Durchführung dieses mit einer automatisierten elementar-Analyzer.
Um den Bodenproben zur Analyse vorzubereiten, zuerst trocknen Sie die Proben in einem 60 ° C Backofen für 48 h. Dann passieren Sie die getrockneten Boden durch ein 2 x 2 mm Sieb, und verwerfen Sie alle Bodenpartikel, die nicht passieren. Verwenden Sie anschließend eine Kugel Mühle Mühle, ca. 5 g des Bodens für 2 min zu einem homogenen Pulver mahlen. Setzen Sie des gefrästen Bodens in einen kleinen Behälter wie einem Polyethylen-Fläschchen, und bis zum Gebrauch in den Exsikkator gestellt zu speichern.
Legen Sie die Analyseparameter auf der elementaren Analyzer nach Anweisungen des Herstellers. Dazu gehören die Temperaturen Oxidation Ofen, der Verringerung der Ofen und die Gaschromatographie-Ofen, die Strömungsgeschwindigkeit des Trägergas, die Sauerstoff-Injektion-Rate, die Durchflussmenge der Referenzgas, die Zykluszeit laufen, die Verzögerung zwischen Probeninjektion Drop und Sauerstoff in die Kammer der Oxidation und die Dauer des Sauerstoff-Injektion.
Um die Zusammensetzung der Probe quantitativ zu bestimmen, wird zunächst eine Standardkurve erstellt mit unterschiedlichen Mengen einer Verbindung der bekannten Zusammensetzung wie Asparaginsäure.
Um dies zu tun, zuerst verwenden Sie Zange, eine Packung eine Zinn Probe-Holding Disc entnehmen und in eine Tasse Form mit spezialisierten Dichtungsvorrichtung Schimmel. Berühren Sie die Zinn Scheibe mit den Fingern, wie das für die Übertragung von Ölen auf die Disc führen könnte.
Jetzt legen die Blechtasse auf einer Mikrowaage, und legen Sie die Tara Masse. Entfernen Sie die Blechtasse zu, dann verwenden Sie eine Microspatula um ca. 1 mg der Asparaginsäure standard in die Tasse platzieren. Wiegen Sie die Tasse und die Masse. Dann versiegeln Sie die Blechtasse zu, und legen Sie sie in den Autosampler, der automatisch jede Probe in der Reaktionskammer liefern wird.
Wiederholen Sie die obigen Schritte für mehrere Beträge des Standards. Legen Sie alle Standards in den Autosampler.
Verzichten Sie und wiegen Sie die Bodenproben in Zinn Tassen ebenso wie den Standards, mit etwa 50 mg jeden homogenisierte Bodenprobe. Jede Probe in dreifacher Ausfertigung vorbereiten.
Nachdem alle Proben werden in den Autosampler, und die entsprechenden Temperaturen im Gerät erreicht wurden, setzen Sie die Messungen ausgeführt. Die Gerätesoftware wird ein Chromatogramm für jeden Standard und Probe produzieren.
Abhängig von den Parametern verwendet, sollte der Gipfel für Stickstoff-Gas bei etwa 110 s auf dem Chromatogramm, während die Kohlendioxid-Peak bei etwa 190 S. Standardkurven erkannt wird entstehen mit Asparaginsäure, die eine Kohlenstoff-Stickstoff-Verhältnis von 4 zu 1 hat. Mit diesem wissen, zusammen mit der Konzentration von jedem Standard kann Bereich unter jede Spitze verwendet werden, um die Menge an Stickstoff und Kohlenstoff in jeder Probe zu berechnen.
Basierend auf die Masse der ursprünglichen Probe, können die Prozent Stickstoff und Prozent Kohlenstoff jeder Probe berechnet werden. In dieser Demo das dadurch Verhältnis von dieser Bodenprobe erwies sich etwa 13:1, niedriger ist als das Verhältnis der 14.25:1 in der Regel für Boden unter offene Wälder und indikativ Hölzer dominieren die invasive europäischen Sanddorn Bäume gefunden.
Kohlenstoff und Stickstoff-Content-Analyse kann auf eine Vielzahl von Umweltproben neben Boden angewendet werden und hat breite Anwendungen in der Umweltforschung.
In diesem Beispiel Forscher Wasserproben aus verschiedenen marinen Lebensräumen wie Korallenriffe gesammelt. Um die Verfügbarkeit von Nährstoffen, marine mikrobieller Gemeinschaften zu verstehen, wurden verschiedene chemische Parameter gemessen, einschließlich Kohlenstoff und Stickstoff Elementaranalyse. Ebenen des gelösten organischen Kohlenstoffs wurden direkt aus der Wasserprobe gemessen, während organische Partikel aus dem Wasser gefiltert und analysiert.
Elementaranalyse kann auch zur Überwachung Nährstoffverlust im Abfluss aus der Bewässerung von Stadtlandschaften und Rasenflächen, die Wasserversorgungen verschmutzen können. Hier Wissenschaftler eingerichtet Testplots simulieren Stadtlandschaften und diesen Prozess besser zu verstehen. Eine Vielzahl von chemischen Tests wurden verwendet, um bestimmte Nährstoffe wie Nitrat und Ammoniak in der gesammelten Stichwahl zu analysieren, und Verbrennung basierende Elementaranalyse wurde verwendet, um den Pegel des gelösten organischen Kohlenstoff und Stickstoff messen.
Schließlich ergab die Analyse des Verhältnis dadurch Pflanzenfresser Schlachtkörper eine interessante Verbindung zwischen Raub und die Zersetzungsrate im Boden. In dieser Studie wurden die Heuschrecken mit oder ohne die Gefahr der Plünderung durch Spinnen aufgezogen. Kadaver von diesen Heuschrecken durften dann in Parzellen des Bodens zersetzen und Anlage Detritus wurden später hinzugefügt, um den Boden für die Zersetzung.
Elementaranalyse zeigte leicht erhöhten dadurch Verhältnis in Heuschrecken mit Raub Risiko aufgezogen, aber dies wiederum führte zu deutlich verringerten Geschwindigkeit der Zersetzung im Boden, in dem die gestresste Heuschrecke zerlegt wurde, auf unerwartete komplexe Dynamik im Ökosystem Nährstoffkreisläufe.
Sie haben nur Jupiters Video auf Kohlenstoff und Stickstoff Analyse von Umweltproben angesehen. Sie sollten jetzt die Prinzipien, die hinter dieser Methode der Analyse verstehen; wie Sie es mit einem Flash-Verbrennung elementaren Analyzer ausführen; und einige ihrer Anwendungen in Umweltwissenschaften. Wie immer vielen Dank für das ansehen!
Die Analyse der Mengen an Kohlenstoff und Stickstoff in Umweltproben - ein Prozess, der als "Elementaranalyse" bezeichnet wird - liefert wichtige Einblicke in die ökologischen Eigenschaften der Umwelt.
Kohlenstoff und Stickstoff sind zwei der wichtigsten Elemente für das Leben. Kohlenstoff ist die Grundlage für organische Verbindungen, die die Grundlage aller Lebewesen bilden, und eignet sich besonders gut als Maß für Moleküle wie Kohlenhydrate, die primäre Energiequelle für Organismen. Auf der anderen Seite kommt Stickstoff in Molekülen wie Nukleinsäuren und Aminosäuren vor. Diese dienen jeweils als genetisches Material und als Bausteine der Proteine, die von Organismen für Struktur und Funktion verwendet werden.
Da diese verschiedenen Klassen organischer Moleküle unterschiedliche biologische Rollen haben, benötigen Organismen sie in unterschiedlichen Mengen. Zum Beispiel benötigen Mikroorganismen im Boden typischerweise Nahrungsquellen mit einem C:N-Verhältnis von 24:1. Da verschiedene Pflanzenreste unterschiedliche C:N-Verhältnisse haben, die von 13:1 (wie Luzerne) bis 57:1 reichen, wie z. B. bei Mais, werden sie von Mikroben unterschiedlich schnell und in unterschiedlichem Ausmaß zersetzt, was sich wiederum darauf auswirkt, wie Nährstoffe in den Boden zurückgeführt werden.
In diesem Video werden die Prinzipien der Analyse der elementaren Zusammensetzung von Kohlenstoff und Stickstoff vorgestellt. ein Protokoll für die Durchführung von Elementaranalysen an Bodenproben; und schließlich einige Anwendungen dieser Analysemethode in der Umweltforschung.
Die Elementaranalyse kann auf verschiedene Weise durchgeführt werden, z. B. durch die Verwendung spezifischer chemischer Reaktionen, an denen oft starke Säuren beteiligt sind, was zu charakteristischen Produkten führt, die nachgewiesen werden können. Eine wesentliche Verbesserung der Methodik der Elementaranalyse war die Entwicklung der Flash-Verbrennungstechnik, die den Einsatz gefährlicher Chemikalien überflüssig machte, den Prozess stark vereinfachte und beschleunigte und eine Automatisierung ermöglichte.
Die Grundlage der auf Blitzverbrennung basierenden Elementaranalyse besteht darin, die Probe in einer "Oxidationskammer" zu oxidieren, indem sie in Gegenwart von Sauerstoff bei hohen Temperaturen von etwa 1.000 ? C in Gegenwart eines Katalysators, der die Reaktion beschleunigt. Dabei wird der Kohlenstoff in der Probe in Kohlendioxidgas und der Stickstoff in Stickoxid und Stickstoffgase umgewandelt. Ein inertes "Trägergas" wie Helium wird dann verwendet, um diese Verbrennungsprodukte in eine "Reduktionskammer" mit Kupferfüllung zu transportieren, wo die Stickoxide weiter in Stickstoffgas umgewandelt werden. Überschüssiger Wasserdampf wird durch Filtration mit einem Trockenmittel wie Magnesiumperchlorat aus dem Gasgemisch entfernt.
Die Flash-Verbrennungsprodukte können dann durch Gaschromatographie getrennt werden, bei der die Gasmoleküle durch einen Schlauch strömen, der als Säule bezeichnet wird und eine dünne Schicht aus Flüssigkeit oder Polymer enthält. Die Gase lösen und verdampfen auf ihrem Weg durch die Säule immer wieder aus diesem Substrat, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die davon abhängt, wie stark die Moleküle mit dem Substrat und dem Trägergas interagieren. Eine Spezies, die mehr Zeit im Substrat gelöst verbringt, bewegt sich langsamer durch die Säule, wodurch die Gase differenziert werden können.
Sobald sie die Säule verlassen, können die Gase identifiziert werden, indem man zum Beispiel erkennt, wie gut sie Wärme leiten, eine Eigenschaft, die als Wärmeleitfähigkeit bezeichnet wird. Durch die Darstellung der Zeit, die jedes Gas benötigt, um durch die Spule zu wandern, erhalten die Wissenschaftler ein "Chromatogramm" mit Peaks, die jedes Gas darstellen. Durch die Berechnung der detektierten Mengen an Kohlendioxid und Stickstoffgasen anhand der Fläche unter den jeweiligen Peaks kann dann das C:N-Verhältnis in der ursprünglichen Probe abgeleitet werden.
Nachdem Sie nun die Prinzipien der Kohlenstoff- und Stickstoff-Elementaranalyse mit der Flash-Verbrennungsmethode verstanden haben, gehen wir ein Protokoll für die Durchführung mit einem automatisierten Elementaranalysator durch.
Um die Bodenproben für die Analyse vorzubereiten, trocknen Sie die Proben zunächst in einem 60 ? C Backofen für 48 h. Geben Sie dann die getrocknete Erde durch ein 2 x 2 mm großes Sieb und entsorgen Sie alle Bodenpartikel, die nicht durchkommen. Als nächstes mahlen Sie mit einer Kugelmühle ca. 5 g des Bodens 2 Minuten lang, um ein homogenes Pulver herzustellen. Geben Sie die gemahlene Erde in einen kleinen Behälter, z. B. ein Polyethylenfläschchen, und bewahren Sie sie bis zur Verwendung in einem Exsikkator auf.
Stellen Sie die Analyseparameter am Elementaranalysator gemäß den Anweisungen des Herstellers ein. Dazu gehören die Temperaturen des Oxidationsofens, des Reduktionsofens und des Gaschromatographie-Ofens, die Durchflussrate des Trägergases, die Sauerstoffinjektionsrate, die Durchflussrate des Referenzgases, die Zykluslaufzeit, die Verzögerung zwischen Probentropfen und Sauerstoffinjektion in die Oxidationskammer sowie die Dauer der Sauerstoffinjektion.
Um die Zusammensetzung der Probe quantitativ zu bestimmen, wird zunächst eine Standardkurve unter Verwendung unterschiedlicher Mengen einer Verbindung bekannter Zusammensetzung, wie z. B. Asparaginsäure, erstellt.
Entfernen Sie dazu zunächst mit einer Pinzette eine Probenhaltescheibe aus einer Packung und formen Sie sie mit der speziellen Siegelvorrichtung in eine Becherform. Vermeiden Sie es, die Zinnscheibe mit den Fingern zu berühren, da dies zum Übertragen von Ölen auf die Scheibe führen kann.
Stellen Sie nun den Zinnbecher auf eine Mikrowaage und stellen Sie die Taramasse ein. Nehmen Sie den Blechbecher heraus und geben Sie dann mit einem Mikrospatel etwa 1 mg des Asparaginsäurestandards in den Becher. Wiegen Sie den Becher und notieren Sie die Masse. Verschließen Sie dann den Blechbecher und stellen Sie ihn in den Autosampler, der jede Probe automatisch in die Reaktionskammer abgibt.
Wiederholen Sie die obigen Schritte für mehrere Mengen des Standards. Legen Sie dann alle Standards in den Autosampler.
Geben und wiegen Sie die Bodenproben in Blechbechern ähnlich wie bei den Standards, wobei ca. 50 mg jeder homogenisierten Bodenprobe verwendet werden. Jede Probe wird in dreifacher Ausfertigung vorbereitet.
Sobald alle Proben in den Autosampler gegeben wurden und die entsprechenden Temperaturen im Gerät erreicht wurden, stellen Sie die Messungen auf Lauf ein. Die Gerätesoftware erstellt ein Chromatogramm für jeden Standard und jede Probe.
Abhängig von den verwendeten Parametern sollte der Peak für Stickstoffgas bei etwa 110 s auf dem Chromatogramm liegen, während der Kohlendioxid-Peak bei etwa 190 s detektiert wird. Standardkurven werden mit Asparaginsäure erstellt, die ein Kohlenstoff-Stickstoff-Verhältnis von 4 zu 1 hat. Mit diesem Wissen und der Konzentration jedes Standards kann die Fläche unter jedem Peak zur Berechnung der Menge an Stickstoff und Kohlenstoff in jeder Probe verwendet werden.
Basierend auf der Masse der Originalprobe können der prozentuale Stickstoff- und der prozentuale Kohlenstoffgehalt jeder Probe berechnet werden. In dieser Demonstration wurde festgestellt, dass das C:N-Verhältnis dieser Bodenprobe etwa 13:1 beträgt, was niedriger ist als das Verhältnis von 14,25:1, das normalerweise für Böden unter offenen Wäldern gefunden wird, und ein Hinweis auf Wälder, die von invasiven Sanddornbäumen dominiert werden.
Die Analyse des Kohlenstoff- und Stickstoffgehalts kann nicht nur auf den Boden, sondern auch auf eine Vielzahl von Umweltproben angewendet werden und hat breite Anwendung in der Umweltforschung.
In diesem Beispiel sammelten die Forscher Wasserproben aus verschiedenen marinen Lebensräumen, wie zum Beispiel Korallenriffen. Um die Verfügbarkeit von organischen Nährstoffen für marine mikrobielle Gemeinschaften zu verstehen, wurden verschiedene chemische Parameter gemessen, darunter Kohlenstoff- und Stickstoff-Elementaranalysen. Der Gehalt an gelöstem organischem Kohlenstoff wurde direkt aus der Wasserprobe gemessen, während organische Partikel aus dem Wasser gefiltert und analysiert wurden.
Die Elementaranalyse kann auch verwendet werden, um den Nährstoffverlust im Abfluss aus der Bewässerung von Stadtlandschaften und Rasenflächen zu überwachen, der die Wasserversorgung verschmutzen kann. Hier richten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Versuchsflächen ein, um Stadtlandschaften zu simulieren und diesen Prozess besser zu verstehen. Eine Vielzahl chemischer Tests wurde verwendet, um bestimmte Nährstoffe wie Nitrate und Ammoniak im gesammelten Abfluss zu analysieren, und die verbrennungsbasierte Elementaranalyse wurde verwendet, um den Gehalt an gelöstem organischem Kohlenstoff und Stickstoff zu messen.
Schließlich ergab die Analyse des C:N-Verhältnisses in pflanzenfressenden Kadavern einen interessanten Zusammenhang zwischen dem Prädationsrisiko und der Zersetzungsrate im Boden. In dieser Studie wurden Heuschrecken mit oder ohne das Risiko einer Fressfeindschaft durch Spinnen aufgezogen. Die Kadaver dieser Heuschrecken wurden dann in Erdparzellen zersetzen gelassen, und später wurden Pflanzenreste zur Zersetzung in den Boden gegeben.
Die Elementaranalyse zeigte ein leicht erhöhtes C:N-Verhältnis bei Heuschrecken, die mit Prädationsrisiko aufgezogen wurden, was jedoch wiederum zu einer signifikant verringerten Zersetzungsrate im Boden führte, in dem die gestresste Heuschrecke zersetzt wurde, was auf eine unerwartete komplexe Dynamik im Nährstoffkreislauf des Ökosystems hinweist.
Sie haben gerade das Video von JoVE über die Kohlenstoff- und Stickstoffanalyse von Umweltproben gesehen. Sie sollten nun die Prinzipien hinter dieser Analysemethode verstehen. wie man es mit einem Elementaranalysator für die Blitzverbrennung durchführt; und einige seiner Anwendungen in den Umweltwissenschaften. Wie immer vielen Dank fürs Zuschauen!
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