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

Het algemene doel van deze moleculaire marker-methode is om de pyrogene koolstoffractie in milieu monsters te karakteriseren, te kwantificeren en isotopisch te analyseren. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van kernvragen in diverse vakgebieden, variërend van archeologie en milieuforensica tot onderzoek naar biochar en de koolstofcyclus. De belangrijkste voordelen van deze techniek zijn de detectie van pyrogene koolstof over een breed bereik van het verbrandingscontinuüm.

Gelijktijdige karakterisering, kwantificering en isotopische analyse van pyrogeen koolstof. En de toepasbaarheid op een zeer breed scala aan milieu-monstermaterialen. De monstervoorbereiding en chromatografie zullen worden gedemonstreerd door Ulrich Hanke, een promovendus uit ons laboratorium.

De daaropvolgende isotopische analyse van de gezuiverde doelverbindingen zal worden gedemonstreerd door Negar Haghipour, labcoördinator aan de ETH Zürich. Begin deze procedure door eerder gevriesdroogde en gehomogeniseerde monsters af te wegen in kwarts-digestiebuisjes en deze met aluminiumfolie af te dekken tegen stof. Gebruik gedurende de gehele procedure uitsluitend schoon, gedecalcificeerd en zuurbestendig glaswerk, grondig gereinigde instrumenten en ultra-puur chromatografisch water en oplosmiddelen.

Voeg twee milliliter 65% salpeterzuur toe aan de opsluitingsbuisjes. Gebruik een vortexmixer om een grondige bevochtiging van elk monster te bevorderen. Plaats de opsluitingsbuisjes vervolgens in een drukkamer.

Sluit de drukcel volgens de handleiding en plaats deze gedurende acht uur in een voorverwarmde oven op 170 °C. Nadat de digestiebuizen uit de afgekoelde drukcel zijn gehaald, worden de monsters met water door middel van wegwerpglasvezelfilters gefiltreerd in maatkols. Vul vervolgens het volume aan tot 25 mL met water.

Bereid voor elk monster twee glazen kolommen voor met 11 gram kationuitwisselingshars per kolom. Conditioneer de hars in de kolommen door deze opeenvolgend te spoelen met water, twee molaire natriumhydroxide en twee molaire zoutzuur. Controleer de geleidbaarheid van het water.

Deze wordt door de hars gespoeld nadat deze is geconditioneerd. Breng vervolgens de helft van het monster over op elke kolom en spoel deze opeenvolgend vijf keer met 10 milliliters water. Vriesdroog daarna de waterige oplossingen.

Conditioneer C18 solid phase extraction-cartridges volgens de handleiding van de fabrikant. Los vervolgens elk gevriesdroogd residu opnieuw op in drie milliliter methanol en water. Elueer elk sample-halfdeel via een afzonderlijke C18 solid phase extraction-cartridge in reageerbuisjes van 2,5 milliliter.

Spoel de cartridges vervolgens met één milliliter methanol en water. Droog de reageerbuizen met de monsteroplossingen met een vacuümconcentrator die is verwarmd tot 45 °C, bij een vacuüm van ongeveer 50 millibar. Los na het drogen elk residu opnieuw op in één milliliter water en meng dit met een vortexmixer.

Overbreng vervolgens de oplossingen naar 1,5 milliliter auto-sampler vials. Bereid voor de chromatografische analyse oplosmiddel A door 20 milliliters 85% orthofosforzuur te mengen met 980 milliliters water en filter de oplossing onder vacuüm door een wegwerpglasvezelfilter. Bereid standaardoplossingen van commercieel beschikbare benzeenpolycarboxylzuren (BPCAs) om een externe standaardconcentratiereeks te produceren.

Voer de chromatografie uit en kwantificeer de BPCA-gehaltes door de respectievelijke BPCA-piekoppervlakken te vergelijken met de metingen van externe standaardreeksen. De zuiverheidseisen voor chemische en laboratoriumapparatuur zijn bijzonder hoog voor verbinding-specifieke Koolstof-14-analyse van BPCAs. Blanco-beoordelingen en veegtests zijn belangrijk om potentiële bronnen van monstercontaminatie te monitoren.

Als verbinding-specifieke Carbon-13 en Carbon-14 analyses van de pyrogene koolstoffractie zijn beoogd, dient de chromatografie voor elk monster meerdere keren te worden herhaald, waarbij de individuele BPCA's in voldoende hoeveelheid worden opgevangen met een fractiecollector die is aangesloten op de HPLC. Verwijder het oplosmiddel door de fracties in te blazen met een zachte stroom stikstof, terwijl deze worden verhit tot 70 °C. Bereid vervolgens het oxiderende reagens door twee gram natriumpersulfaat op te lossen in 15 ml water.

Los elk residu opnieuw op in vier milliliter water en breng de monsters over in gasdichte borosilicaatflesjes van 12 milliliter. Voeg vervolgens één milliliter oxiderend reagens toe en sluit elk flesje met een standaarddop voorzien van een butylrubberen septum. Spoel de gasdichte flesjes met de waterige oplossingen acht minuten lang door met helium om koolstofdioxide uit het flesje en de oplossing te verwijderen.

Oxideer vervolgens de monsters in de gasdichte vials door ze 60 minuten lang te verhitten bij 100 °C. Nadat de monsters zijn afgekoeld tot kamertemperatuur, wordt het koolstofdioxide uit de oxidatie direct geanalyseerd op een isotoopverhoudingsmassaspectrometer voor het koolstof-13 gehalte en op een versnelde massaspectrometer voor het koolstof-14 gehalte. De beschreven procedure maakt een baseline-scheiding van alle BPCA-doelverbindingen via HPLC mogelijk; de chromatogrammen van de referentiematerialen tramazem en gras-houtskool worden hier getoond.

Door de chromatografieparameters aan te passen, kan de scheiding verder worden gewijzigd voor specifieke behoeften. Kwantitatieve analyse van de chromatogrammen van de referentiematerialen met externe standaarden zou de hier afgebeelde pyrogeen koolstofwaarden moeten opleveren. De Carbon-13 en Carbon-14 waarden die worden verkregen wanneer gezuiverde BPCA's van referentiematerialen worden geanalyseerd op hun koolstofisotoopgehalte, zijn hier vermeld.

Zodra deze techniek onder de knie is, kan deze in drie werkdagen worden uitgevoerd. Daarom is de doorzet van monsters afhankelijk van hoeveel monsters er gelijktijdig worden verwerkt. Het is eenvoudig haalbaar om wekelijks een dozijn monsters in dubbele bepalingen en met isotopische informatie te meten.

Na het bekijken van deze video zou u een goed inzicht hebben in hoe u de onmiskenbare stappen moet uitvoeren voor de succesvolle analyse van pyrogene koolstof op verbinding-specifiek niveau.