Caratterizzazione, quantificazione e specifici Compound isotopica analisi di Pirogenica di carbonio utilizzando Benzene Polycarboxylic Acidi (BPCA)
16 maggio 2016
Presentiamo il metodo dell'acido policarbossilico benzenico (BPCA) per valutare il carbonio pirogeno (PyC) nell'ambiente. L'approccio specifico del composto fornisce informazioni simultanee sulle caratteristiche, la quantità e la composizione isotopica (13C e 14C) di PyC.
L'obiettivo generale di questo metodo di marcatori molecolari è quello di caratterizzare, quantificare e analizzare isotopicamente la frazione di carbonio pirogenico in campioni ambientali. Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave in vari campi, che vanno dall'archeologia e dalla medicina legale ambientale, al biochar e alla ricerca sul ciclo del carbonio. I principali vantaggi di questa tecnica sono la rilevazione del carbonio pirogeno in un ampio intervallo del continuum di combustione.
Caratterizzazione, quantificazione e analisi isotopica simultanea del carbonio pirogeno. E applicabilità a una gamma molto ampia di materiali campione ambientali. A dimostrare la preparazione del campione e la cromatografia sarà Ulrich Hanke, uno studente laureato del nostro laboratorio.
La successiva analisi isotopica dei composti target purificati sarà mostrata da Negar Haghipour, coordinatore del laboratorio presso l'ETH di Zurigo. Per iniziare questa procedura, pesare i campioni precedentemente liofilizzati e omogeneizzati in provette di digestione al quarzo e coprire contro la polvere con un foglio di alluminio. Utilizzare solo vetreria pulita, decalcificata e combastica, strumenti accuratamente puliti e acqua e solventi per cromatografia ultrapura per l'intera procedura.
Aggiungere due millilitri di acido nitrico al 65% nelle provette di digestione. Utilizzare un miscelatore a vortice per facilitare la bagnatura accurata di ogni campione. Successivamente, inserire i tubi di digestione in una camera a pressione.
Chiudere la camera a pressione secondo il manuale e metterla in forno preriscaldato a 170 gradi Celsius per otto ore. Dopo aver rimosso i tubi di digestione dalla camera a pressione raffreddata, filtrare i campioni con acqua in matracci volumetrici, utilizzando filtri in fibra di vetro monouso. Quindi regolare il volume a 25 millilitri con acqua.
Per ogni campione, preparare due colonne di vetro con 11 grammi di resina a scambio cationico per colonna. Condizionare la resina all'interno delle colonne risciacquandole consecutivamente con acqua, due molari di idrossido di sodio e due molari di acido cloridrico. Controllare la conducibilità dell'acqua.
Che viene risciacquato attraverso la resina dopo il suo condizionamento. Quindi trasferire metà del campione su ciascuna colonna, risciacquare in sequenza cinque volte con 10 millilitri di acqua. Quindi liofilizzare le soluzioni acquose in seguito.
Condizione Cartucce di estrazione in fase solida C18 secondo il manuale di istruzioni del produttore. Successivamente, sciogliere nuovamente ogni residuo liofilizzato in tre millilitri di metanolo e acqua. Eluire ciascuna metà del campione su una cartuccia di estrazione in fase solida C18 separata in provette da 2,5 millilitri.
Quindi, sciacquare le cartucce con un millilitro di metanolo e acqua. Asciugare le provette con le soluzioni campione utilizzando un concentratore sottovuoto riscaldato a 45 gradi Celsius e con un vuoto di circa 50 millibar. Dopo l'essiccazione, sciogliere nuovamente ogni residuo con un millilitro d'acqua e mescolare con un miscelatore a vortice.
Quindi, trasferire le soluzioni in fiale di autocampionatore da 1,5 millilitri. Per l'analisi cromatografica, preparare il solvente A mescolando 20 millilitri di acido ortofosforico all'85% con 980 millilitri di acqua e filtrare la soluzione attraverso un filtro monouso in fibra di vetro utilizzando il vuoto. Preparare soluzioni standard di acidi policarbossilici benzenici di BPCA disponibili in commercio per produrre una serie di concentrazioni standard esterne.
Condurre la cromatografia e quantificare il contenuto di BPCA confrontando le rispettive aree di picco BPCA con le misurazioni di serie standard esterne. I requisiti di purezza per le apparecchiature chimiche e di laboratorio sono particolarmente elevati per l'analisi del carbonio-14 specifico del composto dei BPCA. La valutazione in bianco e i test a strisciamento sono importanti per monitorare la potenziale fonte di contaminazione del campione.
Se si intende effettuare analisi della frazione pirogena con carbonio-13 e carbonio-14 specifici per composti, ripetere la cromatografia più volte per ciascun campione e raccogliere i singoli BPCA in quantità sufficiente utilizzando un collettore di frazioni collegato all'HPLC. Rimuovere il solvente, soffiando le frazioni con un leggero flusso di azoto, riscaldandole a 70 gradi Celsius. Successivamente, preparare il reagente ossidante sciogliendo due grammi di persolfato di sodio in 15 millilitri di acqua.
Sciogliere nuovamente ogni residuo con quattro millilitri di acqua e trasferire i campioni in fiale di borosilicato a tenuta di gas da 12 millilitri. Quindi, aggiungere un millilitro di reagente ossidante e chiudere ogni fiala con un tappo standard contenente un setto di gomma butilica. Spurgare le fiale a tenuta di gas contenenti le soluzioni acquose con elio per otto minuti per rimuovere l'anidride carbonica dalla fiala e dalla soluzione.
Successivamente, ossidare i campioni nelle fiale a tenuta di gas riscaldandoli a 100 gradi Celsius per 60 minuti. Dopo aver lasciato raffreddare i campioni a temperatura ambiente, analizzare direttamente l'anidride carbonica derivante dall'ossidazione su uno spettrometro di massa isotopico per il contenuto di carbonio-13 e su uno spettrometro di massa accelerato per il contenuto di carbonio-14. La procedura descritta consente la separazione di base di tutti i composti target del BPCA mediante HPLC e di seguito sono mostrati i cromatogrammi dei materiali di riferimento tramazem e grass-char.
Regolando i parametri cromatografici, la separazione può essere ulteriormente modificata per esigenze specifiche. L'analisi quantitativa dei cromatogrammi dei materiali di riferimento con standard esterni dovrebbe fornire i valori di carbonio pirogenico qui illustrati. I valori di Carbonio-13 e Carbonio-14 ottenuti quando i BPCA purificati di materiali di riferimento vengono analizzati per il loro contenuto isotopico di carbonio sono elencati qui.
Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere eseguita in tre giorni lavorativi. Pertanto, la produttività dei campioni è una questione di quanti campioni vengono elaborati contemporaneamente. È possibile misurare una dozzina di campioni a settimana in duplicati e con informazioni isotopiche.
Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come eseguire i passaggi indubitabili per il successo dell'analisi del carbonio pirogeno a livello specifico del composto.
Panoramica
Questo articolo presenta il metodo dell'acido policarbossilico del benzene (BPCA) per valutare il carbonio pirogeno (PyC) in campioni ambientali. Il metodo permette la caratterizzazione, la quantificazione e l'analisi isotopica simultanea del PyC, fornendo preziose informazioni in vari campi di ricerca.
Componenti chiave dello studio
Area della scienza
- Scienze ambientali
- Ricerca sul ciclo del carbonio
- Archeologia
Contesto
- Il carbonio pirogeno è un componente significativo del ciclo del carbonio.
- Comprenderne le caratteristiche e la composizione isotopica è cruciale per varie indagini scientifiche.
- Il metodo BPCA offre un approccio specifico per il composto per analizzare il PyC.
- Questa tecnica è applicabile a un'ampia gamma di campioni ambientali.
Obiettivo dello studio
- Sviluppare un metodo per la caratterizzazione e la quantificazione del carbonio pirogeno.
- Fornire un'analisi isotopica del PyC per migliorare la comprensione in molteplici campi di ricerca.
- Dimostrare le tecniche di preparazione del campione e le tecniche analitiche coinvolte nel metodo BPCA.
Metodi utilizzati
- Preparazione del campione utilizzando tubi di digestione al quarzo e acido nitrico.
- Analisi cromatografica utilizzando l'HPLC per la quantificazione del BPCA.
- Analisi isotopica del carbonio-13 e carbonio-14 utilizzando la spettrometria di massa.
- Uso di reagenti ad alta purezza e attenta manipolazione del campione per evitare contaminazioni.
Risultati principali
- Il metodo BPCA separa e quantifica con successo i composti del carbonio pirogeno.
- L'analisi isotopica fornisce valori distinti di carbonio-13 e carbonio-14 per i campioni analizzati.
- Il metodo dimostra un elevato potenziale di throughput per l'elaborazione simultanea dei campioni.
- I risultati indicano l'efficacia del metodo BPCA in vari contesti ambientali.
Conclusioni
- Il metodo BPCA è uno strumento robusto per analizzare il carbonio pirogeno nei campioni ambientali.
- Migliora la comprensione del ciclo del carbonio e delle sue implicazioni in diversi campi.
- Le future applicazioni di questo metodo potrebbero chiarire ulteriormente il ruolo del carbonio pirogeno nell'ambiente.
Domande frequenti
Executive Industry Relevance
Reliable detection and quantification of pyrogenic carbon (PyC) is critical for understanding its role in the global carbon cycle and environmental persistence. The BPCA method enables compound-specific characterization, quantification, and isotopic analysis of PyC across a broad combustion continuum, supporting mechanistic de-risking in carbon cycling research and predictive modeling of environmental fate. This capability enhances target validation and assay development for studies investigating PyC's impact on soil health, carbon sequestration, and climate feedback loops.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of PyC formation pathways and structural characteristics across the combustion continuum.
- Operational Value: Provides reproducible molecular markers for consistent PyC detection in complex environmental matrices.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative BPCA profiles that reflect PyC abundance and condensation degree.
- Operational Value: Delivers high-throughput, standardized chromatographic outputs suitable for assay standardization and cross-lab comparability.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Supports isotopic tracing (13C/14C) to elucidate PyC sources, turnover rates, and environmental fate in disease-relevant systems.
- Operational Value: Facilitates longitudinal tracking of PyC in preclinical models through compound-specific isotopic analysis.
Pipeline & Workflow Integration
The BPCA method integrates into environmental discovery workflows by enabling hypothesis testing on PyC sources and transformation processes, with quantitative and isotopic outputs informing downstream risk assessment and model refinement.
- Discovery Biology: Supports mechanistic de-risking by linking PyC structural features to environmental persistence and bioavailability.
- Screening: Delivers reproducible quantification of PyC across sample types, enabling reliable compound evaluation in screening campaigns.
- Analytics: Provides compound-specific isotopic measurements (13C/14C) that allow teams to trace PyC origins and turnover in experimental systems.
- Translational Research: Connects discovery-phase PyC characterization to preclinical continuity through isotopic tracing in model systems.
- Enterprise Reuse: Establishes a standardized, modular platform for PyC analysis adaptable to diverse sample types and research objectives.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in PyC source apportionment and reduction of mechanistic ambiguity in carbon cycling models.
- Operational Value: Standardization, reproducibility, and scalability across environmental sample matrices.
- Strategic Value: Better go/no-go decisions in carbon sequestration projects and reduced late-stage uncertainty in environmental risk assessments.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization of PyC mitigation strategies based on isotopic and structural fingerprints.
Implementation Considerations
- Requires expertise in organic geochemistry, chromatographic separation, and isotope ratio mass spectrometry.
- Necessitates high-purity glassware, ultra-clean solvents, and contamination-controlled environments for isotopic fidelity.
- Demands cross-team standardization of sample preparation, digestion, and extraction protocols.
- Involves adaptation considerations for varying PyC sources (e.g., biomass vs. fossil fuel combustion) and matrices (soil, sediment, aerosols).
- Practical limitations include blank correction requirements and the need for rigorous contamination monitoring during compound-specific 14C analysis.
Biopharma FAQs
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
