Karakterisering, kwantificeren en Compound-specifieke isotopenanalyse van Pyrogene Carbon Met behulp van Benzeen polycarbonzuren (BPCA)

Summary

We present the benzene polycarboxylic acid (BPCA) method for assessing pyrogenic carbon (PyC) in the environment. The compound-specific approach uniquely provides simultaneous information about the characteristics, quantity and isotopic composition (¹³C and ¹⁴C) of PyC.

Abstract

-Fire afgeleid, pyrogene koolstof (PyC), ook wel zwarte koolstof (BC), is de koolstofhoudende vaste residu van biomassa en fossiele brandstoffen, zoals char en roet. PyC is alomtegenwoordig in het milieu als gevolg van de lange persistentie, en zijn overvloed zou zelfs toenemen met de verwachte stijging van de mondiale wildvuur bedrijvigheid en de aanhoudende verbranding van fossiele brandstoffen. PyC wordt ook in toenemende mate geproduceerd uit de industriële pyrolyse van organisch afval, die verkoolde bodem amendementen (biochar) oplevert. Bovendien kan de opkomst van nanotechnologie ook resulteren in het vrijkomen van PyC-achtige verbindingen voor het milieu. Het is dus een hoge prioriteit om op betrouwbare wijze op te sporen, te karakteriseren en te kwantificeren deze verkoold materialen om hun milieu-eigenschappen te onderzoeken en om hun rol in de koolstofcyclus te begrijpen.

Hier presenteren we de werkwijze benzeen polycarbonzuur (BPCA), die de gelijktijdige beoordeling van karakterisering PyC's toestaatStokjes, hoeveelheid en isotopensamenstelling ⁽¹³ C en ¹⁴ C) op een moleculair niveau. De werkwijze is toepasbaar op een breed scala aan materialen en milieumonster detecteert PyC over een breed gebied van de verbranding continuüm, het is dus gevoelig voor licht verkoolde biomassa en hoge temperatuur tekens en roet. De BPCA hier gepresenteerde protocol is eenvoudig te gebruiken, zeer reproduceerbare, alsmede gemakkelijk uitbreidbaar en aanpasbaar aan specifieke eisen. Dit geeft dus een veelzijdig instrument voor het onderzoeken van PyC in verschillende disciplines, variërend van archeologie en milieu-forensics tot biochar en carbon fietsen onderzoek.

Introduction

In een volledige verbranding proces wordt biomassa of fossiele brandstof omgezet in _{CO2, H2O} en anorganische resten (as). Echter, onder plaatselijke of tijdelijke beperkingen van zuurstof, de verbranding wordt onvolledig en pyrolyse plaatsvindt, het produceren van een vaste organische residu bekend als char ^1. De verkoolde resten worden ook wel pyrogene organisch materiaal (PyOM) en hoofdzakelijk uit pyrogene koolstof (PyC) of, synoniem, zwarte koolstof (BC) ^2-4. Verkolen processen zijn alomtegenwoordig en kunnen deel uitmaken van zowel natuurlijke als antropogene verbranding ^5-6 zijn. Wildvuur is een belangrijk natuurlijk proces, inherent aan de meeste ecosystemen, die een aanzienlijke hoeveelheid PyC elk jaar ^4,7-10 produceert. Ook de verbranding van fossiele brandstoffen voor de productie van energie in de industrie en het vervoer vormt een belangrijke bron van antropogene PyC ^11-13. Beide bronnen bijdragen tot de alomtegenwoordigheid van PyC in het milieu aanwezig is in PyClucht, in de vorm van aërosolen ^13-14, in water als deeltjes of opgeloste organische stof ^15-17, alsmede in ijskernen ^{18-19, 20-21} bodems en sedimenten ^22-24 in grootte variërend van m naar nm (bijvoorbeeld grote koffer verkoolde boom na een bosbrand of nano-schaal roetdeeltjes die een dieselmotor uitlaat ontsnappen). De alomtegenwoordigheid van PyC in het milieu is niet alleen te wijten aan grote productie-tarieven, maar ook op de lange persistentie en relatieve stabiliteit tegen afbraak ^25-26. Hoewel de exacte omzet tijden nog niet zijn vastgesteld en kunnen afhankelijk zijn van specifieke milieuomstandigheden ^27-28, lijkt het duidelijk dat PyC minder gemakkelijk in CO ₂ wordt ontleed dan de meeste andere vormen van organische koolstof ^29-30. Deze waarneming heeft belangrijke gevolgen voor de globale C cyclus: als verkoolde materialen PyC opslag gedurende een relatief lange tijd, ze sekwestreren C in organische vormen die anders zijn snel respired zoals CO _2, waardoor de atmosferische concentratie van broeikasgassen in de tijd ^31-32 verminderen.

Naast het klimaat verzachtende aspect, chars verder nog het milieu relevante eigenschappen. Hun hoge poreusheid, groot oppervlak en negatieve oppervlakte lading kan immobiliseren gevaarlijke stoffen ³³ en de verbetering van de bodemvruchtbaarheid ^34-35. De erkenning van karakters als potentieel gunstige grondverbeteraar tot de opkomende gebied van zogenaamde biochar ³⁶ technologie. Biochar zal waarschijnlijk worden geproduceerd op grote schaal in de komende jaren en dus aanzienlijk verhogen PyC overvloed in de bodem ^37. Bovendien wordt het optreden van branden en het verbranden van fossiele brandstoffen ook geprojecteerd hoog in de loop van de 21 ^ste eeuw blijven continu dragen grote hoeveelheden PyC het milieu ^11,38-39. Een andere steeds belangrijkere bron van PyC waarschijnlijk nanotechnologie die ook gebruikens PyC-achtige verbindingen ^40-41. Het is derhalve van cruciaal belang te detecteren, karakteriseren en kwantificeren deze pyrogene stoffen nauwkeurig om hun eigenschappen te onderzoeken en begrijpen van hun rol in het milieu.

Hier presenteren we het gebruik van een state-of-the-art verbindingsspecifieke benadering PyC analyseren verschillende monsters: de nieuwste generatie van de werkwijze ⁴² benzeen polycarbonzuur (BPCA). Deze werkwijze is breed toepasbaar op PyC onderzoek omdat zij rechtstreeks gericht op de "ruggengraat" van PyC: het polycyclische gecondenseerde structuren die zich vormen tijdens de thermische behandeling ^43-45 en die dus eigen aan de verschillende vormen van PyC ^5,46. Echter, deze structuren niet direct belastbaar door chromatografische middelen, vanwege hun grootte en heterogeniteit. Om chromatografisch geanalyseerd zoals pyrogeen verbindingen wordt PyC eerst geknipt met salpeterzuur onder hoge temperatuur en druk, die breektgrote polycyclische structuren onderscheiden naar de bouwstenen, de individuele BPCAs (vgl. figuur 1). De BPCAs Dan, na enkele zuiveringsstappen, vatbaar voor analyse ^20,42 chromatografische. PyC wordt dus geïsoleerd en geanalyseerd op een moleculair niveau en kan worden gebruikt om PyC overvloed in compartimenten ^20,42 kwantificeren. De BPCA werkwijze kenmerkt bovendien de onderzochte PyC als relatieve opbrengsten aan B3, B4, B5 en B6CA worden vergeleken (zie figuur 1): de respectievelijke verhouding van verschillend gecarboxyleerde BPCAs is gekoppeld aan de omvang van de oorspronkelijke polycyclische structuren en daarom indicatief voor PyC de kwaliteit en pyrolyse temperatuur ^44,47-48. Bovendien is de onderhavige methode maakt de bepaling van het C isotopensamenstelling ⁽¹³ C en ¹⁴ C) van PyC omdat de individuele BPCAs, rechtstreeks uit pure PyC structuren kan isotopisch zijn anagelyseerd na isolatie (zie figuur 1, stap 5 en 6) ^49. Compound-specifieke isotopenanalyse van PyC is van groot belang ⁵⁰ als het kan worden gebruikt, bijvoorbeeld, om onderscheid te maken tussen de voorloper biomassa van klusjes in tropische gebieden ^51-52, tot de leeftijd van verkoolde materialen ^53-54 af te leiden of te PyC traceren in C fietsen studies met een isotoop label ^26,55-56. Verdere informatie over PyC evenals de BPCA methode geschiedenis, ontwikkeling en toepassingen met name ligt in Wiedemeier, 2014 ^57, waar een deel van de bovengenoemde punten en een deel van de discussie zijn opgesteld.

Protocol

1. Algemene voorzorgsmaatregelen en preparaten

1. Gebruik alleen schone, ontkalkt (10% HCl bad) en verbrand glaswerk (500 ° C gedurende 5 uur), grondig gereinigd gereedschappen en ultrazuiver, hogedrukvloeistofchromatografie (HPLC) kwaliteit water en oplosmiddelen voor de hele procedure.
2. Vriesdrogen en homogeniseren monsters met een carbon-free ball mill ⁵⁸ en hun totale organische koolstof (TOC) door elementaire analyse ^59-60 te bepalen.
   Opmerking: Purity eisen voor chemicaliën en laboratoriumapparatuur zijn vooral hoog voor samengestelde-specifieke ¹⁴ C analyse van BPCAs. Inclusief lege assessments ⁴⁹ en swipe test ⁶¹ tot potentiële bronnen van het monster besmetting te bewaken.

2. HNO ₃ Spijsvertering

1. Weeg gevriesdroogd en gehomogeniseerd monsters (vgl. 1.2.) In kwarts spijsvertering buizen en te dekken tegen stof met aluminiumfolie.
   1. Voor PyC quantificatiop en karakterisering doeleinden gebruiken monsters met> 1 mg TOC ^42. Dus in het geval van grond en sedimenten, gebruik ca. 200-400 mg en in het geval van organisch rijke monsters, zoals zuivere houtskool, gebruik ca. 10 - 20 mg per destructiebuis.
   2. Voor latere verbinding specifieke isotopenanalyse van PyC ⁽¹³ C en ¹⁴ C), zorg ervoor dat het monster bevat voldoende BPCA-C om de detectielimieten van de specifieke isotoop-ratio massaspectrometer die gebruikt zal worden na stap 6. Indien er te ontmoeten geen a priori informatie over een monster PyC beschikbare hoeveelheid (bijvoorbeeld van eerdere metingen), voor het eerst zijn PyC inhoud te kwantificeren (stap 1-5) en voor te bereiden meer monster later als de BPCA-C rendementen zijn te laag voor isotoopanalyse.
      Let op: Inclusief blank en referentiemonsters met bekende PyC en ¹³ C en ¹⁴ C-gehalte (bijvoorbeeld van de "black carbon referentiematerialen", cf. resultaten sectie). Dit zal toelaten om de reproduceerbaarheid van de PyC kwantificering te controleren en in staat leeg correctie berekeningen van de compound-specifieke isotoopmetingen na analyse.
2. Voeg 2 ml van 65% HNO ₃ in de spijsvertering buizen, gebruik maken van een vortex mixer om een grondige bevochtiging van het monster te helpen en vervolgens de spijsvertering buizen in de drukkamer. Sluit de drukkamers volgens de handleiding ⁶² en deze in een voorverwarmde oven bij 170 ° C gedurende 8 uur.
   LET OP: Na de spijsvertering, laat de camera afkoelen in de oven en slechts ze te openen onder de zuurkast nadat ze kamertemperatuur bereikt omdat schadelijke gassen kunnen ontsnappen.
3. Filter de monsters met water in maatkolven waarbij het beschikbare glasvezelfilters (<0,7 micrometer), bijvoorbeeld in glazen spuiten en het volume op 25 ml. De verdunning is nodig om verdere vertering stoppen.
   Opmerking: De 25 ml oplossingen die de BPCAs kan worden opgeslagende koelkast tot 2 maanden vóór verdere verwerking. Digestie kan in principe ook worden uitgevoerd met andere instrumenten, bijvoorbeeld met een druk microgolfsysteem ^16. In dat geval moeten de tests worden uitgevoerd met referentiematerialen om BPCA terugvorderingen en methode reproduceerbaarheid (zie representatieve resultaten sectie) te controleren.

3. Verwijdering van kationen

1. Voor elk monster te bereiden twee glazen kolommen (400 mm hoog, 15 mm diameter) met 11 g van kationenwisselaarhars per kolom. Conditioneren hars in de kolommen achtereenvolgens te spoelen met 2 kolomvolumes water, 1 kolom volume van 2 M NaOH, 2 kolomvolumes water voor het neutraliseren pH, 1 kolomvolume van 2 M HCl en tenslotte 2 kolomvolumes water .
2. Controleer de geleidbaarheid van het water, die wordt gespoeld door de hars na conditionering. De hars wordt beschouwd als de juiste wijze geconditioneerd wanneer de geleidbaarheid lager is dan 2 microsiemens per cm ^-1.
3. Leg de helft van het monster (dat wil zeggen 12,5 ml, zie stap 2,3) op elke kolom, achtereenvolgens spoel 5 keer met 10 ml water en daarna drogen bevriezen van de waterige oplossing. Het monster is stabiel na vriesdrogen en kan tot een week bewaard worden voordat verdere verwerking indien droog bewaard in een donkere en koele plaats.
   Opmerking: vloeibare stikstof om de monsters bevriezen ( "snap bevriezen") omdat men daarmee het ijskoud _HNO3, wat kan resulteren in een plas sterke niet-invriezen zuuroplossing. Zorg ervoor dat de vriesdroger is zuurbestendig om een goede mate en test voor mogelijke besmetting door vacuümpomp dampen als verbinding-specifieke ¹⁴ C analyse van BPCAs is bestemd.

4. Verwijdering van Apolar Compounds

1. Breng de C18 vaste fase extractie cartridges volgens de instructies van de fabrikant handboek, dat wil zeggen, ze achtereenvolgens spoelen met 2,5 ml methanol, 2,5 ml water pernd uiteindelijk met 2,5 ml methanol / water (1: 1 v / v).
2. Los het gevriesdroogde residu op in 3 ml methanol / water (1: 1 v / v). Elueer elke helft (1,5 ml) over een afzonderlijke C18 vastefase-extractie cartridge in 2,5 ml reageerbuisjes. Spoel de patronen met een 1 ml methanol / water (1: 1 v / v).
3. Droog de ​​reageerbuizen met de monsteroplossing, bijvoorbeeld met behulp van een vacuümconcentrator, verwarmd tot 45 ° C en een vacuüm van ongeveer 50 mbar. Andere middelen verdamping kan ook worden gebruikt, bijvoorbeeld een blow-down uitgevoerd met _N2-gas zoals in stap 6.
4. Los het residu in de reageerbuis met 1 ml water. Ondersteuning ontbinding met vortex mixer en transfer naar 1,5 ml autosampler flesjes.
   Opmerking: Monsters kunnen in de ijskast maximaal 3 maanden worden opgeslagen in dit stadium ^42.

5. Chromatography

1. Solvent A door het mengen van 20 ml 85% orthofosforzuur met 980 ml water en filtreer de sPLOSSING door middel van een wegwerp glasvezel filter met behulp van vacuüm. Do solvent A niet bloot aan zonlicht en gebruik het binnen 24 uur om algengroei te voorkomen. Gebruik pure HPLC-kwaliteit acetonitril als oplosmiddel B.
2. Bereid standaardoplossingen van commercieel beschikbare BPCAs (hemimellietzuur, trimellietzuur, pyromellietzuur, pentacarboxylic en mellietzuur) naar een externe standaard concentratie series te produceren (bijvoorbeeld 6 flesjes met 5, 20, 60, 100, 150 en 250 ug van elk BPCA vermengd in 1 ml water, respectievelijk).
3. Het gedrag van de chromatografie met behulp van de instellingen in de tabellen 1 en 2 en kwantificeren van de BPCA inhoud door vergelijking van de respectieve BPCA piekoppervlakken om de metingen van de externe standaard serie ^63.
4. Versneld bevindingen van PyC hoeveelheid BPCA-C / drooggewicht van het monster [g / kg] of BPCA-C / TOC [%]. Bovendien kan de kwaliteitskenmerken van de PyC in de monsters worden omschreven met verhoudingen indiual BPCAs, bijvoorbeeld, het percentage B6CA (B6CA / BPCA [%]) geeft de mate van aromatische condensatie van de PyC ^44.

6. Natte oxidatie van gezuiverde BPCAs voor volgende ¹³ C en ¹⁴ C Analyse

1. Volgende stap 5.3., Het verzamelen van de individuele BPCAs in voldoende hoeveelheid (bijvoorbeeld> 30 ug BPCA-C voor de huidige accelerator massaspectrometers ^49,64) met behulp van een fractie collector aangesloten op de ^HPLC-49 en verwijder de oplosmiddelen door te blazen onderaan de fracties met een zachte stroom _N2 en hen te verwarmen tot 70 ° C. Slechts kleine hoeveelheden vloeistof fosforzuur, waaronder BPCAs, zal in de injectieflacon blijven.
2. Bereid het oxidatiemiddel door het oplossen van 2 g Na ₂ S ₂ O ₈ in 50 ml water, vers bereid binnen 24 uur gebruik.
   Opmerking: Herkristalliseer de natriumpersulfaat tweemaal om de zuiverheid te verbeteren door het volledig oplossen van enkele grammenin heet water en vervolgens het verzamelen van de vaste nadat het water is afgekoeld ^65-66.
3. Los het omver geblazen residu (stap 6.1) met 4 ml water en breng het monster tot 12 ml gasdichte borosilicaat flacon. Voeg 1 ml van oxiderend reagens en sluit af met standaard dop met een butyl rubber septum.
4. Spoel de gasdichte flacon met inbegrip van de waterige oplossing met He gedurende 8 minuten om de CO ₂ uit het flesje en de oplossing ⁶⁶ te verwijderen.
5. Oxideren monsters in de gasdichte buisjes te verhitten bij 100 ° C gedurende 60 minuten.
6. Direct analyseren van de CO ₂ uit de oxidatie op isotoop-verhouding massaspectrometers voor ¹³ C-gehalte ^65-66 en op versnelde massaspectrometers voor ¹⁴ C-gehalte ^67-68.
   Opmerking: Geoxideerde monsters kunnen worden bewaard gedurende ten minste één week ⁶⁶ voor ¹³ C en / of ¹⁴ C-analyse.

Results

Wij adviseren om de methode set-up door het meten van een suite van goed beschreven PyC materialen ( "black carbon referentiematerialen"), die op grote schaal zijn voor diverse methode ontwikkelingen en vergelijkingen hebben gebruikt in de literatuur ^44,48,69-77 testen. Informatie over de referentiematerialen is verkrijgbaar bij de Universiteit van Zürich (http://www.geo.uzh.ch/en/units/physische-geographie-boden-biogeographie/services/black-carbon-reference-materials).

De beschreven procedure kan basislijnscheiding van BPCA doelverbindingen met HPLC. De chromatogrammen van 'chernozem' de referentiematerialen (zilt bodem met een significant gehalte PyC) en gras char (uit Oryza sativa) worden getoond in Figuur 2. Door de chromatografie parameters in de tabellen 1 en 2 (bijvoorbeeld chromatografie temperatuur,pH oplosmiddel A of stroomsnelheid, etc.), kan de scheiding verder worden gemodificeerd voor de specifieke behoeften ^42,63.

Kwantitatieve analyse van chromatogrammen referentiematerialen met externe standaarden (stap 5,3.) Moeten PyC waarden weergegeven in figuur 3 werd verkregen. Let lichte veranderingen in procedure (bijvoorbeeld het weglaten van stap 3 of 4 in specifieke gevallen), kan leiden tot hogere PyC waarden. In het algemeen moet terugwinning worden gecontroleerd pure BPCA normen: spiked referentiematerialen kunnen helpen om buitensporige verliezen in stappen 3 en 4 te detecteren en leveren informatie over de prestatie chromatografie in stap 5 ^42,63.

Tabel 3 toont de ¹³ C en ¹⁴ C-waarden die worden verkregen wanneer gezuiverd BPCAs referentiematerialen worden geanalyseerd op hun gehalte koolstofisotoop na stap 6.betrouwbare resultaten, is het noodzakelijk om voldoende hoeveelheden BPCA-C (bijvoorbeeld> 30 ug BPCA-C voor de huidige accelerator massaspectrometers, zie Figuur 4) te verzamelen en om alle mogelijke maatregelen om besmetting van het monster door externe C ⁴⁹ een minimum te beperken .

Naast het controleren van de werkwijze opstelling met referentiematerialen zoals hierboven beschreven, is het zeer wenselijk te bereiden en te meten monsters in duplo, zowel PyC kwantificering (stap 5) en daaropvolgende verbindingsspecifieke ¹³ C en ¹⁴ C analyses van BPCAs (stap 6 ).

Figuur 1:. De BPCA Analyse Procedure In het protocol stap 2, de PyC polycyclische aromatische gecondenseerde structuren worden verteerd, de productie van de verschillende BPCAs, die th zijnen verder schoongemaakt (stap 3 en 4) en chromatografisch geanalyseerd en gescheiden (stap 5). Na de natte oxidatie (stap 6), de gezuiverde BPCAs vatbaar zijn voor verbinding-specifieke isotoopanalyse ⁽¹³ C en ¹⁴ C) op de isotoop-verhouding massaspectrometers. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2:. Chromatogram voor scheiding BPCA worden de zwarte koolstof referentiematerialen "chernozem" (a) en "grass char" (b). Baseline scheiding wordt bereikt voor alle BPCA doelverbindingen (B6CA; B5CA, 1,2,4,5- 1,2,3,5-, 1,2,3,4-B4CA;. 1.2.4, 1,2,3-B3CA) ^42. In formatie op de zwarte koolstof referentiematerialen is verkrijgbaar bij de Universiteit van Zürich (http://www.geo.uzh.ch/en/units/physische-geographie-boden-biogeographie/services/black-carbon-reference-materials). Dit cijfer werd aangepast van Wiedemeier et al. 2013 ⁴² en is herdrukt met toestemming van Elsevier. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 3:. Replicatie PyC metingen van verschillende Black Carbon referentiematerialen Foutenstaven voor laboratorium duplo zijn kleiner dan symboolgrootte en de variatiecoëfficiënt gemiddeld 5% (min: 1% max: 10%). Dit cijfer werd aangepast van Wiedemeier et al. 2013 ⁴² en is herdrukt met toestemming van Elsevier."Https://www.jove.com/files/ftp_upload/53922/53922fig3large.jpg" target = "_ blank"> Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 4: radioactieve koolstof ⁽¹⁴ C) Waarden voor B5CA en B6CA Geïsoleerd van een moderne en een Fossil Char De opgegeven fout is samengesteld uit correcties voor instrumentale accelerator massaspectrometer achtergrond en van de blanco voor natte oxidatie.. De vaste grijze lijn een geïdealiseerde lijn voor het mengsel van de werkelijke F ¹⁴ C van de respectieve monster en de bepaalde gemiddelde uitwendige besmetting. Dit cijfer werd aangepast van Gierga et al. 2014 ⁴⁹ en is herdrukt met toestemming van Elsevier. Klik hier om een grotere versie van th bekijkenis figuur.

mobiele fase A	20 ml ortho-fosforzuur (85%) in 980 ml ultrazuiver water
mobiele fase B	acetonitril
kolom	C18 omgekeerde fase (zie materiaal lijst voor details)
kolomtemperatuur	15 ° C
doorvoersnelheid	0,4 ml min -1
identificatie	retentietijd, UV-absorptie bij 216 nm
kwantificatie	externe standaarden van BPCAs
druk	ca. 120 bar

Tabel 1: Chromatography Instellingen.

tijd	mobiele fase B
[Min]	[Vol%]
0	0.5
5	0.5
25.9	30
26	95
28	95
28.1	0.5
30	0.5

Tabel 2: Het mengen van de gradiënt van mobiele fasen.

	bulk char		BPCA
	δ 13 C [‰ vs. VPDB]
kastanje char	-27,4 een	± 0,4 a	-27,7	± 0.8
maïs char	-12,9	± 0,4	-13,0	± 0,4
	F 14 C [%]
modern char	1.142 b	± 0.004 b	1.13	± 0.013
fossiele char	0,003 b	± 0.001 b	0,014	± 0.001

Tabel 3:. Koolstofisotoop Waarden (δ ¹³ C en F ¹⁴ C) of Reference Char Materialen en Stofspecifieke isotopenanalyse van de Overeenkomstige BPCAs De BPCA waarden vertegenwoordigen B6CA en B5CA die gelijktijdig in stap 5 Howev werden verzameldeh, isotopische analyse van individuele BPCAs kunnen op analoge wijze worden bereikt wanneer BPCAs gescheiden worden ingezameld. Bulk char gegevens van Yarnes et al. (2011) ⁷³ voor de kastanje char (a), en Gierga et al. (2014) ⁴⁹ voor de fossiele en moderne char (b). Fouten voor de δ ¹³ C-metingen zijn standaard fouten van triplo terwijl fouten voor de ^F-14 C-metingen (bulk char: ETH-50456, ETH-50458; BPCA: ETH-62324, ETH-62335) zijn afgeleid van foutenvoortplanting ^64.

Discussion

De BPCA werkwijze heeft een aantal belangrijke voordelen ten opzichte van andere beschikbare methoden PyC ^78-79: i) detecteert PyC over een breed gebied van de verbranding continuüm, het is dus gevoelig voor licht verkoolde biomassa en hoge temperatuur tekens en roet ^{42 , 70,} ii) het kan gelijktijdig karakteriseren ^16,44,80-81, kwantificeren ^20,42 en isotoop analyseren PyC ^{49-50,66,73,82-83,} iii) is van toepassing op een zeer breed scala van milieu-monster materialen ^42,70, en iv) de methodologie is intensief beoordeeld en in een samenhangend kader van de beoordeling van andere PyC methoden ^{44,47,70,84-85} kunnen worden gelegd. Om al deze redenen is de BPCA benadering is misschien wel de meest veelzijdige PyC beschikbare methode tot op heden, waarvan de onderliggende aannames worden ook beperkt en zijn er continu getoetst aan andere methoden.

Het bovenstaande protocol consolideert de Strengths eerdere BPCA methoden in een enkele procedure is zeer reproduceerbare, eenvoudig te gebruiken en kan gemakkelijk worden uitgebreid en aangepast aan specifieke eisen. Wanneer bijvoorbeeld chromatografie wordt uitgevoerd met een pH-gradiënt in plaats van een organisch oplosmiddel, online isotoop-verhouding toezicht BPCAs mogelijk ⁴² hoeven daardoor de natte oxidatiestap. Ook de verwijdering van kationen en / of apolaire verbindingen (stappen 3 en 4) kan worden overgeslagen wanneer bekend is dat bepaalde monsters geen dergelijke verbindingen bevatten (bijvoorbeeld in sommige gevallen van laboratorium geproduceerd tekens).

Zoals elke PyC methode, het BPCA procedure heeft een aantal beperkingen, ook. In dit verband zij erop gewezen dat de BPCA benadering inherent onderschatting totale PyC hoeveelheid in de monsters: de werkwijze vernietigt grote delen van de PyC polycyclische structuren om hun BPCA bouwstenen halen, dus niet kwantitatief herstellen alle PyC in de vorm van BPCAs20,86. Conversie factoren was in het verleden voorgesteld om BPCA opbrengsten in totaal PyC inhoud te vertalen. Het vinden van een juiste omzettingsfactor praktisch onmogelijk is vanwege de heterogene mate van aromatische condensatie meeste tekens ^41,48,80,86. Vaak zijn PyC hoeveelheden monsters vergeleken ten opzichte van elkaar ^42,81,87-88. We dan stel geen omrekeningsfactoren niet te gebruiken en om gewoon te rapporteren BPCA data "zoals gemeten" ^48. In bijzondere gevallen, wanneer BPCA opbrengsten worden genomen om absolute PyC hoeveelheden schatten ^24,89-90, de oorspronkelijk gepubliceerd omrekeningsfactor ²⁰ van 2,27 lijkt aangewezen als het zet de BPCA levert in conservatieve schattingen van PyC inhoud ^86.

Een ander probleem met PyC methodes is dat ze potentieel gevoelig zijn voor storende, niet-PyC materialen en / of die PyC ontstaat bij de analyse zelf, wat leidt tot een overschatting vande werkelijke PyC gehalte in monsters ^70. De BPCA aanpak is zeer robuust tegen deze storende materialen ^70, produceert geen PyC zelf ^16,70,86 en conservatief is in de natuur (cf. bovenstaande paragraaf). Zelfs grafiet, een chemisch vergelijkbaar materiaal PyC maar petrogenic oorsprong, niet hindert BPCA metingen ^{(Schneider, MPW ongepubliceerde resultaten. Zürich, (2013)).} Tot dusver zijn de enige bekende niet-PyC interferenties voor BPCA methode aantal gecondenseerde, aromatische pigmenten schimmels ^91, die kwantitatief verwaarloosbaar de meeste studies ⁸⁶ moet zijn. De methode BPCA met zijn gelijktijdige kwalitatieve, kwantitatieve en ¹³ C en ¹⁴ C isotoop informatie is dus een uitstekend hulpmiddel voor het onderzoek van PyC in verschillende disciplines.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
ball mill	Retsch	N/A	ball mill with carbon-free grinding jars and balls (Retsch MM 200 with agate grinding jars and balls)
combustion oven	Nabertherm	N/A	combustion oven/muffle furnace with a temperature of 500 °C (Nabertherm L40/11 or similar)
pressure bombs with PTFE pressure chambers, quartz digestion tubes with quartz lids	Seif Aufschlusstechnik, Unterschleissheim, Germany	N/A	Helma U. Rudolf Seif Aufschlusstechnik Fastlingerring 67 85716 Unterschleissheim Germany Tel: (+49) 89 3108181
vortex mixer	common lab supply	N/A
oven	Thermo Scientific	50051010	drying oven with constant temperature (Thermo Scientific Heraeus or similar)
vacuum manifold system with PTFE connectors	Machery Nagel	Chromabond 730151 730106	ftp://ftp.mn-net.com/english/Instruction_leaflets/Chromatography/SPE/CHROMABOND_VK_DE_EN.pdf
reusable glass syringes with disposable glass fibre filters	Machery Nagel	730172 730192	http://www.mn-net.com/SPEStart/SPEaccessories/EmptySPEcolumns/tabid/4285/language/en-US/Default.aspx
25 ml volumetric glass flasks	common lab supply	N/A	In contrast to all other glassware, do not combust to ensure volumetric accuracy. Instead, clean in acid bath, with ultrasound and with ultrapure water.
chromatographic glass columns with frit and PTFE stopcock and glass wool	custom made	N/A	dimensions of glass columns: ca. 40 cm long, ca. 1.5 cm in diameter
cation exchange resin	Sigma Aldrich	217514	Dowex 50 WX8 400
conductivity meter	WTW	300243	LF 320 Set
100 ml conical flasks for freeze drier	common lab supply	N/A
liquid nitrogen	common lab equipment	N/A	for snap-freezing the aequous solution after removal of cations
freeze dryer	Christ	N/A	Alpha 2 - 4 LD plus
C18 solid phase extraction cartridges	Supelco	52603-U	http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/supelco/52603u?lang=de®ion=CH
2.5 ml glass test tubes	Agilent Technologies	5022-6534	http://www.chem.agilent.com/store/en_US/Prod-5022-6534/5022-6534?navAction=push&navCount=0
concentrator	Eppendorf	5305000.100
1.5 ml HPLC autosampler vials	depending on HPLC	N/A
6 ml fraction collector vials	depending on HPLC	N/A
high purity N2 gas	common lab equipment	N/A
12 ml borosilicate gas tight vials	Labco	538W	http://www.labco.co.uk/europe/gas.htm#doublewad12ml
needles	B Braun	4665643	http://www.bbraun.ch/cps/rde/xchg/cw-bbraun-de-ch/hs.xsl/products.html?prid=PRID00000510
high purity He gas	common lab equipment	N/A
HNO3 (65%) p.a.	Sigma Aldrich	84378	http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/84378?lang=de®ion=CH
2 M HCl	Sigma Aldrich	258148	mix with ultrapure water to achieve 2 M solution
2 M NaOH	Sigma Aldrich	71691	mix with ultrapure water to achieve 2 M solution
methanol	Sigma Aldrich	34860	http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/34860?lang=de®ion=CH
water	Milli-Q	Z00QSV0WW	Type 1 grade, optimized for low carbon
orthophosphoric acid	Sigma Aldrich	79606	http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/fluka/79606?lang=de®ion=CH
acetonitrile	Sigma Aldrich	34851	http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/34851?lang=de®ion=CH
C18 reversed phase column	Agilent Technologies	685975-902	Agilent Poroshell 120 SB-C18 (4.6 x 100 mm)
Na2S2O8, sodium persulfate	Sigma Aldrich	71890	http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/71890?lang=de®ion=CH
BPCA standards
trimellitic acid	Sigma Aldrich	92119	http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/fluka/92119?lang=de®ion=CH
hemimellitic acid	Sigma Aldrich	51520	http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/51520?lang=de®ion=CH
pyromellitic acid	Sigma Aldrich	83181	http://www.sigmaaldrich.com/catalog/search? term=83181&interface=All& N=0&mode=match%20partialmax& lang=de®ion=CH&focus=product
benzenepentacarboxylic acid	Sigma Aldrich	S437107	http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/s437107?lang=de®ion=CH
mellitic acid	Sigma Aldrich	M2705	http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/m2705?lang=de®ion=CH
oxidation standards
phtalic acid	Sigma-Aldrich	80010	http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/80010?lang=de®ion=CH
sucrose	Sigma-Aldrich	S7903	http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigma/s7903?lang=de®ion=CH
black carbon reference materials	University of Zurich	N/A	http://www.geo.uzh.ch/en/units/physische-geographie-boden-biogeographie/services/black-carbon-reference-materials