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

Das übergeordnete Ziel dieser molekularen Markermethode ist es, die pyrogene Kohlenstofffraktion in Umweltproben zu charakterisieren, zu quantifizieren und isotopisch zu analysieren. Diese Methode kann helfen, Schlüsselfragen in verschiedenen Bereichen zu beantworten, die von Archäologie und Umweltforensik bis hin zu Biokohle und Kohlenstoffkreislaufforschung reichen. Die Hauptvorteile dieser Technik sind die Detektion von pyrogenem Kohlenstoff über einen weiten Bereich des Verbrennungskontinuums.

Gleichzeitige Charakterisierung, Quantifizierung und Isotopenanalyse von pyrogenem Kohlenstoff. Und Anwendbarkeit auf eine sehr breite Palette von Umweltprobenmaterialien. Die Probenvorbereitung und Chromatographie wird Ulrich Hanke, ein Doktorand aus unserem Labor, vorführen.

Die anschliessende Isotopenanalyse der gereinigten Zielverbindungen zeigt Negar Haghipour, Laborkoordinator an der ETH Zürich. Um dieses Verfahren zu beginnen, wiegen Sie zuvor gefriergetrocknete und homogenisierte Proben in Quarzaufschlussröhrchen und decken Sie sie mit Aluminiumfolie gegen Staub ab. Verwenden Sie für das gesamte Verfahren nur saubere, entkalkte und kombinstische Glaswaren, gründlich gereinigte Werkzeuge sowie hochreines Wasser und Lösungsmittel in Chromatographiequalität.

Geben Sie zwei Milliliter 65%ige Salpetersäure in die Aufschlussröhrchen. Verwenden Sie einen Vortex-Mischer, um jede Probe gründlich zu benetzen. Führen Sie anschließend die Aufschlussröhrchen in eine Druckkammer ein.

Verschließen Sie die Druckkammer nach Anleitung und stellen Sie sie für acht Stunden in einen vorgeheizten Backofen bei 170 Grad Celsius. Nachdem Sie die Aufschlussröhrchen aus der gekühlten Druckkammer entfernt haben, filtrieren Sie die Proben mit Wasser in Messkolben unter Verwendung von Einweg-Glasfaserfiltern. Stellen Sie dann das Volumen mit Wasser auf 25 Milliliter ein.

Bereiten Sie für jede Probe zwei Glassäulen mit 11 Gramm Kationenaustauscherharz pro Säule vor. Konditionieren Sie das Harz in den Säulen, indem Sie sie nacheinander mit Wasser, zwei molaren Natriumhydroxid und zwei molaren Salzsäure spülen. Überprüfen Sie die Leitfähigkeit des Wassers.

Dieser wird nach seiner Konditionierung durch das Harz gespült. Übertragen Sie dann eine Hälfte der Probe auf jede Säule und spülen Sie sie fünfmal nacheinander mit 10 Millilitern Wasser aus. Anschließend die wässrigen Lösungen gefriertrocknen.

Zustand C18 Festphasen-Extraktionspatronen laut Hersteller-Bedienungsanleitung. Anschließend lösen Sie jeden gefriergetrockneten Rückstand in drei Millilitern Methanol und Wasser wieder auf. Eluieren Sie jede Hälfte der Probe über eine separate C18-Festphasen-Extraktionskartusche in 2,5-Milliliter-Reagenzgläser.

Spülen Sie dann die Kartuschen mit einem Milliliter Methanol und Wasser aus. Die Reagenzgläser werden mit den Probenlösungen mit einem auf 45 Grad Celsius erhitzten Vakuumkonzentrator und einem Vakuum von etwa 50 Millibar getrocknet. Nach dem Trocknen jeden Rückstand mit einem Milliliter Wasser wieder auflösen und mit einem Wirbelmischer mischen.

Übertragen Sie dann die Lösungen in 1,5-Milliliter-Autosampler-Fläschchen. Für die chromatographische Analyse bereiten Sie Lösungsmittel A vor, indem Sie 20 Milliliter 85%ige Orthophosphorsäure mit 980 Millilitern Wasser mischen und die Lösung durch einen Einweg-Glasfaserfilter mit Vakuum filtrieren. Bereiten Sie Standardlösungen von kommerziell erhältlichen Benzolpolycarbonsäuren von BPCAs her, um eine externe Standardkonzentrationsreihe herzustellen.

Führen Sie die Chromatographie durch und quantifizieren Sie die BPCA-Gehalte, indem Sie die jeweiligen BPCA-Peakbereiche mit den Messungen externer Standardreihen vergleichen. Die Reinheitsanforderungen für chemische und Laborgeräte sind besonders hoch für die verbindungsspezifische Kohlenstoff-14-Analyse von BPCAs. Blindbewertungen und Durchzugstests sind wichtig, um die potenzielle Quelle der Probenkontamination zu überwachen.

Wenn verbindungsspezifische Kohlenstoff-13- und Kohlenstoff-14-Analysen der pyrogenen Kohlenstofffraktion beabsichtigt sind, wiederholen Sie die Chromatographie mehrmals für jede Probe und sammeln Sie die einzelnen BPCAs in ausreichender Menge mit einem Fraktionssammler, der an die HPLC angeschlossen ist. Entfernen Sie das Lösungsmittel, indem Sie die Fraktionen mit einem sanften Stickstoffstrom abblasen und auf 70 Grad Celsius erhitzen. Bereiten Sie als Nächstes das oxidierende Reagenz vor, indem Sie zwei Gramm Natriumpersulfat in 15 Millilitern Wasser auflösen.

Löse jeden Rückstand mit vier Millilitern Wasser wieder auf und übertrage die Proben in gasdichte 12-Milliliter-Borosilikatfläschchen. Fügen Sie dann einen Milliliter Oxidationsreagenz hinzu und verschließen Sie jedes Fläschchen mit einer Standardkappe, die ein Butylkautschuk-Septum enthält. Spülen Sie die gasdichten Fläschchen mit den wässrigen Lösungen acht Minuten lang mit Helium, um Kohlendioxid aus der Durchstechflasche und der Lösung zu entfernen.

Anschließend oxidieren Sie die Proben in den gasdichten Fläschchen, indem Sie sie 60 Minuten lang auf 100 Grad Celsius erhitzen. Nachdem Sie die Proben auf Raumtemperatur abgekühlt haben, analysieren Sie das Kohlendioxid aus der Oxidation direkt auf einem Isotopenverhältnis-Massenspektrometer auf den Kohlenstoff-13-Gehalt und auf ein beschleunigtes Massenspektrometer auf den Kohlenstoff-14-Gehalt. Das beschriebene Verfahren ermöglicht die Baseline-Trennung aller BPCA-Zielverbindungen mittels HPLC und Chromatogramme der referenzierten Materialien Tramazem und Graskohle sind hier dargestellt.

Durch die Anpassung der Chromatographie-Parameter kann die Trennung weiter an spezifische Bedürfnisse angepasst werden. Eine quantitative Analyse der chromatographischen Materialien mit externen Standards sollte die hier dargestellten pyrogenen Kohlenstoffwerte ergeben. Die Kohlenstoff-13- und Kohlenstoff-14-Werte, die bei der Analyse von gereinigten BPCAs von referenzierten Materialien auf ihren Kohlenstoffisotopengehalt erhalten werden, sind hier aufgeführt.

Einmal gemeistert, kann diese Technik in drei Arbeitstagen durchgeführt werden. Daher ist der Probendurchsatz eine Frage davon, wie viele Proben gleichzeitig verarbeitet werden. Die Messung von einem Dutzend Proben pro Woche in Duplikaten und mit Isotopeninformationen ist leicht zu bewerkstelligen.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie die unbestreitbaren Schritte für die erfolgreiche Analyse von pyrogenem Kohlenstoff auf der verbindungsspezifischen Ebene durchführen können.