Charakterisierung, Quantifizierung und substanzspezifische Isotopenanalyse von Pyrogene Kohle Benzolpolycarbonsäuren (BPCA)

Das übergeordnete Ziel dieser Methode mit molekularen Markern besteht darin, die pyrogene Kohlenstofffraktion in Umweltproben zu charakterisieren, zu quantifizieren und isotopisch zu analysieren. Diese Methode kann helfen, zentrale Fragen in verschiedenen Bereichen zu beantworten, die von der Archäologie und Umweltforensik bis hin zur Biochar- und Kohlenstoffkreislaufforschung reichen. Die wichtigsten Vorteile dieser Technik liegen in der Detektion von pyrogenem Kohlenstoff über einen weiten Bereich der Verbrennungskontinuums.

Gleichzeitige Charakterisierung, Quantifizierung und isotopische Analyse pyrogener Kohlenstoffe sowie Anwendbarkeit auf ein sehr breites Spektrum umweltrelevanter Probenmaterialien. Die Probenvorbereitung und Chromatographie wird Ulrich Hanke, ein Doktorand aus unserem Labor, demonstrieren.

Die anschließende isotopische Analyse der gereinigten Zielverbindungen wird von Negar Haghipour, Laborleiterin an der ETH Zürich, gezeigt. Beginnen Sie dieses Verfahren, indem Sie zuvor gefriergetrocknete und homogenisierte Proben in Quarzverdauungsröhrchen abwiegen und mit Aluminiumfolie vor Staub geschützt abdecken. Verwenden Sie ausschließlich sauberes, entkalktes und verbrennbares Glas, gründlich gereinigte Geräte sowie ultrareines, chromatographisches Wasser und Lösungsmittel für den gesamten Vorgang.

Geben Sie zwei Milliliter 65 % Salpetersäure in die Aufschlussschläuche. Verwenden Sie einen Vortex-Mischer, um eine gründliche Benetzung jeder Probe zu gewährleisten. Danach setzen Sie die Aufschlussschläuche in eine Druckkammer ein.

Schließen Sie die Druckkammer gemäß der Bedienungsanleitung und stellen Sie sie acht Stunden lang in einen vorgeheizten Ofen bei 170 Grad Celsius. Nach dem Entnehmen der Digestionsröhrchen aus der abgekühlten Druckkammer filtrieren Sie die Proben mit Wasser in Messkolben unter Verwendung von Einweg-Glasfasermembranen. Anschließend stellen Sie das Volumen mit Wasser auf 25 Milliliter ein.

Bereiten Sie für jede Probe zwei Glas-Säulen mit je 11 Gramm Kationenaustauscherharz vor. Konditionieren Sie das Harz in den Säulen, indem Sie es nacheinander mit Wasser, zwei molarer Natriumhydroxidlösung und zwei molarer Salzsäure spülen. Überprüfen Sie die Leitfähigkeit des Wassers.

Das nach der Konditionierung durch das Harz gespült wird. Danach die eine Hälfte der Probe auf jede Säule übertragen und nacheinander fünfmal mit je 10 Milliliter Wasser spülen. Anschließend die wässrigen Lösungen gefriertrocknen.

Konditionieren Sie C18-Festphasen-Extraktions-Kartuschen gemäß der Bedienungsanleitung des Herstellers. Danach lösen Sie jeden gefriergetrockneten Rückstand in drei Milliliter Methanol und Wasser erneut auf. Eluieren Sie jeweils die eine Hälfte der Probe über eine separate C18-Festphasen-Extraktions-Kartusche in 2,5-Milliliter-Reagenzgläser.

Anschließend spülen Sie die Kartuschen mit einem Milliliter Methanol und Wasser aus. Trocknen Sie die Reagenzgläser mit den Probelösungen in einem Vakuumkonzentrator, der auf 45 Grad Celsius erhitzt ist und ein Vakuum von etwa 50 Millibar aufweist. Lösen Sie nach dem Trocknen jeden Rückstand erneut in einem Milliliter Wasser auf und mischen Sie mit einem Vortex-Mischer.

Anschließend die Lösungen in 1,5-Milliliter-Autosampler-Vials umfüllen. Für die chromatographische Analyse wird Lösungsmittel A hergestellt, indem 20 Milliliter 85%ige Phosphorsäure mit 980 Milliliter Wasser gemischt und die Lösung unter Vakuum durch einen Einweg-Glasfaservorfilter filtriert wird. Es werden Standardlösungen handelsüblicher benzener Polycarbonsäuren (BPCAs) hergestellt, um eine externe Standardkonzentrationsreihe zu erzeugen.

Führen Sie die Chromatographie durch und quantifizieren Sie die BPCA-Gehalte durch Vergleich der jeweiligen BPCA-Peakflächen mit den Messungen einer externen Standardreihe. Die Reinheitsanforderungen an Chemikalien und Laborgeräte sind besonders hoch bei der substancespezifischen Kohlenstoff-14-Analyse von BPCAs. Die Blindwertbestimmung und Abstrichproben sind wichtig, um mögliche Quellen einer Probenkontamination zu überwachen.

Wenn kohlenstoffspezifische Kohlenstoff-13- und Kohlenstoff-14-Analysen der pyrogenen Kohlenstofffraktion vorgesehen sind, wiederholen Sie die Chromatographie mehrmals für jede Probe und sammeln Sie die einzelnen BPCAs in ausreichender Menge mit einem Fraktionssammler, der an das HPLC-System angeschlossen ist. Entfernen Sie das Lösungsmittel, indem Sie die Fraktionen mit einem sanften Stickstoffstrom abblasen, während Sie sie auf 70 Grad Celsius erwärmen. Bereiten Sie anschließend das Oxidationsmittel vor, indem Sie zwei Gramm Natriumpersulfat in 15 Milliliter Wasser lösen.

Lösen Sie jeden Rückstand erneut in vier Millilitern Wasser auf und überführen Sie die Proben in 12-Milliliter-Gasdichtgläser aus Borosilikatglas. Geben Sie anschließend ein Milliliter Oxidationsreagenz hinzu und verschließen Sie jedes Gefäß mit einem Standardverschluss, der eine Butylkautschuk-Trennwand enthält. Spülen Sie die gasdichten Gefäße, die die wässrigen Lösungen enthalten, acht Minuten lang mit Helium, um Kohlendioxid aus dem Gefäß und der Lösung zu entfernen.

Anschließend die Proben in gasdichten Gefäßen oxidieren, indem sie 60 Minuten lang bei 100 Grad Celsius erhitzt werden. Nach dem Abkühlen der Proben auf Raumtemperatur das aus der Oxidation entstandene Kohlendioxid direkt an einem Isotopenverhältnis-Massenspektrometer auf Gehalt an Kohlenstoff-13 und an einem Beschleunigungs-Massenspektrometer auf Gehalt an Kohlenstoff-14 analysieren. Das beschriebene Verfahren ermöglicht die Grundlinientrennung aller BPCA-Zielverbindungen mittels HPLC, und Chromatogramme der referenzierten Materialien Tramazem und Grass-Char sind hier dargestellt.

Durch Anpassung der Chromatographieparameter kann die Trennung weiterhin an spezifische Anforderungen angepasst werden. Die quantitative Analyse der Chromatogramme der referenzierten Materialien mit externen Standards sollte die hier dargestellten pyrogenen Kohlenstoffwerte ergeben. Die Werte für Kohlenstoff-13 und Kohlenstoff-14, die sich bei der Analyse gereinigter BPCAs der referenzierten Materialien hinsichtlich ihres Kohlenstoffisotopengehalts ergeben, sind hier aufgelistet.

Wenn die Technik einmal beherrscht ist, kann sie innerhalb von drei Arbeitstagen durchgeführt werden. Daher hängt die Probendurchsatzrate davon ab, wie viele Proben gleichzeitig bearbeitet werden. Die Analyse von einem Dutzend Proben pro Woche in Duplikaten und mit isotopischen Informationen ist leicht erreichbar.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie die eindeutigen Schritte zur erfolgreichen Analyse pyrogener Kohlenstoffe auf spezifischer Verbindungsebene durchgeführt werden.