Caracterización, cuantificación y compuesto específico análisis isotópico de carbono Pirogenica utilizando benceno policarboxílicos (BPCA)
16 de mayo de 2016
Presentamos el método del ácido policarboxílico de benceno (BPCA) para evaluar el carbono pirogénico (PyC) en el medio ambiente. El enfoque específico del compuesto proporciona de manera única información simultánea sobre las características, la cantidad y la composición isotópica (13C y 14C) de PyC.
El objetivo general de este método con marcadores moleculares es caracterizar, cuantificar y analizar isotópicamente la fracción de Carbono pirogénico en muestras ambientales. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en diversos campos, que van desde la arqueología y la ciencia forense ambiental hasta la investigación sobre biochar y el ciclo del Carbono. Las principales ventajas de esta técnica son la detección del Carbono pirogénico a lo largo de un amplio rango del continuo de combustión.
Caracterización, cuantificación y análisis isotópico simultáneos de carbono pirogénico. Y aplicabilidad a una amplia gama de materiales de muestras ambientales. La preparación de muestras y la cromatografía serán demostradas por Ulrich Hanke, un estudiante de posgrado de nuestro laboratorio.
El posterior análisis isotópico de los compuestos diana purificados será mostrado por Negar Haghipour, coordinadora del laboratorio en ETH Zurich. Para comenzar este procedimiento, pese muestras previamente liofilizadas y homogeneizadas en tubos de digestión de cuarzo, y cúbralas contra el polvo con papel de aluminio. Utilice únicamente material de vidrio limpio, descalcificado y combástico, herramientas limpiadas minuciosamente, y agua y disolventes de grado cromatográfico ultrapuros durante todo el procedimiento.
Agregue dos mililitros de ácido nítrico al 65 % en los tubos de digestión. Utilice un mezclador de vórtice para ayudar a humedecer completamente cada muestra. A continuación, inserte los tubos de digestión en una cámara de presión.
Cierre la cámara de presión según el manual y colóquela en un horno precalentado a 170 grados Celsius durante ocho horas. Después de retirar los tubos de digestión de la cámara de presión enfriada, filtre las muestras con agua en matraces aforados, utilizando filtros desechables de fibra de vidrio. Luego, ajuste el volumen a 25 mililitros con agua.
Para cada muestra, prepare dos columnas de vidrio con 11 gramos de resina de intercambio catiónico por columna. Condicione la resina dentro de las columnas lavándolas sucesivamente con agua, hidróxido de sodio dos molar y ácido clorhídrico dos molar. Verifique la conductividad del agua.
Que se enjuaga a través de la resina después de su acondicionamiento. A continuación, transfiera una mitad de la muestra a cada columna y enjuague sucesivamente cinco veces con 10 mililitros de agua. Luego, liofilice las soluciones acuosas posteriormente.
Condicionar los cartuchos de extracción en fase sólida C18 según el manual de instrucciones del fabricante. A continuación, volver a disolver cada residuo liofilizado en tres mililitros de metanol y agua. Eluir cada mitad de la muestra a través de un cartucho separado de extracción en fase sólida C18 en tubos de ensayo de 2,5 mililitros.
A continuación, enjuague los cartuchos con un mililitro de metanol y agua. Seque los tubos de ensayo con las soluciones de muestra utilizando un concentrador al vacío calentado a 45 grados Celsius y con un vacío de aproximadamente 50 milibares. Después del secado, vuelva a disolver cada residuo con un mililitro de agua y mezcle con un mezclador de vórtice.
Luego, transfiera las soluciones a viales de 1,5 mililitros para auto-muestreador. Para el análisis cromatográfico, prepare el disolvente A mezclando 20 mililitros de ácido ortofosfórico al 85 % con 980 mililitros de agua y filtre la solución a través de un filtro desechable de fibra de vidrio utilizando vacío. Prepare soluciones estándar de ácidos benceno policarboxílicos disponibles comercialmente (BPCAs) para producir una serie de concentraciones estándar externa.
Realice la cromatografía y cuantifique los contenidos de BPCA comparando las áreas respectivas de los picos de BPCA con las mediciones de una serie de estándares externos. Los requisitos de pureza para productos químicos y equipos de laboratorio son especialmente altos para el análisis específico de compuestos de Carbono-14 en BPCA. La evaluación de blancos y las pruebas de hisopado son importantes para monitorear posibles fuentes de contaminación de las muestras.
Si se pretenden análisis específicos del compuesto de Carbono-13 y Carbono-14 de la fracción de carbono pirogénico, repita la cromatografía varias veces para cada muestra y recoja los BPCA individuales en cantidad suficiente utilizando un colector de fracciones conectado al HPLC. Elimine el disolvente, evaporando las fracciones con un flujo suave de nitrógeno mientras se calientan a 70 grados Celsius. A continuación, prepare el reactivo oxidante disolviendo dos gramos de persulfato de sodio en 15 mililitros de agua.
Reconstituir cada residuo con cuatro mililitros de agua y transferir las muestras a viales de borosilicato herméticos de 12 mililitros. A continuación, añadir un mililitro de reactivo oxidante y cerrar cada vial con un tapón estándar que contenga una septa de caucho de butilo. Purificar los viales herméticos que contienen las soluciones acuosas con helio durante ocho minutos para eliminar el dióxido de carbono del vial y de la solución.
A continuación, oxide las muestras en viales herméticos calentándolas a 100 grados Celsius durante 60 minutos. Después de permitir que las muestras se enfríen a temperatura ambiente, analice directamente el dióxido de carbono proveniente de la oxidación en un espectrómetro de relación isotópica para el contenido de carbono-13 y en un espectrómetro de masa acelerado para el contenido de carbono-14. El procedimiento descrito permite la separación básica de todos los compuestos diana BPCA mediante HPLC, y aquí se muestran los cromatogramas de los materiales de referencia tramazem y carbón de pasto.
Al ajustar los parámetros de cromatografía, la separación puede modificarse aún más según necesidades específicas. El análisis cuantitativo de los cromatogramas de los materiales de referencia mediante estándares externos debería proporcionar los valores de carbono pirogénico mostrados aquí. Los valores de Carbono-13 y Carbono-14 que se obtienen al analizar el contenido isotópico de carbono de los BPCA purificados de los materiales de referencia se enumeran aquí.
Una vez dominada, esta técnica puede realizarse en tres días laborables. Por lo tanto, la capacidad de procesamiento de muestras depende de la cantidad de muestras que se procesen simultáneamente. Es fácilmente alcanzable medir una docena de muestras por semana en duplicados y con información isotópica.
Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo realizar los pasos indudables para el análisis exitoso del carbono pirogénico a nivel específico del compuesto.
Descripción general
Este artículo presenta el método de ácido policarboxílico del benceno (BPCA) para evaluar el carbono pirogénico (PyC) en muestras ambientales. El método permite la caracterización, cuantificación y análisis isotópico simultáneos de PyC, proporcionando información valiosa en diversos campos de investigación.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Ciencias ambientales
- Investigación sobre el ciclo del carbono
- Arqueología
Antecedentes
- El carbono pirógeno es un componente significativo del ciclo del carbono.
- Comprender sus características y composición isotópica es fundamental para diversas investigaciones científicas.
- El método BPCA ofrece un enfoque específico por compuestos para analizar el carbono pirógeno.
- Esta técnica es aplicable a una amplia gama de muestras ambientales.
Objetivo del estudio
- Desarrollar un método para la caracterización y cuantificación del carbono pirogénico.
- Proporcionar el análisis isotópico del CP para mejorar la comprensión en múltiples campos de investigación.
- Mostrar las técnicas de preparación de muestras y análisis involucradas en el método BPCA.
Métodos Utilizados
- Preparación de muestras utilizando tubos de digestión de cuarzo y ácido nítrico.
- Análisis cromatográfico mediante HPLC para la cuantificación de BPCA.
- Análisis isotópico de carbono-13 y carbono-14 mediante espectrometría de masas.
- Uso de reactivos de alta pureza y manejo cuidadoso de las muestras para evitar contaminación.
Resultados principales
- El método BPCA separa y cuantifica con éxito los compuestos de carbono pirogénico.
- El análisis isotópico proporciona valores distintos de carbono-13 y carbono-14 para las muestras analizadas.
- El método demuestra un alto potencial de rendimiento para el procesamiento simultáneo de muestras.
- Los resultados indican la eficacia del método BPCA en diversos contextos ambientales.
Conclusiones
- El método BPCA es una herramienta robusta para analizar el carbono pirogénico en muestras ambientales.
- Mejora la comprensión del ciclo del carbono y sus implicaciones en diferentes campos.
- Las aplicaciones futuras de este método podrían esclarecer aún más el papel del carbono pirogénico en el medio ambiente.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
La detección y cuantificación confiable del carbono pirogénico (PyC) es fundamental para comprender su papel en el ciclo global del carbono y su persistencia ambiental. El método BPCA permite la caracterización específica por compuestos, la cuantificación y el análisis isotópico del PyC a lo largo de un amplio continuo de combustión, apoyando la reducción mecanicista de riesgos en la investigación del ciclo del carbono y la modelización predictiva del destino ambiental. Esta capacidad mejora la validación de objetivos y el desarrollo de ensayos para estudios que investigan el impacto del PyC en la salud del suelo, la secuestración de carbono y los bucles de retroalimentación climática.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Valor científico: Permite investigar las vías de formación del PyC y sus características estructurales a lo largo del continuo de combustión.
- Valor operativo: Proporciona marcadores moleculares reproducibles para la detección consistente del PyC en matrices ambientales complejas.
Desarrollo de Cribado y Ensayos
- Valor científico: Genera perfiles cuantitativos de BPCA que reflejan la abundancia y el grado de condensación de PyC.
- Valor operativo: Proporciona resultados cromatográficos estandarizados de alto rendimiento, adecuados para la estandarización de ensayos y la comparabilidad entre laboratorios.
Investigación Traductacional y Preclínica
- Valor científico: Apoya el rastreo isotópico (13C/14C) para elucidar las fuentes de PyC, tasas de renovación y destino ambiental en sistemas relacionados con enfermedades.
- Valor operativo: Facilita el seguimiento longitudinal de PyC en modelos preclínicos mediante análisis isotópico específico de compuestos.
Integración de la canalización y flujo de trabajo
El método BPCA se integra en los flujos de trabajo de descubrimiento ambiental al permitir la prueba de hipótesis sobre fuentes de PyC y procesos de transformación, con resultados cuantitativos e isotópicos que informan la evaluación de riesgos posterior y el perfeccionamiento de modelos.
- Biología del Descubrimiento: Apoya la reducción de riesgos mecanicistas al vincular las características estructurales del PyC con su persistencia ambiental y biodisponibilidad.
- Selección: Ofrece una cuantificación reproducible del PyC en diversos tipos de muestras, lo que permite una evaluación confiable de compuestos en campañas de selección.
- Análisis: Proporciona mediciones isotópicas específicas del compuesto (13C/14C) que permiten a los equipos rastrear los orígenes y la renovación del PyC en sistemas experimentales.
- Investigación Traductiva: Conecta la caracterización del PyC en fase de descubrimiento con la continuidad preclínica mediante el rastreo isotópico en sistemas modelo.
- Reutilización Empresarial: Establece una plataforma estandarizada y modular para el análisis de PyC, adaptable a diversos tipos de muestras y objetivos de investigación.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Confianza predictiva en la asignación de fuentes de carbono pirogénico (PyC) y reducción de la ambigüedad mecanicista en los modelos de ciclaje del carbono.
- Valor operativo: Normalización, reproducibilidad y escalabilidad en distintas matrices de muestras ambientales.
- Valor estratégico: Mejores decisiones de avance o detención en proyectos de secuestro de carbono y reducción de la incertidumbre en fases avanzadas de las evaluaciones de riesgo ambiental.
- Impacto en la cartera: Priorización ajustada al riesgo de estrategias de mitigación de PyC basada en huellas isotópicas y estructurales.
Consideraciones de Implementación
- Requiere experiencia en geoquímica orgánica, separación cromatográfica y espectrometría de relación isotópica con espectrometría de masas.
- Necesita material de vidrio de alta pureza, disolventes ultralimpios y ambientes controlados para evitar contaminación, a fin de garantizar la fidelidad isotópica.
- Exige estandarización entre equipos de trabajo en los protocolos de preparación, digestión y extracción de muestras.
- Implica consideraciones de adaptación para distintas fuentes de PyC (por ejemplo, combustión de biomasa frente a combustibles fósiles) y matrices (suelo, sedimento, aerosoles).
- Las limitaciones prácticas incluyen la necesidad de corrección de blancos y un riguroso monitoreo de contaminación durante el análisis isotópico específico de compuestos de 14C.
Preguntas frecuentes sobre biofármacos
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
