방법 논문

양성자 핵 자기 공명 분광법을 사용한 토양에서 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트 기반 마이크로 및 나노 플라스틱의 정량화

DOI:

10.3791/67471

⸱

2025년 6월 6일

 ,  ,  , 
1Department of Biosystems Engineering and Soil Science, University of Tennessee-Knoxville, 2Department of Chemistry, University of Tennessee-Knoxville

이 논문에서

요약

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

핵 자기 공명 분광법을 사용하여 토양의 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트에서 유래한 마이크로 및 나노 플라스틱을 정량화하는 방법이 여기에 설명되어 있습니다. 이 기술은 나노 플라스틱의 정량화로 확장되고 환경 시료를 대량으로 처리하는 데 쉽게 적용할 수 있기 때문에 기존 방법론을 개선합니다.

초록

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생분해 시 토양에 형성된 미세 및 나노 플라스틱(MP 및 NP)을 회수하고 정량화하는 방법은 생분해성 플라스틱 제품의 분해 및 환경 영향을 정확하게 평가하기 위해 필요합니다. 토양에 MP와 NP가 존재하면 응집 거동과 같은 토양 특성이 변경되거나 토양 생물군에 독성 영향을 미칠 수 있습니다. 기존 MP 회수 방법이 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트(PBAT)와 같은 생분해성 폴리머를 측정하는 데 항상 적합한 것은 아닙니다. 산 또는 산화제를 사용한 몇 가지 일반적인 분해 절차는 PBAT 기반 생분해성 MP를 파괴할 수 있습니다. 마이크로 FTIR 및 마이크로 라만 분광법과 같은 식별 방법도 회수 및 분석할 수 있는 입자의 최소 크기에 의해 제한됩니다. 따라서 이 방법은 PBAT를 화학적으로 변형시키지 않고 토양 내 MP 및 NP의 질량 분율을 평가하기 위해 토양에서 PBAT를 추출하고 정량화하기 위해 개발되었습니다. 프로토콜에서는 클로로포름-메탄올 용액을 사용하여 토양에서 PBAT를 선택적으로 추출합니다. 용매는 추출물에서 증발된 후 추출물을 중수소화 클로로포름에 재용해시킵니다. 추출물은 각 샘플의 PBAT의 양을 정량화하기 위해 정량적 매개변수에서 양성자 핵 자기 공명 분광법(1H-QNMR)으로 분석됩니다. PBAT의 용매 추출 효율은 그늘진 양토 토양에서 76%에서 Elkhorn 모래 양토 토양에서 45%까지 다양합니다. 광산화된 물질의 경우 원시 물질에 비해 PBAT 회수율이 감소할 수 있으며 점토 함량이 높은 토양에서는 감소할 수 있습니다. 추출 효율은 테스트 범위 내의 PBAT 농도에 의존하지 않지만, MP보다 NP에서 더 낮은 추출 효율이 관찰되었습니다. PBAT 정량화 결과는 실험실 배양 연구에서 누적 토양 호흡을 측정하여 플라스틱 분해를 정량화하는 것과 유사했습니다.

서론

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토양 내 MP 오염을 측정하는 방법은 전 세계 토양의 플라스틱 오염범위1, 플라스틱 오염원2 및 잠재적 해결책3을 이해하는 데 필요합니다. 농업 토양은 플라스틱 오염에 유일하게 노출되어 있습니다: 2021년 기준 매년 1,500만 미터톤 이상의 플라스틱이 농업에 사용됩니다4, 이 중 250만 톤의 플라스틱 뿌리 덮개5. 플라스틱 뿌리 덮개는 토양과 밀접하게 접촉하여 사용되며,1년에 한 번 이상 다시 적용되며6 사용 수명이 지난 후 토양에서 완전히 제거하기 어려울 수 있습니다7. MP 측정 방법이 필요한 한 가지 핵심 영역은 채소 시스템에 사용되는 생분해성 플라스틱 뿌리 덮개와 같은 생분해성 플라스틱 제품의 평가입니다8.

생분해성 토양 내 플라스틱 제품은 의도한 대로 작동한다면 플라스틱 멀칭으로 인한 토양의 플라스틱 오염을 제거할 수 있기 때문에 기존 농업용 플라스틱에 대한 유망한 대안입니다. 2022년에는 전 세계적으로 100만 미터톤 미만의 생분해성 플라스틱이 생산되었으며, 이는 업계에서 급속한 성장이 예상됩니다9. 가장 일반적인 4가지 생분해성 고분자인 폴리락트산(PLA), 중합 전분, 폴리하이드록시알카노에이트(PHA) 및 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트(PBAT)는 모두 농업용 생분해성 플라스틱 덮개에 상업적으로 또는 실험적으로 사용됩니다10. 그들의 약속에도 불구하고, 현장 조건에서 이러한 생분해성 플라스틱 제품의 분해는 변수11입니다. 이 분야에서의 생분해성 플라스틱 뿌리 덮개 분해에 대한 일부 연구는 거대 플라스틱 파편11에 초점을 맞추고 있지만, 플라스틱 재료의 완전한 분해를 평가하려면 토양에서 MP와 NP를 회수할 수 있는 능력이 필요합니다. 토양의 미세플라스틱 정량화는 MP 오염12로 인해 토양 생태계에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 가능성을 평가하는 데에도 중요합니다.

MP 식별 및 정량화를 위해 일반적으로 사용되는 기술로는 시각적 분석, 마이크로 푸리에 변환 적외선 분광법(μFTIR), 마이크로 라만 분광법(μRaman), 가스 크로마토그래피-질량 분광법(열분해 GCMS 및 열 추출 탈착 GCMS를 포함한 GCMS) 및 열중량 분석13이 있습니다. 다른 개발 기술로는 토양14의 현장 MP 측정을 위한 근적외선 분광법, GCMS 분석을 위한 지방산 메틸 에스테르화 추출15, 핵 자기 공명 분광법(16)이 있습니다. 토양 내 MP를 정량화한 연구의 90%는 플라스틱 입자를 식별하기 위해 시각적 분석(단독 또는 다른 기법과 쌍을 이루는)을 사용했으며, 77%는 FTIR, Raman 또는 GCMS 분광 기법을 사용했다17. 다양한 MP 정량화 기법을 개발하고 조화시키면 다양한 미세플라스틱 연구 질문에 답할 수 있는 과학계의 능력을 확장하는 데 도움이 될 수 있습니다18. 미세 플라스틱을 정량화하기 위해 토양 샘플을 준비하기 위한 세 가지 일반적인 접근 방식이 있습니다: 1) 토양에서 변경되지 않은 개별 미세 플라스틱 입자를 분리(예: 밀도 분리에 의해), 2) 변형된 플라스틱 또는 폴리머 물질 추출(예: 용해에 의해) 또는 3) 벌크 토양 분석. μFTIR 및 μRaman 분광법은 화학적으로 식별하기 전에 개별 MP를 토양에서 분리해야 하며19 pyro-GCMS는 토양 또는 벌크 토양에서 분리된 분리된 플라스틱 입자에서 수행할 수 있습니다20. 토양 유기물을 제거하는 데 사용되는 일부 소화는 PBAT21을 포함한 생분해성 폴리머를 분해하거나 화학적으로 변형시킬 수 있기 때문에 토양에서 생분해성 MP를 분리하는 것이 어려울 수 있습니다. 마이크로 라만 및 μFTIR 분광법은 모두 공간 해상도 제한이 있습니다 : 입자는 μFTIR의 경우 10-20 μm, μRaman의 경우 1 μm보다 커야합니다 (이 정도 작은 입자가 분석을 위해 준비 될 수있는 경우) 19 , 22. 이러한 기술은 MP 폴리머의 화학적 식별을 제공할 수 있으며 분광 이미징을 사용하여 MP 크기22를 측정할 수 있습니다. 모든 유형의 pyro-GCMS는 분석 중에 샘플이 파괴된다는 점에서 제한적입니다.

NMR은 토양 성분 및 오염 물질23을 특성화하고, MP 16,24,25,26을 정량화하고, PBAT 및 또 다른 폴리머인 폴리스티렌 27,28의 분해를 평가하는 데 성공적으로 사용되었습니다. 정량적 매개변수에서 실행할 때 1H-NMR 분광법은 각 스펙트럼 피크의 면적이 샘플에 기여하는 수소의 수에 정비례하는 스펙트럼을 생성합니다. 이것은 샘플(29)에서 구성 성분의 정량화를 가능하게 한다. NMR은 동시 정량화 및 식별이 가능하고 복잡하고 불순한 혼합물에 적합하며 화학적으로 동일한 참조 표준이 필요하지 않기 때문에 토양 내에서 PBAT를 포함한 일부 MP를 정량화하기 위한 귀중한 분석 기술입니다30,31. 용매 추출물의 NMR 분광법은 μFTIR, μRaman 또는 GCMS 정량을 위해 처리할 수 있는 것보다 작은 MP 또는 NP를 정량화할 수 있습니다. 이러한 장점에도 불구하고 정량적 NMR 접근 방식은 여전히 파괴적인 질량 분광법 기반 접근 방식보다 낮은 감도를 제공합니다32.

그림 1에 도표로 나와 있는 제안된 방법은 나노 크기의 PBAT 플라스틱을 포함하여 PBAT가 포함된 토양 샘플을 처리하고 분석하는 워크플로를 설명합니다. 이 방법에서 PBAT 폴리머는 클로로포름과 메탄올의 혼합물로 토양을 흔들어 토양 샘플에서 추출합니다. PBAT를 함유한 용매 추출물을 건조시킨 다음 내부 캘리브rant를 첨가하여 중수소화 클로로포름에 재용해시킵니다. NMR 분광법은 정량적 매개변수를 사용하여 추출물에 대해 수행됩니다. 결과 스펙트럼을 분석하여 PBAT와 보정 분자의 수소 원자에 해당하는 피팅 피크 면적을 비교하여 PBAT를 정량화합니다. 이 방법은 Nelson et al.33에서 입증한 용매 추출 및 양성자 핵 자기 공명 분광법(1H-NMR) 접근 방식을 적용합니다. 목표는 환경 규모 샘플(~100g의 토양)을 처리하는 데 적합한 방법을 채택하고 특수 추출 장비 없이 여러 샘플을 병렬로 처리하는 것이었습니다.

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프로토콜

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1. 토양의 수집 및 준비

참고: 시료 채취 및 처리 장비에는 시료 오염을 방지하기 위해 고분자 PBAT 또는 그 성분이 포함되어서는 안 됩니다. 다른 고분자 재료가 토양에서 PBAT의 정량화를 반드시 방해하는 것은 아닙니다. 예를 들어, 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌은 PBAT34의 정량화를 방해하는 클로로포름 1H-NMR에서 스펙트럼 피크를 생성하지 않지만, 테레프탈레이트기를 가진 폴리에틸렌 테레프탈레이트는 다른 폴리에스터와 마찬가지로35를 방해할 가능성이 가장 높습니다. Brandolini 및 Hills34와 같은 참조 텍스트를 사용하여 다양한 폴리머의 1H-NMR 스펙트럼을 결정하고 정량화에 사용되는 PBAT 피크와 겹치는 피크를 스크리닝할 수 있습니다(아래 설명 참조).

  1. 각 샘플에 대해 최소 100g의 건조 중량의 토양을 수집합니다. 대표 샘플을 수집하고 필요한 경우 하위 샘플을 수집하기 위해 토양을 균질화하기 위해 예상되는 플라스틱 농도를 기반으로 토양 샘플 크기를 결정합니다36.
    참고: 토양 시스템은 본질적으로 이질적이며37, 토양 내 오염 물질 분포(예: MP)도 마찬가지입니다38. 또한 오염 물질 농도를 측정하는 데 사용되는 방법과 관련된 변동성이 있습니다39. 그러므로, 불확실성을 추정하고 플라스틱 농도(40)를 기반으로 대표 샘플 부피를 수집하기 위한 도구로서 반복 샘플을 포함하는 샘플링 설계 또는 실험 설계를 생성하는 것이 좋습니다. 토양 내 MP 농도는 토양 1kg당 거의 0에서 1 x 107 항목까지 다양하며, 대부분의 현장에는 토양 kg당 10,000개 미만의 항목이 포함되어 있는 것으로 기록되어 있습니다41. 이론적으로 대표적인 초등 부피는 평방 미터당 10개 항목의 MP 농도에서 23m2에서 MP 농도가 평방 미터당 10,000개 항목일 때 0.02m2까지 다양할 수 있습니다36.
    1. 처리해야 하는 토양의 양을 최소화하면서 현장 현장에서 효과적인 샘플링 영역을 늘리려면 넓은 지역(예: 1m2)에서 토양을 수집한 다음 쿼터링 방법을 사용하여 샘플을 균질화하고 통합합니다(예: 토양 500g까지)36.
    2. 쿼터링 방법에서는 넓은 지역의 흙을 방수포나 다른 표면에 쌓고 삽을 사용하여 완전히 섞은 다음 4등분합니다. 샘플의 1/4을 유지하고 나머지 3/4을 버립니다. 샘플이 원하는 크기가 될 때까지 이 과정을 반복합니다.
  2. 2mm 메쉬 체를 통해 토양을 체로 칩니다. 체를 완전히 청소하고 토양 사이에 팬을 잡습니다.amp레.
  3. 토양을 자연 건조시킨 다음 밀봉된 샘플 백에 보관하십시오. 건조한 토양은 PBAT 추출 전에 이 상태로 보관할 수 있습니다.

2. 토양에서 PBAT 추출

주의: 클로로포름은 휘발성이며 독성이 있습니다. 산화제에서 멀리 떨어진 호박색 유리에 어두운 곳에 보관하십시오. 작업하는 동안 적절한 장갑, 보안경 및 보호복을 착용하십시오. 흄 후드에서만 다루십시오. 메탄올은 가연성, 휘발성 및 독성이 있습니다. 메탄올은 내화성이 있는 캐비닛에 보관하십시오. 메탄올로 작업하는 동안 적절한 장갑, 보안경 및 보호복을 착용하십시오. 메탄올은 흄 후드에서만 취급하십시오. 유리 제품이 깨져 부상을 입을 수 있습니다. 유리 제품을 취급할 때는 보안경을 착용하십시오. 깨진 유리를 맨손으로 만지지 마십시오. 대신 절단 방지 장갑, 집게, 빗자루 또는 다른 도구로 깨진 유리를 청소하십시오.

알림: 클로로포름은 대부분의 플라스틱 또는 금속과 호환되지 않습니다. 모든 재료가 호환되는지 확인합니다(예: 유리 또는 폴리테트라플루오로에틸렌, PTFE 플라스틱).

  1. 흄 후드에서 클로로포름(트리클로로메탄; 추출할 시료당 CHCl3) 및 메탄올(CH3OH)을 추출할 수 있습니다. 예를 들어, 5개의 샘플에서 추출하려면 클로로포름 450mL와 메탄올 50mL를 혼합합니다.
  2. 유리 추출 용기에 마른 흙 100g, 클로로포름-메탄올 용액 100mL, 유리 구슬 20개를 추가합니다. 용매 증기가 용기에서 빠져나가지 않도록 PTFE 라이닝 뚜껑으로 추출 용기를 단단히 밀봉합니다.
    참고: PBAT는 클로로포름에 잘 용해됩니다. 클로로포름-메탄올 혼합물은 메탄올이 용질과 수소 결합을 형성하여 토양 광물 및 유기 성분과 경쟁하고 토양에서 PBAT의 회수를 증가시킬 수 있기 때문에 사용되었습니다33.
  3. 셰이커 테이블을 사용하여 추출 용기를 200rpm에서 8시간 동안 흔듭니다. 흔든 후 추출 항아리의 흙이 최소 4시간 동안 가라앉도록 합니다.
  4. 토양에서 추출물을 분리하십시오. 흄 후드에서 추출 용기의 뚜껑을 풀고 공극 크기가 11μm인 정성적 종이 필터를 통해 피펫으로 액체를 라벨이 붙은 깨끗한 유리 용기에 넣습니다. 추출 용기에서 회수된 용매의 부피를 기록합니다. 추출물과 함께 토양 고형물을 옮기지 마십시오. 필요한 경우 몇 mL의 용매를 남겨 두십시오.
    알림: 여과지는 용제 용액에서 큰 유기물 조각을 제거하기 위한 것입니다.
  5. 용매가 완전히 증발할 때까지 추출물을 흄 후드에 두어 건조시킵니다. 최대 24시간이 소요될 수 있습니다. 흄 후드의 흙도 말리십시오. 흙이 완전히 마르면 버리십시오.
  6. 추출물이 건조되면 각 샘플 용기의 뚜껑을 닫고 필요할 때까지 서늘하고 어둡고 건조한 곳에 보관하십시오.

3. NMR 스펙트럼 수집

주의: 중수소화 클로로포름은 동일한 위험을 내포하며 위에서 설명한 양성자 클로로포름과 동일한 예방 조치가 필요합니다.

  1. 샘플에 내부 캘리브rant42 를 추가합니다. 저울을 사용하여 1.00mg의 1,4-디메톡시벤젠(DMB; C, 6H, 14O)를 건조된 추출물을 함유한 각 샘플 항아리에 넣는다.
  2. 샘플을 중수소화 클로로포름(CDCl3, 트리클로로(deutero)메탄)에 재현탁합니다. 흄 후드에서 마이크로피펫을 사용하여 건조된 샘플 추출물이 담긴 용기에 500μL의 중수소화 클로로포름을 추가합니다.
  3. 병의 뚜껑을 덮고 흔들어 건조된 추출물을 녹이도록 손이나 탁상에 양쪽을 약 10회씩 가볍게 두드려 녹입니다. 그런 다음 깨끗한 피펫 팁을 사용하여 액체를 NMR 튜브로 옮깁니다.
  4. 추가로 500μL의 중수소화 클로로포름으로 3.2단계와 3.3단계를 반복하여 샘플의 두 번째 부분을 첫 번째와 동일한 NMR 튜브에 추가합니다. 두 번째 헹굼은 용기에서 건조된 추출물의 완전한 용해 및 회수를 보장하기 위한 것입니다.
  5. NMR 튜브를 덮고 NMR 스펙트럼을 수집하기 전에 3일 동안 보관하십시오. 적절한 보관 시간은 NMR 튜브에서 용매의 증발 속도에 따라 달라집니다. 중수소화 클로로포름으로 시료를 준비한 직후 시료를 분석합니다.
  6. NMR 튜브를 분광계로 운반하려면 길고 섬세한 튜브를 지지하도록 설계된 홀더를 사용하십시오. 이들은 일반적으로 튜브의 바닥과 상단 근처에 지지대가 있습니다. 운송하는 동안 튜브를 똑바로 세우십시오.
  7. 500MHz NMR 분광계를 사용하여 90° 펄스 각도29, 펄스 폭 8μs33, 25초 지연 시간(반전 복구 실험29,43에 의해 결정됨), 스캔당 262K 포인트 및 32개의 복합 스캔29,44를 12ppm에서 -2ppm까지 25분 총 런타임.
    참고: 300K의 제어 온도에서 광대역에 최적화된 프로브와 오토샘플러가 있는 Bruker Neo 500MHz 분광계를 사용했습니다. 다른 유사한 분광계를 사용할 수 있습니다. 자기장 강도가 다른 기기를 사용하는 경우 반전 회수 실험29,43을 사용하여 PBAT 및 1,4-디메톡시벤젠에 대한 T1 이완 시간을 기반으로 적절한 지연 시간을 계산할 수 있습니다.
  8. 샘플을 실행한 후 필요에 따라 스펙트럼 데이터를 저장, 전송 또는 액세스할 수 있습니다.
    스펙트럼 데이터를 검사합니다. 정량화에 사용된 모든 PBAT 피크가 존재하는 경우 명확하게 분리되었는지 확인합니다. 정량화를 위해 PBAT 피크 5(8.10ppm), 6(4.44ppm), 6'(4.38ppm), 3'(4.15ppm) 및 3(4.09ppm)을 사용합니다( 자세한 내용은 표 1 참조). 정량화를 위해 DMB 피크 A(6.84ppm) 및 B(3.77ppm)도 사용할 수 있습니다( 자세한 내용은 표 2 참조). PBAT의 6, 6', 3' 및 3 피크는 서로 매우 가깝게 나타나고 겹칠 수 있습니다.
  9. 일부 피크가 명확하게 분리되지 않으면 샘플을 희석하십시오. 깨끗한 NMR 튜브에 100μL의 샘플과 500μL의 중수소화 클로로포름을 결합하고 3.7단계에서 정의한 것과 동일한 매개변수로 샘플을 다시 실행합니다.

4. PBAT를 정량화하기 위한 NMR 스펙트럼 분석

참고: 스펙트럼 분석은 수집 후 언제든지 수행할 수 있습니다. 스펙트럼이 생성되는 당일에 데이터를 분석하는 것이 문제가 발생할 경우 샘플을 다시 실행할 수 있도록 하는 것이 좋습니다.

  1. NMR FID 처리 소프트웨어에서 분광계로 생성된 FID 파일을 엽니다(여기서는 MestreLab의 MestreNova를 사용했지만 다른 옵션을 사용할 수 있음).
  2. 스펙트럼에 라인 확장 적용: FID 프로세싱 소프트웨어의 프로세싱 메뉴에서 프로세싱 템플릿(Processing Template )을 선택한 다음 아포디제이션(Apodization) 섹션으로 이동합니다. 크기가 0.5Hz이고 첫 번째 점이 0.5Hz인 지수 모형을 선택합니다.
  3. Processing 메뉴에서 Auto Phase Correction 버튼을 클릭하여 자동 위상 보정을 적용합니다. Processing 메뉴에서 Auto Baseline Correction 버튼을 클릭하여 자동 기준선 보정을 적용합니다.
  4. 피크 디콘볼루션을 사용하여 측정된 스펙트럼 피크를 피팅합니다: 스펙트럼 처리 소프트웨어의 Analysis 탭에 있는 Fitting 섹션에서 New Fit 버튼을 클릭합니다. 커서를 사용하여 8.5ppm의 시프트에서 스펙트럼을 클릭한 다음 커서를 3.0의 시프트로 끌어다 놓습니다.
  5. 피팅 섹션 아래에 있는 Line Fitting Table 을 클릭하여 모든 피팅 피크를 확인합니다.
  6. 정량화에 사용된 피크는 표 1 및 표 2에 설명되어 있고 그림 2에 표시되어 있습니다. 정량화에서 PBAT 피크 5(8.10ppm), 6(4.44ppm), 6'(4.38ppm), 3'(4.15ppm) 및 3(4.09ppm)과 DMB 피크 A(6.84ppm) 및 B(3.77ppm)를 사용합니다. 표 1 및 표 2에 나열된 각 피크에 해당하는 수소 원자는 그림 3의 구조도에 표시되어 있으며, 그림 3A는 두 PBAT 이량체의 구조를 보여주고, 그림 3B는 고분자 내 이량체의 위치가 1,4-부탄디올 단량체에서 수소의 피크 이동을 변경하기 위해 어떻게 상호 작용하는지를 보여줍니다. 및 도 3C는 DMB의 구조를 나타낸다.
  7. 원하지 않는 피크를 선택하고 Delete Peak를 클릭하여 피팅에서 다른 모든 피크를 삭제합니다.
  8. 피팅 테이블을 사용하여 계산을 위해 각 피크의 면적을 스프레드시트 응용 프로그램에 복사합니다(여기서는 스프레드시트를 사용하도록 선택했습니다).
  9. 피크 면적을 스프레드시트에 복사하려면 먼저 Line Fitting Table에서 모든 피크 정보를 선택하십시오. 그런 다음 마우스 오른쪽 버튼을 클릭하고 팝업 메뉴에서 복사 를 선택합니다. 스프레드시트에 데이터를 붙여넣습니다.
  10. 다음 방정식을 사용하여 샘플에 추가된 DMB의 몰 수 nDMB를 계산합니다.
    figure-protocol-1
    여기서 mDMB는 샘플에 첨가된 DMB의 질량(1.00mg 권장)이고 MMDMB 는 DMB의 몰 질량(138.17g/mol)입니다.
  11. 다음 방정식을 사용하여 샘플에서 PBAT의 부틸렌 테레프탈레이트 이량체의 몰 수 nBT를 계산합니다.
    figure-protocol-2
    여기서, A5 는 PBAT 피크 5의 측정 영역, A는 DMB 피크 A의 측정 영역, AB는 DMB 피크 B의 측정 영역입니다. 스펙트럼 분석 소프트웨어에서 생성되는 면적 단위는 임의적입니다.
  12. 다음 방정식을 사용하여 샘플 nBA에서 PBAT의 부틸렌 아디페이트 이량체의 몰 수를 계산합니다.
    figure-protocol-3
    여기서, A3는 PBAT 피크 3의 측정 면적이고, A3'는 PBAT 피크 3'의 측정 면적이고, A6은 PBAT 피크 6의 측정 면적이고, A6'는 PBAT 피크 6'의 측정 면적이다. 스펙트럼 분석 소프트웨어에서 생성되는 면적 단위는 임의적입니다.
  13. 다음 방정식을 사용하여 샘플의 PBAT 질량 m PBAT,회수됨을 계산합니다.
    figure-protocol-4
    여기서 MMBA는 PBAT의 BA 이량체의 몰 질량(200g/mol)이고 MMBT는 PBAT의 BT 이량체의 몰 질량(220g/mol)입니다.
  14. 샘플에 알려진 양의 PBAT가 존재하는 경우 방정식에 따라 추출 효율의 척도로 샘플에 대한 회수율 η을 계산할 수 있습니다
    figure-protocol-5
  15. 다음 방정식을 사용하여 시료 CPBAT의 PBAT 농도를 계산합니다.
    figure-protocol-6
    여기서 m건조 토양 은 추출물(0.1kg)을 생산하는 데 사용되는 건조 토양의 질량이고, 회수된 V용매 는 2.4단계에서 토양에서 회수된 용매의 부피이며,V sovlent added 는 토양 샘플(100mL)에 첨가된 용매의 초기 양입니다.

5. 특정 토양에서 PBAT의 정량화를 위한 검량선 준비

참고: 알려진 양의 PBAT가 첨가된 토양 샘플을 기반으로 생성된 보정 곡선은 특정 토양에서 PBAT를 추출하고 회수하는 방법에 대한 유용한 정보를 제공합니다. 추출은 모든 토양 또는 모든 형태의 PBAT에서 동일하지 않습니다. 추출 효율은 토양 점토와 유기물 함량33에 따라 달라지는 것으로 생각되며, 각 토양 계열 및 관심 지평에 대한 보정 곡선을 만들 것을 권장합니다. 검량선은 이 방법으로 알려지지 않은 샘플을 처리하기 전이나 후에 생성할 수 있습니다.

  1. 1.1-1.3단계에 설명된 대로 2.5kg에 해당하는 마른 토양을 수집하고 준비합니다.
  2. 보정 곡선이 커버할 범위를 결정합니다. 검량선에 사용된 PBAT의 최대 농도는 미지 시료 중 가장 높은 PBAT 농도보다 높아야 합니다.
  3. 최대 농도의 0%, 25%, 50%, 75% 및 100%(총 25개 샘플)로 100g의 토양으로 구성된 5개의 스파이크 샘플을 만들기 위해 충분한 PBAT 플라스틱을 준비하거나 확보합니다. 예를 들어, 40mg/kg이 원하는 최대 농도인 경우 스파이크된 샘플을 생성하려면 총 50mg의 PBAT가 필요합니다.
  4. 각각 100g의 토양 25개 샘플을 준비합니다. PBAT 기반 플라스틱의 무게를 측정하고 규정된 비율로 토양 샘플에 첨가하여 샘플을 스파이크합니다. 예를 들어, PBAT 40mg/kg이 원하는 최대 농도인 경우 PBAT가 없는 샘플 5개, PBAT 1mg이 있는 샘플 5개, PBAT 2mg이 있는 샘플 5개, PBAT 3mg이 있는 샘플 5개, PBAT 4mg이 있는 샘플 5개를 생성합니다. PBAT를 흙에 넣은 후 잘 섞는다.
  5. 25개의 스파이크 샘플에서 PBAT를 추출한 다음 추출물에서 NMR 스펙트럼을 수집하고 2.1단계에서 4.16단계까지 설명된 대로 결과 스펙트럼을 분석합니다.
  6. 각 스파이크된 샘플에서 측정된 PBAT의 양과 통계 분석 도구에 추가된 실제 PBAT의 양 사이의 선형 회귀를 수행하여 이 토양에서 PBAT에 대한 보정 곡선의 방정식을 식별합니다. 우리는 스프레드시트를 사용했습니다. PBAT가 추가되지 않은 스파이크 표본에서 PBAT가 검출되지 않으면 회귀 분석에서 force b = 0이 됩니다.
    참고: 선형 회귀 테스트는 y = mx + b 관계에 따라 두 연속 숫자 변수 x와 y 사이의 선형 관계의 강도를 평가합니다. 데이터에 가장 적합한 m과 b의 값이 검정에 의해 계산됩니다. 회귀 검정의 r2 계수는 두 변수가 서로 얼마나 밀접한 상관 관계가 있는지를 설명합니다.
  7. 통계 분석 도구를 사용하여 추출 효율과 PBAT 농도 간의 유의미한 관계를 테스트합니다. 스파이크된 샘플에서 PBAT의 추출 효율을 다음과 같이 계산합니다.
    figure-protocol-7
  8. 통계 분석 도구를 사용하여 추출 효율과 PBAT 농도 간의 상관 관계 없이 관찰된 데이터가 무작위로 발생할 수 있는 확률을 계산합니다. 이 p-값이 미리 결정된 유의성 임계값 α보다 크면 두 변수 사이에 관계가 없다는 귀무 가설을 기각하지 못합니다. 이 경우 추출 효율은 테스트 범위 내의 모든 PBAT 농도에 대해 일정하다고 가정할 수 있습니다. 귀무 가설이 기각되면 여기에 설명된 선형 모형이 데이터를 모형화하는 가장 좋은 방법이 아닐 수 있습니다.
  9. 검량곡선 선형 회귀 방정식을 사용하여 이 방법을 사용하여 처리된 미지 샘플의 PBAT량을 추정합니다. 회귀 x 변수가 검량선 스파이크 샘플의 실제 PBAT 양이고, y 변수가 측정된 PBAT의 양이며, b가 0으로 설정된 경우,
    figure-protocol-8
    참고: 검량선 방정식을 사용하여 추정된 반복 샘플의 PBAT 함량을 사용하여 특정 토양의 PBAT 양에 대한 신뢰 구간을 생성하거나, 복제 추출물의 PBAT 농도에 대한 평균 및 신뢰 구간을 계산할 수 있는 경우 검량선을 적용하여 토양의 PBAT 농도를 추정할 수 있습니다. 두 작업 순서에 관계없이 토양의 PBAT 함량에 대해 동일한 신뢰 구간이 생성됩니다. 예를 들어, PBAT 농도가 10, 5, 2, 4, 10, 11, 2, 6, 8 및 5mg/kg인 10개의 반복 샘플에서 추출하고 보정 곡선 방정식 y(추출물에서 측정된 PBAT) = 0.75 x (토양에서 실제 PBAT)를 고려합니다. 각 복제의 토양 PBAT 농도는 13, 7, 3, 5, 13, 15, 3, 8, 11 및 7mg/kg으로 추정할 수 있습니다. 그런 다음 토양의 평균 PBAT 농도는 표준 편차가 4.4mg/kg인 8.4mg/kg으로 추정됩니다. 추출물 PBAT 농도(10, 5, 2, 4, 10, 11, 2, 6, 8, 5)에 대해 평균 및 표준 편차를 먼저 계산하면 평균 6.3mg/kg과 3.3mg/kg의 표준 편차가 계산됩니다. 그런 다음 검량선을 평균 편차와 표준 편차 모두에 적용하여 토양 내 PBAT 농도(평균 8.4mg/kg, 표준 편차 4.4mg/kg)를 추정할 수 있습니다.

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결과

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

토양에서 PBAT 폴리머를 정량화하는 이 방법의 효능을 평가하기 위해 세 가지 다른 토양에서 생성된 스파이크 샘플에서 PBAT를 추출하여 보정 곡선을 구성했습니다. 세 가지 토양 각각에 대해( 자세한 내용은 표 3 참조) 토양을 2mm 체에 통과시킨 다음 공기 건조했습니다. 스파이크 샘플은 100g의 건조 토양에 0, 9, 18, 27 또는 36mg의 PBAT 기반 MP를 첨가하여 생성되었습니다(각 5회 반복). 이는 PBAT 폴리머의 0, 63, 126, 189 또는 252mg/kg에 해당합니다. MP는 Astner et al.45 에 기술된 분쇄 절차에 따라 질량 기준 70% PBAT 및 50μm 두께의 플라스틱 뿌리 덮개로 만들어졌으며 840μm보다 작았습니다. 각 검량선을 생성하기 위해 위에 정의된 절차에 따라 각 스파이크 샘플에서 PBAT를 추출했습니다. 그런 다음 PBAT의 회수율을 각 샘플에 첨가된 PBAT의 양과 비교했습니다. PBAT 회수율...

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토론

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

추출물의 PBAT를 정량화하기 위해 1H-NMR과 결합된 토양에서 PBAT의 용매 추출 방법을 제안합니다. 추출 공정의 핵심 요소에는 추출 기술 및 장비, 추출에 사용되는 용매 및 시간 요구 사항이 포함됩니다. 우리는 Nelson et al.33이 입증한 Soxhlet 추출 및 가속 용매 추출(ASE)에 비해 상대적으로 간단하고 저렴한 장비(유리병, 유리 구슬 및 셰이커 테이블)가 필요한 추출 기술을 사용하기로 결정했습니다. 이 방법의 목표는 벌크 토양 샘플을 빠르게 처리할 수 있도록 많은 샘플을 병렬로 추출할 수 있다는 것입니다. 간단한 용매 진탕 추출의 또 다른 장점은 Soxhlet 또는 ASE 접근법에 비해 더 많은 양의 토양을 수용할 수 있어 환경적으로 대표적인 샘플을 더 쉽게 처리할 수 있다는 것입니다13,36

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공개 사항

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

저자들은 이 논문에 보고된 연구에 영향을 미칠 수 있는 경쟁적인 재정적 이해관계나 개인적 관계를 알려진 바가 없다고 선언합니다.

감사의 글

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

SMS에 수여 번호 2020-67019-31167을 통해 이 프로젝트에 자금을 지원해 준 USDA-NIFA와 내부 보조금 DGH 및 SMS를 위한 테네시 대학교 전략 계획 연구 이니셔티브(SPRINT) 프로그램에 감사드립니다. 자금 제공자는 연구 설계, 데이터 수집, 분석, 해석, 보고서 작성 또는 논문 출판 결정에 아무런 역할도 하지 않았습니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
1,4-디메톡시벤젠아르코스 유기물 99%+AC115411000 샘플당 1 mg
PTFE 안감이 있는 호박색 유리 병 뚜껑 (1 L)Kimble5223253C-26재사용 가능한
클로로포름; 트리클로로메탄피셔 화학AA43685M6 샘플당 90mL; Fisher Optima
중수소화 클로르포름; 트리클로로(중수소)메탄Sigma Aldrich1034200025샘플당 1 mL; 최소 99.8% 중수거; 은색
유리 구슬로 안정화(직경 3mm)Propper Manufacturing3000600샘플당 20
PTFE 안감 뚜껑이 있는 유리 추출 용기(~250mL 용량)Kimble5510858B샘플당 2개, 재사용 가능
눈금 실린더, 1 L, 폴리프로필렌Nalgene3662-1000재사용 가능한
눈금 실린더, 500 mL, 폴리프로필렌Nalgene3662-0500재사용 가능한
메탄올Fisher ChemicalA412-4 샘플당 20mL, ACS 인증
0.5 - 1 mL 범위의 마이크로피펫Fisher Scientific3123000063재사용 가능한
NMR 분광계Brukern/a500 MHz 기기
NMR 튜브 (7인치 높이, 높은 처리량)WilmadWG-1000-71 per sample
Platform shakerEppendorf, Excella E5 M1355-0000재사용 가능한
폴리에틸렌 피펫 팁(10 mL 용량)Eppendorf22492098시료당 1개, 일회용
폴리프로필렌 마이크로피펫 팁(1 mL 용량)Fisher Scientific02-707-510시료당 3개, 일회용
Semi-microbalanceMettler Toledo30532226재사용 가능
개

참고문헌

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