אפיון, כימות מתחם ספציפי ניתוח איזוטופי של Pyrogenic פחמן שימוש בנזן Polycarboxylic חומצות (BPCA)

המטרה הכללית של שיטת סמן מולקולרי זו היא לאפיין, לכמת ולנתח איזוטופית את פראקציית הפחמן הפירוגני (Pyrogenic Carbon) בדגימות סביבתיות. שיטה זו יכולה לסייע במענה על שאלות מפתח בתחומים שונים, החל מארכאולוגיה ופורנזיקה סביבתית, ועד למחקר על ביוצ'אר (biochar) ומחזור הפחמן. היתרונות העיקריים של טכניקה זו הם גילוי של פחמן פירוגני על פני טווח רחב של רצף השריפה.

אפיון, כימות ואנליזה איזוטופית סימולטנית של פחמן פירוגני. וכן התשמישות למגוון רחב מאוד של חומרי דגימה סביבתיים. את הכנת הדגימה והכרומטוגרפיה ידגים אולריך הנקה (Ulrich Hanke), סטודנט לתואר שני מהמעבדה שלנו.

הניתוח האיזוטופי העוקב של התרכובות מטרה המטוהרות יוצג על ידי Negar Haghipour, רכזת המעבדה ב-ETH Zurich. כדי להתחיל בהליך זה, שקלו דגימות שעברו הקפאה-ייבוש והומוגניזציה לתוך מבחנות עיכול קוורץ, וכסו אותן בנייר אלומיניום כדי למנוע חדירת אבק. השתמשו אך ורק בכלי זכוכית נקיים, דה-קלציפיים (decalcified) ובעלי עמידות תרמית, בכלים שנוקו ביסודיות, ובמים ובממסים בדרגת טהרה כרומטוגרפית גבוהה (ultra-pure) לאורך כל ההליך.

הוסיפו שני מיליליטרים של 65% nitric acid אל מבחנות העיכול. השתמשו בשייקר וורטקס (vortex mixer) כדי לסייע להרטבה יסודית של כל דגימה. לאחר מכן, הכניסו את מבחנות העיכול לתא לחץ.

סגור את תא הלחץ בהתאם למדריך והנח אותו בתנור שחומם מראש ל-170 degrees Celsius למשך שמונה שעות. לאחר הוצאת צינורות העיכול מתא הלחץ שהתקרר, סנן את הדגימות עם מים לתוך בקבוקים מדידיים (Volumetric flasks), תוך שימוש במסנני סיבי זכוכית חד-פעמיים. לאחר מכן, השלם את הנפח ל-25 milliliters בעזרת מים.

עבור כל דגימה, הכין שתי עמודי זכוכית עם 11 grams של שרף חילוף קטיונים לכל עמוד. התנה את השרף בתוך העמודים על ידי שטיפה רצופה במים, sodium hydroxide בריכוז two molar, ו-hydrochloric acid בריכוז two molar. בדוק את המוליכות של המים.

אותו שוטפים דרך השרף לאחר התניתו. לאחר מכן מעבירים חצי מהמדגם לכל עמודה, ושוטפים ברצף חמש פעמים עם 10 milliliters של מים. לאחר מכן מייבשים בהקפאה (freeze-dry) את התמיסות המימיות.

ה conditioned את עמודי חילוץ פאזה מוצקה מסוג C18 בהתאם למדריך ההוראות של היצרן. לאחר מכן, המיסו מחדש כל שארית לאחר ייבוש בהקפאה בשלושה מיליליטר של מתנול ומים. בצעו אלוציה של כל חצי מהמדגם דרך עמוד חילוץ פאזה מוצקה C18 נפרד אל תוך מבחנות בנפח 2.5 מיליליטר.

לאחר מכן, שטפו את העמודיות עם מיליליטר אחד של מתנול ומים. ייבשו את מבחנות הבדיקה עם תמיסות הדגימות באמצעות מרכז ריכוז בוואקום המחומם ל-45 °C, ובואקום של כ-50 millibar. לאחר הייבוש, המיסו שוב כל שארית במיליליטר אחד של מים וערבבו באמצעות מערבל וורטקס.

לאחר מכן, העבירו את התמיסות לבקבוקוני דגימה אוטומטיים (auto-sampler vials) בנפח 1.5 milliliter. לצורך הניתוח הכרומטוגרפי, הכינו את ממס A על ידי ערבוב של 20 milliliters של 85%orthophosphoric acid עם 980 milliliters של מים, וסננו את התמיסה דרך מסנן סיבי זכוכית חד-פעמי באמצעות ואקום. הכינו תמיסות סטנדרט של חומצות benzene polycarboxylic (BPCAs) הזמינות מסחרית כדי ליצור סדרת ריכוזי סטנדרט חיצוני.

בצע את הכרומטוגרפיה וכמת את תכני ה-BPCA, על ידי השוואת שטחי שיאי ה-BPCA המתאימים למדידות של סדרת סטנדרטים חיצוניים. דרישות הניקיון עבור הציוד הכימי והמעבדתי הן גבוהות במיוחד עבור אנליזה של פחמן-14 (Carbon-14) ספציפית לתרכובת של BPCAs. הערכת דגימות ריק (Blank) ובדיקות ניגוב (swipe tests) הן חשובות לניטור מקורות פוטנציאליים לזיהום הדגימה.

במידה ומתוכננים ניתוחים של Carbon-13 ו-Carbon-14 ספציפיים לתרכובות עבור פракציית הפחמן הפירוגנית, יש לחזור על הכרומטוגרפיה מספר פעמים עבור כל דגימה, ולאסוף את ה-BPCAs הבודדים בכמות מספיקה באמצעות אספן פראקציות המחובר ל-HPLC. יש להסיר את הממס על ידי ייבוש הפראקציות באמצעות זרם חנקן עדין, תוך חימום ל-70 °C. לאחר מכן, יש להכין את ריאגנט החמצון על ידי המסה של שני גרם של sodium persulfate ב-15 milliliters של מים.

המס מחדש כל שארית עם ארבעה מיליליטר של מים, והעבר את הדגימות לבקבוקי בורוסיליקט אטומים לגז בנפח 12 מיליליטר. לאחר מכן, הוסף מיליליטר אחד של ריאגנט מחמצן, וסגור כל בקבוק עם פקק סטנדרטי המכיל ספטום גומי בוטילי. נקה את הבקבוקים האטומים לגז המכילים את התמיסות המימיות באמצעות הליום למשך שמונה דקות כדי להסיר Carbon dioxide מהבקבוק ומהתמיסה.

לאחר מכן, חמצנו את הדגימות בבקבוקונים אטומים לגז על ידי חימום ב-100 °C למשך 60 דקות. לאחר קירור הדגימות לטמפרטורת החדר, נתחו ישירות את ה-Carbon dioxide מהחמצון באמצעות ספקטרומטר מסה ליחס איזוטופים לקביעת תכולת Carbon-13 ובספקטרומטר מסה מואץ לקביעת תכולת Carbon-14. הפרוצדורה המתוארת מאפשרת הפרדה בסיסית של כל תרכובות המטרה של ה-BPCA באמצעות HPLC, וכאן מוצגות כרומטוגרמות של חומרי הייחוס tramazem ו-grass-char.

על ידי כיוונון פרמטרי הכרומטוגרפיה ניתן לשנות את ההפרדה בהמשך עבור צרכים ספציפיים. ניתוח כמותי של הכרומטוגרמות של חומרי הייחוס באמצעות סטנדרטים חיצוניים אמור להניב את ערכי הפחמן הפירוגני המוצגים כאן. ערכי ה-Carbon-13 וה-Carbon-14 המתקבלים כאשר BPCAs מטוהרים של חומרי ייחוס מנותחים עבור תכולת האיזוטופים הפחמנית שלהם מפורטים כאן.

לאחר השליטה בטכניקה, ניתן לבצע אותה בשלושה ימי עבודה. לפיכך, תפוקת הדגימות תלויה במספר הדגימות המעובדות בו-זמנית. מדידה של תריסר דגימות בשבוע, בכפילות ועם מידע איזוטופי, היא יעדה שניתן להשיגה בקלות.

לאחר צפייה בסרטון זה, תרכשו הבנה מעמיקה של השלבים הכרחיים לביצוע ניתוח מוצלח של פחמן פירוגני ברמה ספציפית של תרכובות.