特徴づけ、定量化およびベンゼンポリカルボン酸を使用した熱分解炭素の化合物固有の同位体分析（BPCA）

この分子マーカー法の全般的な目的は、環境試料中のPyrogenic Carbon画分を特性評価、定量化し、同位体分析することです。この手法は、考古学や環境フォレンジックから、バイオ炭や炭素循環研究に至るまで、様々な分野における重要な疑問への回答に寄与します。本技術の主な利点は、燃焼連続体における広範囲のPyrogenic Carbonを検出できることです。

熱分解性炭素の同時特性評価、定量、および同位体分析について、そして非常に広範な環境試料への適用性について解説します。試料調製およびクロマトグラフィーの実演は、当研究室の大学院生であるUlrich Hankeが行います。

精製された標的化合物のその後の同位体分析については、ETH ZurichのラボコーディネーターであるNegar Haghipourが解説します。この手順を開始するには、あらかじめ凍結乾燥し均質化した試料を石英分解チューブに量り取り、アルミホイルで覆って防塵します。全工程において、洗浄済みで脱灰された耐熱ガラス器具、十分に洗浄したツール、および超純水およびクロマトグラフィーグレードの溶媒のみを使用してください。

分解管に65% 硝酸を2 mL加えます。ボルテックスミキサーを用いて、各試料を十分に濡らしてください。その後、分解管を圧力室に挿入します。

マニュアルに従って加圧室を密閉し、170 °Cに予熱したオーブンに8時間置きます。冷却した加圧室から分解チューブを取り出し、使い捨てのガラスフィルターを用いて、試料を水でメスフラスコにろ過します。その後、水を用いて25 mLに定容します。

各サンプルにつき、1カラムあたり11 gの陽イオン交換樹脂を入れたガラスカラムを2本用意します。水、2 M水酸化ナトリウム、2 M塩酸の順に連続的に洗浄し、カラム内の樹脂をコンディショニングします。水の導電率を確認してください。

コンディショニング後、樹脂を洗浄します。次に、サンプルの半分ずつを各カラムに転送し、10 mLの水で順次5回洗浄します。その後、得られた水溶液を凍結乾燥させます。

製造元の取扱説明書に従って、C18固相抽出カートリッジをコンディショニングします。その後、各凍結乾燥残渣を3 mLのメタノールと水で再溶解させます。サンプルの半分ずつを、それぞれ別のC18固相抽出カートリッジに通し、2.5 mL試験管に溶出させます。

次に、カートリッジを1 mLのメタノールおよび水で洗浄します。試料溶液が入った試験管を、温度45 °C、真空度約50 mbarに設定した真空凝縮器で乾燥させます。乾燥後、各残渣を1 mLの水で再溶解させ、ボルテックスミキサーで混合します。

次に、溶液を1.5 milliliterのオートサンプラーバイアルに移します。クロマトグラフィー分析用に、85% 正リン酸 20 millilitersと水 980 millilitersを混合して溶媒Aを調製し、真空を用いて使い捨てグラスファイバーフィルターで溶液をろ過します。外標準濃度系列を作成するため、市販のベンゼンポリカルボン酸（BPCA）の標準溶液を調製します。

クロマトグラフィーを実施し、それぞれのBPCAのピーク面積を外部標準系列の測定値と比較することで、BPCA含有量を定量します。BPCAの化合物特異的な炭素-14分析では、化学薬品および実験器具に対する純度の要求事項が非常に厳格です。サンプルの汚染源となる可能性を監視するため、ブランク評価とスワイプテストが重要となります。

熱分解性炭素画分の化合物特異的な炭素13および炭素14分析を行う場合は、サンプルごとにクロマトグラフィーを数回繰り返し、HPLCに接続した分取コレクターを用いて、十分な量の個別のBPCAを回収します。70 °Cに加熱しながら、緩やかな窒素気流で分画物をブローダウンし、溶媒を除去します。次に、2 gの過硫酸ナトリウムを15 mLの水に溶解して、酸化剤を調製します。

各残渣を4 mLの水で再溶解し、試料を12 mLの気密性ホウケイ酸ガラスバイアルに移します。次に、1 mLの酸化剤を加え、ブチルゴムセプタム付きの標準キャップで各バイアルを密閉します。水溶液が入った気密性バイアルをヘリウムで8分間パージし、バイアル内および溶液中からCarbon dioxideを除去します。

続いて、気密バイアルに入った試料を100 °Cで60分間加熱して酸化させます。試料を室温まで冷却した後、酸化によって生じたCarbon dioxideを、Carbon-13含有量については同位体比質量分析計で、Carbon-14含有量については加速器質量分析計で直接分析します。上述の手順により、HPLCで全てのBPCA標的化合物のベースライン分離が可能となります。ここでは、参照物質であるtramazemおよびgrass-charのクロマトグラムを示します。

クロマトグラフィーのパラメータを調整することで、特定のニーズに合わせて分離をさらに変更することが可能です。外部標準を用いた参照物質のクロマトグラムの定量分析により、ここに示した熱分解性炭素の値が得られるはずです。参照物質から精製したBPCAを分析して得られた炭素同位体組成のCarbon-13およびCarbon-14の値をここに記載します。

この手法を習得すれば、3営業日で完了させることができます。したがって、サンプルのスループットは、同時にどれだけのサンプルを処理できるかによって決まります。1週間あたり12個のサンプルを、同位体情報を伴うデュプリケートで測定することは容易に達成可能です。

このビデオを視聴することで、化合物レベルで熱分解性炭素を正常に分析するために不可欠な手順について、十分に理解することができます。