Name: 有機水熱変換のミネラル効果を研究するための実験プロトコル (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-08-08T15:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 50 s
Description: 学ぶ有機水熱変換におけるミネラル効果の実験プロトコル。ニトロベンゼンとマグネタイトを用いて、深海熱水系における有機-無機相互作用を低コストかつ信頼性の高い手法で研究する方法を解説します。

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我々 はこれらの熱水合成実験の初期の方法論を開発するためアリゾナ州立大学の hog でグループを感謝し、特に、i. グールド、E. ショック、・ ウィリアムス、C. Glein、h. ハートネット、k. Fecteau、・ ロビンソンと C. Bockisch に感謝のガイダンスと参考に支援。Z のヤンと X. Fu Z のヤンにオークランド大学からスタートアップ資金によって資金を供給されました。

1. 熱水実験用サンプルを準備します。
<ol><li>水晶や石英ガラス管、例えば、 2 mm 内径 (ID) x 6 mm 外径 (OD) または ID x 12 が mm 外径 6 mm のサイズを選択し、有機物と使用する鉱物の量を定めます。この作品でニトロ ベンゼンと (例えば、 2 mm ID x 6 mm 外径) 石英管にロードする磁鉄鉱 (Fe3O4) の量は 3.0 μ L 13.9 mg それぞれです。 注: 大口径管材料の容易にロードするが管のシーリングのより多くの努力を必要とします。</li>
	<li>~ 30 cm と小さな断片にきれいな石英ガラス管をチューブ カッターを使用して長さにカットします。酸水素トーチを用いた適切な炎頭を閉じた管の一方の端をシールします。 注意: 酸水素のトーチを使用するため安全手順に従います。</li>
	<li>0.1 mg スケール (固体の場合) のバランスをとるし、秤量紙を用いた石英ガラス管に転送の開始の有機化合物の所定量の重量を量る。場合は、化合物は、液体 (例えば、この場合ニトロ ベンゼン)、小さな石英管にそれを転送する 1 マイクロリットル注射器 (例えば10 μ L) を使用します。パスツール ピペットで石英管に重量を量られた鉱物を追加し、脱・脱酸素水 (例えば、0.3 mL) を追加します。18.2 MΩ·cm 脱イオン水を使用し、超音波処理による deoxygenate。</li>
	<li>閉鎖弁付け真空ライン (~ 1 cm ID) に石英管を接続します。有機物と水が完全に冷凍されるまで 〜 3 分間液体窒素で満たされたデュワー フラスコで管を浸します。 注意: 転送し、液体窒素を使用するため安全手順に従います。</li>
	<li>チューブを液体窒素に浸漬に、ままとき真空バルブを開き、チューブのヘッドから空気を除去します。 注: このプロセスは、圧力が真空ポンプの圧力ゲージの 100 mtorr を下回るまで続くはず。</li>
	<li>バルブをオフ、液体窒素からチューブを削除し、室温まで温チューブ。ヘッド スペースに解決策から残りの空気の泡を解放する管の底を軽くたたきます。</li>
	<li>さらに 2 回の上記の凍結-融解性ポンプのサイクルを繰り返し、チューブのもう一方の端を密封する前に液体窒素でチューブを維持します。真空ラインを閉じ、閉じた全体の管を作る酸水素火炎を使用します。 注: チューブは、熱水実験を受け、液体の水膨張管のヘッド スペース台数が減少します。水の密度が 300 ° c 程度室温から約 30% を削減できるなど、計算し、管を密封した場合十分なヘッド ボリュームを残します。</li>
</ol>2. 熱水実験を設定します。
<ol><li>シールの手順後我慢シリカ チューブ小さなスチール パイプ (~ 30 cm の長さと直径 1.5 cm) に緩いねじキャップ、任意の圧力建物または管内管障害による損傷を防ぐために。</li>
	<li>よく恒温炉やオーブンでパイプを置き、所望の温度 (例えば、この仕事で 150 ° C) まで加熱します。水熱反応により温度を監視するのに炉内熱電対を使用します。</li>
	<li>(例えば、この作品で 2 h) 反応時間に達すると、すぐに、すばやく氷水風呂にパイプを置くことによって石英管を癒します。 注: 焼入プロセスは潜在的な逆行性反応を避け室温に冷却する 1 分未満かかります。</li>
</ol>3. 実験の後、サンプルを分析します。
<ol><li>チューブ カッターを使用して石英管を開き、パスツール ピペットを使用して 10 mL バイアルにすべての製品 (例えば、小さな石英管で ~0.3 mL) をすばやく転送します。</li>
	<li>ガスクロマトグラフィー (GC) 用内部標準として 8.8 mM ドデカンを含む 3 mL ジクロロ メタン (DCM) ソリューションとオーガニック製品を抽出します。キャップ バイアルとそれで手 2 分の渦 1 分間振る。 注: これはオーガニック有機相への抽出を容易にするのに役立ちます。また、製品の回復を確実に DCM の石英管の転送ピペットと内側の壁をすすいでください。ミネラル含量の高いサンプルより良い抽出の DCM ソリューションでそれらを超音波照射します。</li>
	<li>5 分使用して慎重に GC バイアルに DCM の層 (すなわち底層) から 〜 1 mL のサンプルを転送するパスツール ピペットの抽出液 (すなわちドデカンと DCM) に定住する鉱物粒子を許可します。</li>
	<li>ポリ毛細管カラム (例えば5 %diphenyl/95% ジメチルシロキサン) と炎イオン化検出器の GC を用いた有機製品の流通を分析します。50 ° c を開始、8 分間保持、220 ° C まで 10 ° C/分で増加し 10 分間保持、300 ° C まで 20 ° C/分で増加、300 ° C に 5 分セット インジェクター温度を保持するプログラムを GC オーブンを設定します。 注: を変更するために必要な GC プログラムは有機化合物の分析対象の種類に基づいています。</li>
	<li>GC 検を構築するには、試料の濃度と内部標準試料のピーク面積比をプロットします。</li>
	<li>前に、と後の反応、すなわち変換 % 有機原料の濃度に基づく反応換算 = ([初版]-[最終]) ⁄ [初期] × 100%。変換を使用すると、ミネラルを容易にまたは熱水有機変換が遅くかどうかを確認します。</li>
</ol>

<ol><li>Yang, Z., Gould, I. R., Williams, L. B., Hartnett, H. E., Shock, E. L. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016703717307330">Effects of iron-containing minerals on hydrothermal reactions of ketones.</a> Geochimica et Cosmochimica Acta. 223, 107-126 (2018).</li>
<li>Seewald, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Organic-inorganic+interactions+in+petroleum-producing+sedimentary+basins%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Organic-inorganic interactions in petroleum-producing sedimentary basins.</a> Nature. 426 (6964), 327-333 (2003).</li>
<li>Sogin, M. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microbial+diversity+in+the+deep+sea+and+the+underexplored+%22rare+biosphere%22%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences%22%5BJournal%5D)">Microbial diversity in the deep sea and the underexplored "rare biosphere".</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 103 (32), 12115(2006).</li>
<li>McCollom, T. M. <a target="_blank" href="https://pubs.geoscienceworld.org/msa/rimg/article-abstract/75/1/467/140977/laboratory-simulations-of-abiotic-hydrocarbon">Laboratory Simulations of Abiotic Hydrocarbon Formation in Earth's Deep Subsurface.</a> Reviews in Mineralogy and Geochemistry. 75 (1), 467-494 (2013).</li>
<li>Foustoukos, D. I., Seyfried, W. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrocarbons+in+Hydrothermal+Vent+Fluids%3A+The+Role+of+Chromium-Bearing+Catalysts%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Hydrocarbons in Hydrothermal Vent Fluids: The Role of Chromium-Bearing Catalysts.</a> Science. 304 (5673), 1002(2004).</li>
<li>Bell, J. L. S., Palmer, D. A. 10.1007/978-3-642-78356-2_9. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBell%2C+JLS+%22Organic+Acids+in+Geological+Processes%22">Organic Acids in Geological Processes</a>. Pittman, E. D., Lewan, M. D. , Springer. Berlin Heidelberg. 226-269 (1994).</li>
<li>Palmer, D. A., Drummond, S. E. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0016703786903571">Thermal decarboxylation of acetate. Part I. The kinetics and mechanism of reaction in aqueous solution.</a> Geochimica et Cosmochimica Acta. 50 (5), 813-823 (1986).</li>
<li>Yang, Z., Gould, I. R., Williams, L. B., Hartnett, H. E., Shock, E. L. <a target="_blank" href="https://asu.pure.elsevier.com/en/publications/the-central-role-of-ketones-in-reversible-and-irreversible-hydrot">The central role of ketones in reversible and irreversible hydrothermal organic functional group transformations.</a> Geochimica et Cosmochimica Acta. 98, 48-65 (2012).</li>
<li>McCollom, T. M., Ritter, G., Simoneit, B. R. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Lipid+Synthesis+Under+Hydrothermal+Conditions+by+Fischer-+Tropsch-Type+Reactions%5BTitle%5D)+AND+%22Origins+of+life+and+evolution+of+the+biosphere%22%5BJournal%5D)">Lipid Synthesis Under Hydrothermal Conditions by Fischer- Tropsch-Type Reactions.</a> Origins of life and evolution of the biosphere. 29 (2), 153-166 (1999).</li>
<li>Bell, J. L. S., Palmer, D. A., Barnes, H. L., Drummond, S. E. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0016703794902712">Thermal decomposition of acetate: III. Catalysis by mineral surfaces.</a> Geochimica et Cosmochimica Acta. 58 (19), 4155-4177 (1994).</li>
<li>Yang, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrothermal+Photochemistry+as+a+Mechanistic+Tool+in+Organic+Geochemistry%3A+The+Chemistry+of+Dibenzyl+Ketone%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Organic+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Hydrothermal Photochemistry as a Mechanistic Tool in Organic Geochemistry: The Chemistry of Dibenzyl Ketone.</a> The Journal of Organic Chemistry. 79 (17), 7861-7871 (2014).</li>
<li>Yang, Z., Hartnett, H. E., Shock, E. L., Gould, I. R. <a target="_blank" href="https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.joc.5b02109">Organic Oxidations Using Geomimicry.</a> The Journal of Organic Chemistry. 80 (24), 12159-12165 (2015).</li>
<li>Venturi, S., et al. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0377027317303165">Mineral-assisted production of benzene under hydrothermal conditions: Insights from experimental studies on C6 cyclic hydrocarbons.</a> Journal of Volcanology and Geothermal Research. 346, 21-27 (2017).</li>
<li>Lemke, K. H., Rosenbauer, R. J., Bird, D. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Peptide+Synthesis+in+Early+Earth+Hydrothermal+Systems%5BTitle%5D)+AND+%22Astrobiology%22%5BJournal%5D)">Peptide Synthesis in Early Earth Hydrothermal Systems.</a> Astrobiology. 9 (2), 141-146 (2009).</li>
<li>Byrappa, K., Yoshimura, M. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780815514459500040">Handbook of Hydrothermal Technology</a>. , William Andrew Publishing. (2001).</li>
<li>Johnson, J. W., Oelkers, E. H., Helgeson, H. C. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/009830049290029Q">SUPCRT92: A software package for calculating the standard molal thermodynamic properties of minerals, gases, aqueous species, and reactions from 1 to 5000 bar and 0 to 1000°C.</a> Computers & Geosciences. 18 (7), 899-947 (1992).</li>
</ol>

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本研究で我々 ニトロ ベンゼン ミネラル磁鉄鉱として使用例熱水有機反応における鉱物の影響を評価するのに方法をデモンストレーションします。小さな石英ガラス管で、実験を行い、再現性の高い結果がマグネタイトの実験、すなわち30.3 ± 1.4% ニトロ ベンゼンの変換、有効性と信頼性のあるこれを示唆しているので観察、熱水のプロトコル。なし鉱物の実験でニトロ ベンゼンの変換は 5.2 ± 2.1%、ミネラルの実験より低再現性を示します。サンプルで使用される小さな管の μ L (または mg) を考慮した原料の低変換なし鉱物実験で不確実性の比較的高い可能性があります。低変換反応の再現性を高めるためには、大きい内部ボリュームを持つシリカ チューブが示唆されました。サンプルの量は限られている、または化学物質のコストが高い場合、このプロトコルは小規模な実験のために特に有用かもしれない。このプロトコルでは、鉱物と非鉱物の熱水合成実験を実施できます。
前述したように、この熱水プロトコルに反応管、安易な操作方法、低または僅かの触媒効果11...

熱水環境 (すなわち、高温高圧の水溶液) 地球上至るところでされます。有機化合物の水熱化学は、有機堆積盆地、石油タンク、地下生物圏1,2,3などの地球化学的設定の広い範囲で重要な役割を果たしています。熱水系における有機炭素変換だけでなく地球豊富なミネラルなど溶存または固体の無機材料、でも純粋な水溶液で発生します。劇的に、選択的に影響を与える各種の有機化合物の水熱反応性鉱物が発見されているが、1,4、5複雑な熱水系におけるミネラルの効果を識別する方法課題として残っています。本研究の目的は、熱水有機反応に及ぼす鉱物を研究するための比較的簡単な実験プロトコルを提供することです。
水熱反応の実験的研究は伝統的にゴールド、チタンまたはステンレス鋼6,7,8,9から成っている堅牢な原子炉を使用します。たとえば、金の袋またはカプセル使用されている好意的、金は柔軟性ができ、サンプルの圧力、外部から水を加圧によって制御するサンプル中の気相の生成を避けますため。ただし、これらの原子炉は高価であり、潜在的な金属の触媒効果10と関連付けることができます。したがって、これらの熱水実験用低コスト、高い信頼性と別の方法を見つけることが不可欠です。
近年、水晶や石英ガラス製反応管は熱水実験11,12,13に多く適用されています。貴重な金やチタンと比較して、水晶や石英ガラスはまた強い材料がかなり安いです。もっと重大に、石英管ほとんどの触媒効果を示しているし、不活性にすることができます水熱反応11,14金として。このプロトコルではシリカの厚肉管の小規模の熱水有機鉱物実験を行うための一般的方法をについて説明します。デモンストレーションとしてミネラル効果を示すために 150 ° C の熱水溶液中の鉄酸化物鉱物 (すなわち磁鉄鉱) の有無でモデル化合物 (すなわち、ニトロ ベンゼン) を用いた例実験を提案する、このメソッドの有効性。

<table><tbody><tr><td>化学薬品:</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>ジクロロメタン</td><td>VWR</td><td>BDH23373.400</td><td></td></tr><tr><td>ドデカン</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>297879</td><td></td></tr><tr><td>ニトロベンゼン</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>252379</td><td></td></tr><tr><td>Fe2O3</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>310050</td><td></td></tr><tr><td>Fe<サブ>3</サブ>O<サブ>4</サブ></td><td>シグマ・アルドリッチ</td><td>637106</td><td></td></tr><tr><td><ストロング>サプライ:</ストロング></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>シリカチューブ</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>真空ポンプ</td><td>ウェルチ</td><td>2546B-01</td><td></td></tr><tr><td>バキュームライン</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>オーブン</td><td>ヒューレットパッカード</td><td>5890</td><td></td></tr><tr><td>熱電対</td><td>BENETECH</td><td>GM1312</td><td></td></tr><tr><td>ガスクロマトグラフィー</td><td>Agilent</td><td>7820A</td><td></td></tr></tbody></table>

有機水熱変換のミネラル効果を研究するための実験プロトコル

An Experimental Protocol for Studying Mineral Effects on Organic Hydrothermal Transformations

土地、および深海の熱水噴出孔に間欠泉、温泉などの熱水環境下での有機・無機相互作用が広く行われます。ミネラルの役割は、多くの熱水の有機地球化学的プロセスで重要です。ゴールド、チタン、プラチナ、またはステンレス スチール製の原子炉を使用して含まれています、伝統的な熱水方法論は高コストまたは好ましくない金属触媒効果に通常関連付けられます。最近では、熱水実験で費用対効果や不活性の水晶や石英ガラス管を使用して成長傾向があります。ここでは、我々 は石英管内有機鉱物の熱水合成実験を遂行するためプロトコルを提供し、試料、実験装置、製品の分離と定量分析に不可欠な手順について述べる。モデル有機化合物、ニトロ ベンゼンを使用して特定の熱水条件下での分解に鉄を含む鉱物、マグネタイトの効果を表示する実験を紹介します。この手法は、比較的簡単な実験室システムにおける複雑な有機鉱物熱水相互作用に適用できます。

このアプローチを使用して熱水の有機・無機相互作用モデル化合物を用いた簡単な実験を研究する方法を示すためには、ニトロ ベンゼン、ミネラル磁鉄鉱 (Fe3O4) 150 ° C と 5 の水熱条件で行った2 h のバー。ミネラルの効果を見る、ミネラルなしのニトロ ベンゼンの実験も同じ熱水条件下で実施しました。図 1 aのように、2 つのシリカ チューブは熱水実験前にプロトコル、次を作られました。透明な鉱物と封管とマグネタイト管展示中の黒色鉱物。ニトロ ベンゼンの開始濃度が両方の 0.1 M (0.3 mL の脱イオン水を脱酸素化) と追加の磁鉄鉱 13.9 mg であった。熱水処理後鉱物管変化が認められなかった色、磁鉄鉱とチューブと化した茶色の色 (図 1 b)、磁鉄鉱からヘマタイト (Fe2O3) への酸化反応を意味するのに対し。ガスクロマト グラフ分析に基づき、磁鉄鉱...

地球-豊富なミネラルは、天然の熱水系における重要な役割を果たします。ここでは、我々 は熱水条件下での有機・無機相互作用の実験的調査のため信頼性が高く、コスト効果の高い方法をについて説明します。

Organic-mineral interactions are widely occurring in hydrothermal environments, such as hot springs, geysers on land, and the hydrothermal vents in the ...

この手法は、地球に豊富に存在する鉱物が深海熱水系の有機分子にどのような影響を与えるかなど、有機化学分野の重要な疑問に答えるのに役立ちます。この手法の主な利点は、低コストで使いやすく、信頼性が高いことです。この手法は、自然の熱水系における有機鉱物の相互作用に関する洞察を提供するだけでなく、有機グルテンの水熱処理やグリーンケミストリーにおける生物融合熱水合成など、他の分野にも適用できます。手順を実演するのは、私の研究室のXuan Fu博士です。この手順を開始するには、チューブのサイズと材料を選択し、テキストプロトコルに概説されているように、使用する有機化合物とミネラルの量を決定します。このデモンストレーションは、内径2mm、外径6mmのシリコンチューブにニトロベンゼンとマグネタイトを充填して実施します。チューブカッターを使って、チューブを長さ約30cmの小片に切ります。次に、適切なフレームヘッドを備えた酸素水素トーチを使用して、チューブの一端を閉じてシールします。開始する有機化合物のいずれかが液体の場合は、マイクロリットルの注射器を使用してチューブに移します。パスツールピペットを使用して、事前に計量した材料を追加します。次に、脱イオン水と脱酸素水を加えます。バルブが閉じた状態でチューブを真空ラインに接続します。クランプを使用してチューブをしっかりと保持し、液体窒素で満たされたデュワーフラスコに浸します。有機物と水が完全に凍結するまで、チューブを液体窒素に約3分間放置します。チューブがまだ液体窒素に浸されている間に、真空バルブを開いてチューブのヘッドスペースから空気を抜きます。この後、バルブのスイッチを切ります。液体窒素からチューブを取り出し、チューブを室温まで温めます。温まったら、チューブの底を軽くたたいて、溶液から残っている気泡をヘッドスペースに放出します。この凍結、ポンプ、解凍のサイクルをさらに2回繰り返します。次に、チューブがまだ液体窒素に浸されている間に、真空ラインを閉じ、酸素水素トーチを使用してチューブの開放端をシールします。チューブを密封した後、スクリューキャップ付きの小さな鋼管に移します。圧力の蓄積やチューブの故障による損傷を防ぐために、スクリューキャップを緩く密閉します。パイプを温度制御された炉またはオーブンの中に入れ、希望の温度に加熱します。オーブン内の熱電対を使用して、熱水反応全体の温度を監視します。反応時間に達したらすぐに、オーブンからパイプを取り外し、チューブを冷水浴に入れて実験を急冷します。まず、ガスクロマトグラフィーの内部標準として、8.8マイクロモルのドデカンを含むジクロロメタン抽出溶液を作成します。3ミリリットルの抽出溶液を10ミリリットルのガラスバイアルに移します。次に、チューブカッターを使用してチューブを開き、パスツールピペットを使用してすべての製品をガラスバイアルにすばやく移します。次に、溶液を1分間ボルテックスします。ミネラル粒子を5分間沈殿させます。この後、パスツールピペットを使用して、ジクロロメタン層から約1ミリリットルのサンプルをGCバイアルに慎重に移します。ポリキャピラリーカラムと水素炎イオン化検出器を使用して、テキストプロトコルに概説されているように、ガスクロマトグラフィーによる生成物の分布を分析します。GC検量線を作成し、それらを使用して有機製品を定量します。次に、テキストプロトコルのアウトラインとして反応変換を計算します。これらの変換を使用して、鉱物が熱水有機物の変換を促進するか遅くするかを判断します。ここでは、熱水有機鉱物の相互作用を研究するためのこのアプローチを、ニトロベンゼンと鉱物マグネタイトを用いて、摂氏150度の熱水条件と5本のバールで2時間かけて実証しています。熱水処理後、マグネタイトを含まない管は変色を示さず、マグネタイトを含む管は茶色に変色しました。これは、マグネタイトがヘマタイトに変換される酸化反応が起こったことを意味します。次に、ガスクロマトグラフィー分析を実行して、ニトロベンゼン変換上のマグネタイトの量を決定します。無鉱物実験では、ニトロベンゼンの計算変換は5.2%であることがわかりますが、マグネタイトの存在下では、ニトロベンゼン変換は30.3%であり、6倍に増加します。このことは、マグネタイトが利用された熱水条件でのニトロベンゼンの反応を有意に促進できることを示唆しています。この手順を試行する際は、酸素水素トーチを使用する際のSOPに従うことを忘れないでください。したがって、この手順に従うと、走査型電子顕微鏡法やガスクロマトグラフィー質量分析法などの他の分析方法を実行して、鉱物の形態変化があるかどうか、未知の有機製品の分子質量は何かなどの追加の質問に答えることができます。その開発後、この技術は、熱水有機化学の分野の研究者が自然の熱水系における有機鉱物の相互作用を探求する道を開きました。

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(オキシ) 鉄の水酸化物、微量元素、細菌の嫌気性生物地球化学的相互作用を研究するため実験的列の設定

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熱勾配環境における初期の地球熱水煙突のシミュレーション

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