מחקר זה מדגים גישה למדידת ריכוזי גז מתאן בדגימות מימיות באמצעות אנלייזרים אופטיים ניידים המחוברים לתא הזרקה בלולאה סגורה. התוצאות דומות לכרומטוגרפיית גז קונבנציונלית, ומציגות חלופה מעשית ובעלות נמוכה המתאימה במיוחד למחקרי שדה מרוחקים.
הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.
מאמר שיטה
מחקר זה מדגים גישה למדידת ריכוזי גז מתאן בדגימות מימיות באמצעות אנלייזרים אופטיים ניידים המחוברים לתא הזרקה בלולאה סגורה. התוצאות דומות לכרומטוגרפיית גז קונבנציונלית, ומציגות חלופה מעשית ובעלות נמוכה המתאימה במיוחד למחקרי שדה מרוחקים.
מדידת שטפי גזי חממה (GHG) ומאגרים במערכות אקולוגיות הופכת נפוצה יותר ויותר במחקרים אקולוגיים בשל הרלוונטיות שלהם לשינויי אקלים. בעזרתו גדל גם הצורך בפלטפורמות אנליטיות המותאמות למדידת מאגרים ושטפים שונים בתוך קבוצות מחקר. מחקר זה נועד לפתח נוהל לשימוש במנתחי גז ניידים מבוססי ספקטרוסקופיה אופטית, שתוכננו ושווקו במקור למדידות שטף גזים, למדידת ריכוזי גזי חממה בדגימות מימיות. הפרוטוקול כולל את טכניקת שיווי המשקל המסורתית של מרווח הראש ואחריה הזרקת תת-דגימת גז Headspace לתוך תא המחובר דרך לולאה סגורה ליציאות הכניסה והיציאה של מנתח הגז. התא מיוצר מצנצנת בנאי גנרית וציוד מעבדה פשוט, והוא פתרון אידיאלי לדגימות שעשויות לדרוש דילול לפני ההזרקה. ריכוזי המתאן הנמדדים בתא נמצאים בקורלציה הדוקה (r2 > 0.98) עם ריכוזים שנקבעו בנפרד באמצעות כרומטוגרפיה של גז - זיהוי יינון להבה (GC-FID) על תת-דגימות מאותם בקבוקונים. הנוהל רלוונטי במיוחד למחקרי שדה באזורים מרוחקים שבהם ציוד וציוד כרומטוגרפיה אינם זמינים, ומציע פתרון מעשי, זול ויעיל יותר למדידת ריכוזי מתאן וגזי חממה מומסים אחרים במערכות ימיות.
מערכות אקולוגיות באינטרפאזה היבשתית-ימית, כמו אדמות ביצות, אגמים, מאגרים, נהרות ונחלים, הן כיורים חשובים ומקורות של גזי חממה (GHG) כמו פחמן דו-חמצני (CO2), מתאן (CH4) ותחמוצת החנקן (N2O)1,2. CH4, באופן ספציפי, מיוצר במהלך נשימה אנאירובית בחללי הנקבוביות הרוויות של נקבוביות המשקעים. ברגע שהוא מיוצר, חלק מתחמצן והופך ל-CO2, בעוד שהשאר בסופו של דבר יתפזר דרך עמוד המים והצמחייה או יתפוצץ החוצה לבועות3. ריכוז CH4 במים הרווים את נקבוביות המשקעים (כלומר, מי נקבוביות) בזמן נתון מציע הצצה לאיזון בין CH4 המיוצר, הנצרך והמועבר4. כאשר נמדדים על פני פרופילים אנכיים או זמן, ריכוז מי הנקבוביות מאפשר גם לזהות אזורים פעילים יותר בייצור וצריכה של CH4 והשונות העונתית שלהם.
באופן מסורתי, השיטות לקביעת ריכוז גזי החממה ממי נקבוביות במערכות אקולוגיות כוללות עיבוד דגימות מים שנאספו בשדה כדי לאזן גזים במרחב ראש שנוצר. לאחר מכן, מרחב הראש מנותח באמצעות כרומטוגרפיית גז כדי לקבוע את הריכוזים5. בעוד ששיטה זו מיושמת באופן נרחב במחקרים אקולוגיים, היא דורשת מערכות כרומטוגרפיה של גז וזיהוי יינון להבה (GC-FID) הכרוכות בהקצאת שטח מעבדה קונבנציונלי ורמה גבוהה של ידע מומחה לכיול ותפעול (לדוגמה6). זה גם דורש שימוש בחומרים מתכלים מיוחדים, כגון מכלים גדולים של גזים נשאים (כלומר, חנקן (N2) והליום (He)), שאינם זמינים במקומות מרוחקים. דרישות אלו והלוגיסטיקה הנלווית של הובלת הדגימה למעבדה עשויות להגביל את תכנון הדגימה ובמקרים מסוימים להגביל את היקף המחקר כאשר ציוד כרומטוגרפיה אינו זמין.
מחקר זה נועד לפתח שיטה חלופית למדידת ריכוזי גזי חממה מומסים מדגימות חלל ראש של תמיסות מימיות באמצעות מנתחי גז ניידים מבוססי ספקטרוסקופיה אופטית. סוג זה של מנתח גז אופטי הוא אלטרנטיבה חסכונית למערכות GC-FID סטנדרטיות, והניידות שלו הופכת אותו לבחירה אידיאלית עבור יישומי עבודת שטח. מנתחי גז ניידים מבוססי ספקטרוסקופיה אופטית מייצרים מדידות ריכוז גז בתדר גבוה (כלומר, ~ 1 שניות) עם זמני תגובה של 2 - 5 שניות, תלוי במותגים ובדגמים. מכשירים אלה מתוכננים ומשווקים בעיקר לקביעת שטפי גז ממשטחים פולטי גזי חממה כמו קרקעות, מים וצמחייה 7,8,9. מנתחים אופטיים מאפשרים חישוב שטף ממדידות ריכוז רציפות בתאי מרווח ראש במצב לא יציב הפרוסים על פני המשטחים הפולטים המעניינים. בשימוש המיועד הרגיל שלהם עם תאי שטח, המדידות בתדירות גבוהה של קצב השינוי בריכוזים שנצפו בתא וממדי התא, הלחץ והטמפרטורה הידועים מאפשרים לפרש את הנתונים הללו לגבי קצב הפליטה (או הספיגה) לשטח פנים (כלומר, שטפי פני השטח)10. עם זאת, מנתחי גז ניידים אינם מצוידים ואינם מותאמים לריכוזים מומסים במדיה מימית, מה שמחייב התאמות ופרשנויות נוספות לסוג זה של ניתוח.
תוך מינוף הדגמות קודמות של שימוש במנתחים אופטיים לקביעת ריכוזים בדגימות בדידות ממרווחי ראש8, תכננו תא קטן וסגור (כלומר, ללא משטחים פולטים) המתחבר למנתח בלולאה סגורה. השינוי בריכוזים לאחר הזרקת תת-דגימת הגז של חלל הראש, ואחריו חישובי דילול, מאפשר לקבוע את ריכוזי ה-headspace המקורי. הדיוק של גישה זו הוערך על ידי השוואת תוצאותיה לאלו שהתקבלו באמצעות GC-FID באותן דגימות. השיטה מודגמת עוד יותר באמצעות מקרה שימוש שניתח את הפרופילים האנכיים של CH4 בדגימות מי נקבוביות שנאספו מאתרי ניסוי בביצת מים מתוקים בלואיזיאנה.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
1. דגימה וניתוח מי נקבוביות
2. מדידת ריכוז גזי חממה
משוואה [1]
[2]
[3]
[4]
[5]3. ולידציה מול מדידות כרומטוגרפיה סטנדרטיות
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
מנתח אופטי לעומת כרומטוגרפיית גז
התוצאות שהתקבלו באמצעות כרומטוגרפיית גז והאנלייזר האופטי עבור שלוש קבוצות התקנים הראו התאמות ליניאריות טובות (כלומר, r2 > 0.98) עם שיפועים קרובים לאחד (איור 4). שיפועי הרגרסיות בשלושת הניסויים היו דומים סטטיסטית (F(2) = 0.478, p = 0.623), מה שמרמז על יכולת השחזור של התוצאות. חשוב לציין כי השיפועים בכל שלושת המקרים היו גדולים מאחד, מה שמצביע על כך שבממוצע ניתן לצפות להערכת חסר קלה של ריכוזי הגזים שנמדדו באמצעות האנליי...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
מחקר זה הדגים את הישימות של מנתחי גז ניידים מבוססי ספקטרוסקופיה אופטית בשילוב עם תא הזרקה בהתאמה אישית לניתוח מרווחי ראש שנוצרו מדגימות מים. ההדגמה התמקדה ב-CH4, אך ניתן ליישם את הפרוטוקול לניתוח גזי חממה רלוונטיים אחרים כמו CO2 ו-N2O8. המטרה הייתה להרחיב את ההערכות השיטתיות הקודמות של מערכות לולאה סגורה אלה המייצגות פלטפורמה אנליטית חלופית לכרומטוגרפיית גז קונבנציונלית במחקרי מדידת ריכוז גזי חממה.
בדומה...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
המחברים מצהירים שאין ניגודי אינטרסים.
עבודה זו מומנה באמצעות פרסי DOE DE-SC0021067, DE-SC0023084 ו-DE-SC0022972. נתוני ריכוז מי הנקבוביות של האתרים שנדגמו בביצה זמינים לציבור בארכיון נתוני ESS-DIVE (https://data.ess-dive.lbl.gov/view/doi:10.15485/1997524, גישה אליו ב-21 ביוני 2024)
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| 1/4 אינץ' תעודת זהות x 3/8 אינץ' OD צינורות ויניל שקופים הום | דיפו | מק"ט # 702098 | השתמש כדי לחבר פקקי עצירה וצינורות המחוברים לכלי. שתי חתיכות קצרות (~4 ס"מ). |
| 5/16 - 5/8 אינץ' צינור נירוסטה Clamp | Everbilt | 6260294 | השתמש כדי לאבטח צינורות המחברים את שסתומי תא העצירה והצינורות המחוברים למכשיר. |
| צינור חצי שקוף טפלון PFA עמיד בפני סדקים לכימיקלים, 5/32 אינץ' ID, 1/4 אינץ' OD | McMaster-Carr | 51805K86 | השתמש כדי לחבר את תא ההזרקה ליציאות הכניסה והיציאה של המכשיר. השתמשנו בשני צינורות באורך 0.68 מ' בניסוי שלנו. |
| קדחו עם מקדח מדרגות טיטניום | חברות | מרובות השתמשו כדי לקדוח את החורים למחיצה ולמעצורים במכסה המתכתי של הצנצנת. | |
| מחיצת בוטיל הומו (פקק) | Weathon Microliter | 20-0025-B | השתמש כיציאת הזרקה וכמחיצת בקבוקון (אם תואם). |
| בקבוקוני מרווח ראש 20 מ"ל (23x75 מ"מ), שקוף, מלחץ תחתון מעוגל | Restek | 21162 | השתמש לאחסון דגימת מרווח הראש. |
| פלדה כבדה בונד אפוקסי גורילהוולד | גורילה | 4330101 | השתמש להדבקת שסתומי פקק ומחיצה למכסה המתכתי של הצנצנת. |
| מחטים היפודרמיות | Air-Tite מוצרים ושות' | N221 | השתמש כדי להפיק מים מבקבוקוני שדה, להזריק דגימת חלל בבקבוקון ולהזריק תת-דגימה לתא ההזרקה. |
| צנצנת מייסון (12 אונקיות) | כדור, קר, ג'ארדן | ניתן לבחור נפחי תא גדולים או קטנים יותר בהתאם לריכוזי הדגימה. | |
| מנתח גז מבוסס ספקטרוסקופיה אופטית | מספר חברות | Picarro G4301, Licor 7810, Licor 7820, ABB GLA131-GGA | אלו הן כמה דוגמאות ספציפיות למנתחים שניתן לחבר לתא ההזרקה. אנו מכירים בכך שזו אינה רשימה נרחבת ומנתחי ספקטרוסקופיה אופטית אחרים עשויים להתאים גם הם לשיטה. |
| שסתום Stopcock | DWK Life Sciences | 420163-0001 | שמור על השסתומים פתוחים במהלך פעולה רגילה. |
| מזרק (2.5 מ"ל) | Air-Tite Products Co. | R2 | השתמש כדי לחלץ תת-דגימות מבקבוקוני מרווח הראש ולהזריק אותן לתא הכניסה לניתוח. |
| מזרק (30 מ"ל) | Air-Tite Products Co. | R30HJ | השתמש כדי ליצור מרווח ראש לניתוח גז. |
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.