특성, 벤젠 폴리 카르 복실 산을 사용하여 발열 성 탄소의 정량 및 화합물 특정 동위 원소 분석 (BPCA)

본 분자 마커 방법의 전반적인 목표는 환경 시료 내의 열분해 탄소(Pyrogenic Carbon) 분획을 특성화, 정량화 및 동위원소 분석하는 것입니다. 이 방법은 고고학 및 환경 포렌식부터 바이오차 및 탄소 순환 연구에 이르기까지 다양한 분야의 핵심 질문에 답하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 이 기술의 주요 장점은 연소 연속체의 넓은 범위에 걸쳐 열분해 탄소를 검출할 수 있다는 점입니다.

열분해성 탄소의 동시 특성 분석, 정량 분석 및 동위원소 분석과 매우 광범위한 환경 시료 물질에 대한 적용 가능성에 대해 다룹니다. 시료 준비 및 크로마토그래피 과정은 본 연구실의 대학원생인 Ulrich Hanke가 시연합니다.

정제된 표적 화합물의 후속 동위원소 분석은 ETH Zurich의 실험실 코디네이터인 Negar Haghipour가 시연할 것입니다. 이 절차를 시작하기 위해, 이전에 동결 건조 및 균질화된 시료를 석영 분해 튜브에 정량하여 넣고, 알루미늄 호일로 덮어 먼지를 차단합니다. 전체 과정 동안 깨끗하고 탈회된 내열 유리기구, 철저히 세척된 도구, 그리고 초순수 크로마토그래피 등급의 물과 용매만을 사용하십시오.

65% 질산 2 mL를 분해관에 넣습니다. 볼텍스 믹서를 사용하여 각 시료가 충분히 젖도록 합니다. 그 다음, 분해관을 가압 챔버에 넣습니다.

매뉴얼에 따라 가압 챔버를 밀폐하고 170 °C로 예열된 오븐에 8시간 동안 넣습니다. 냉각된 가압 챔버에서 분해 튜브를 꺼낸 후, 일회용 유리 섬유 필터를 사용하여 샘플을 물로 여과하여 부피 플라스크에 담습니다. 그런 다음 물을 사용하여 부피를 25 mL로 맞춥니다.

각 시료에 대해, 컬럼당 11 g의 양이온 교환 수지를 채운 유리 컬럼 2개를 준비합니다. 물, 2 M 수산화나트륨, 2 M 염산을 순차적으로 헹구어 컬럼 내부의 수지를 컨디셔닝합니다. 물의 전도도를 확인합니다.

수지 컨디셔닝 후 시료를 수지에 통과시켜 헹굽니다. 다음으로 시료의 절반씩을 각각의 컬럼으로 옮기고, 10 milliliters의 물로 다섯 번 순차적으로 헹굽니다. 그 후 수용액을 동결 건조합니다.

제조사의 지침서에 따라 C18 고상 추출 카트리지를 컨디셔닝합니다. 그 다음, 각 동결 건조 잔류물을 3 mL의 메탄올과 물에 다시 용해합니다. 샘플의 각 절반을 별도의 C18 고상 추출 카트리지를 통해 2.5 mL 시험관으로 용리합니다.

그 다음, 카트리지를 1 mL의 메탄올과 물로 헹굽니다. 45 °C로 가열되고 약 50 millibar의 진공 상태인 진공 농축기를 사용하여 시료 용액이 담긴 시험관을 건조합니다. 건조 후, 각 잔류물을 1 mL의 물로 다시 용해시키고 볼텍스 믹서로 혼합합니다.

그 다음, 용액들을 1.5 milliliter 오토샘플러 바이알로 옮깁니다. 크로마토그래피 분석을 위해 85% orthophosphoric acid 20 milliliters를 물 980 milliliters와 혼합하여 용매 A를 준비하고, 진공 장치를 사용하여 일회용 유리 섬유 필터로 용액을 여과합니다. 외표준 농도 계열을 만들기 위해 시판되는 benzene polycarboxylic acids(BPCAs)의 표준 용액을 준비합니다.

크로마토그래피를 수행하고, 각각의 BPCA 피크 면적을 외부 표준물질 시리즈의 측정값과 비교하여 BPCA 함량을 정량합니다. BPCA의 화합물 특이적 Carbon-14 분석에서는 화학 및 실험 장비의 청정도 요구 사항이 특히 높습니다. 샘플 오염의 잠재적 원인을 모니터링하기 위해 공시료 평가 및 스와이프 테스트가 중요합니다.

열분해 탄소 분획의 화합물별 Carbon-13 및 Carbon-14 분석을 수행하려는 경우, 각 시료에 대해 크로마토그래피를 여러 번 반복하고 HPLC에 연결된 분획 수집기를 사용하여 각각의 BPCA를 충분한 양으로 수집하십시오. 70 °C로 가열하면서 부드러운 질소 기류로 분획물을 불어내어 용매를 제거합니다. 다음으로, 15 mL의 물에 2 g의 과황산나트륨을 녹여 산화 시약을 준비하십시오.

각 잔류물을 4 mL의 물로 다시 용해하고, 샘플을 12 mL 가스 밀폐형 붕규산 유리 바이알로 옮깁니다. 그 다음, 산화제 1 mL를 첨가하고 부틸 고무 격막이 포함된 표준 캡으로 각 바이알을 밀폐합니다. 수용액이 담긴 가스 밀폐형 바이알을 헬륨으로 8분 동안 퍼지하여 바이알과 용액 내의 Carbon dioxide를 제거합니다.

그 다음, 기밀 바이알에 담긴 시료를 100 °C에서 60분 동안 가열하여 산화시킵니다. 시료를 상온으로 냉각시킨 후, 산화로 인해 발생한 Carbon dioxide를 동위원소 비 질량 분석계로 분석하여 Carbon-13 함량을 측정하고, 가속기 질량 분석계로 분석하여 Carbon-14 함량을 측정합니다. 설명된 절차를 통해 HPLC로 모든 BPCA 표적 화합물을 베이스라인 분리할 수 있으며, 참조 물질인 tramazem 및 grass-char의 크로마토그램이 여기에 제시되어 있습니다.

크로마토그래피 파라미터를 조정함으로써 특정 요구 사항에 맞게 분리 과정을 추가로 수정할 수 있습니다. 외부 표준물질을 이용하여 참조 물질 크로마토그램을 정량 분석하면 여기에 표시된 열분해 탄소 값들을 얻을 수 있습니다. 참조 물질의 정제된 BPCA를 대상으로 탄소 동위원소 함량을 분석하여 얻은 Carbon-13 및 Carbon-14 값들이 여기에 나열되어 있습니다.

이 기술을 숙달하면 작업일 기준 3일 이내에 완료할 수 있습니다. 따라서 샘플 처리량은 동시에 얼마나 많은 샘플을 처리하느냐에 따라 달라집니다. 동위원소 정보와 함께 매주 12개의 샘플을 중복 측정하는 것은 충분히 가능합니다.

이 영상을 시청하고 나면, 화합물 특이적 수준에서 열분해성 탄소(pyrogenic Carbon)를 성공적으로 분석하기 위해 반드시 수행해야 하는 단계들에 대해 충분히 이해하게 될 것입니다.