Charakterystyka, kwantyfikacja i analiza izotopowa specyficzna dla związku węgla pirogennego przy użyciu polikarboksylowych kwasów benzenowych (BPCA)

Summary

Przedstawiamy metodę oceny pirogenicznego węgla (PyC) w środowisku za pomocą kwasu polikarboksylowego benzenu (BPCA). Podejście specyficzne dla związku w unikalny sposób dostarcza jednoczesnych informacji o charakterystyce, ilości i składzie izotopowym (¹³C i ¹⁴C) PyC.

Abstract

Ogniozależny, pirogeniczny węgiel (PyC), czasami nazywany czarnym węglem (BC), to węglowa stała pozostałość po spalaniu biomasy i paliw kopalnych, takich jak węgiel i sadza. PyC jest wszechobecny w środowisku ze względu na jego długą trwałość, a jego liczebność może nawet wzrosnąć wraz z prognozowanym wzrostem globalnej aktywności pożarów i ciągłym spalaniem paliw kopalnych. PyC jest również coraz częściej wytwarzany w wyniku przemysłowej pirolizy odpadów organicznych, w wyniku której powstają zwęglone dodatki do gleby (biowęgiel). Co więcej, pojawienie się nanotechnologii może również skutkować uwalnianiem związków podobnych do PyC do środowiska. W związku z tym priorytetem jest wiarygodne wykrywanie, charakteryzowanie i ilościowe określanie tych zwęglonych materiałów w celu zbadania ich właściwości środowiskowych i zrozumienia ich roli w obiegu węgla.

Tutaj prezentujemy metodę kwasu polikarboksylowego benzenu (BPCA), która pozwala na jednoczesną ocenę charakterystyki, ilości i składu izotopowego PyC (¹³C i ¹⁴C) na poziomie molekularnym. Metoda ma zastosowanie do bardzo szerokiego zakresu materiałów próbek środowiskowych i wykrywa PyC w szerokim zakresie kontinuum spalania, tj. jest wrażliwa na lekko zwęgloną biomasę, a także zwęglenie i sadzę o wysokiej temperaturze. Przedstawiony tutaj protokół BPCA jest prosty w użyciu, wysoce powtarzalny, a także łatwo rozszerzalny i modyfikowalny w celu spełnienia określonych wymagań. Tym samym stanowi wszechstronne narzędzie do badania PyC w różnych dyscyplinach, począwszy od archeologii i kryminalistyki środowiskowej, a skończywszy na badaniach nad biowęglem i obiegiem węgla.

Introduction

W pełnym procesie spalania, biomasa lub paliwo kopalne są przekształcane w CO₂, H₂O i pozostałości nieorganiczne (popiół). Jednak przy lokalnych lub czasowych ograniczeniach tlenu spalanie staje się niepełne i zachodzi piroliza, w wyniku której powstaje stała pozostałość organiczna znana jako karbonus¹. Te zwęglone pozostałości są również określane jako pirogenna materia organiczna (PyOM) i składają się głównie z pirogenicznego węgla (PyC) lub, synonimicznie, sadzy (BC)^2-4. Procesy zwęglania są wszechobecne i mogą być częścią zarówno naturalnego, jak i antropogenicznego spalania^5-6. Pożar lasu jest ważnym naturalnym procesem, nieodłącznym dla większości ekosystemów, który wytwarza znaczną ilość PyC każdego roku^4,7-10. Podobnie, spalanie paliw kopalnych do produkcji energii w przemyśle i transporcie stanowi ważne antropogeniczne źródło PyC^11-13. Oba źródła przyczyniają się do wszechobecności PyC w środowisku: PyC występuje w powietrzu, w postaci aerozoli^13-14, w wodzie w postaci cząstek stałych lub rozpuszczonej materii organicznej^15-17, a także w rdzeniach lodowych^18-19, glebach^20-21 i osadach^22-24 o rozmiarach od m do nm (np. duże zwęglone pnie drzewa po pożarze lasu lub nanocząsteczki sadzy, które wydostają się ze spalin silnika wysokoprężnego). Wszechobecność PyC w środowisku wynika nie tylko z dużych wskaźników produkcji, ale także z jego długiego utrzymywania się i względnej stabilności przed degradacją^25-26. Chociaż dokładne czasy obrotu nie zostały jeszcze ustalone i mogą zależeć od konkretnych warunków środowiskowych^27-28, wydaje się jasne, że PyC jest mniej łatwo rozkładany na CO₂ niż większość innych form węgla organicznego^29-30. Obserwacja ta ma ważne implikacje dla globalnego cyklu C: ponieważ zwęglone materiały przechowują PyC przez stosunkowo długi czas, sekwestrują C w formach organicznych, które w przeciwnym razie byłyby szybko oddychane jako CO_{2 ,} zmniejszając w ten sposób stężenie gazów cieplarnianych w atmosferze^{w czasie 31-32}.

Oprócz aspektu łagodzącego zmiany klimatu, znaki mają inne właściwości istotne dla środowiska. Ich wysoka porowatość, duża powierzchnia i ujemny ładunek powierzchniowy mogą unieruchamiać niebezpieczne związki³³ i poprawiać żyzność gleby^34-35. Uznanie zwęglenia za potencjalnie korzystną modyfikację gleby doprowadziło do powstania tzw. technologii biowęgla³⁶. Biowęgiel będzie prawdopodobnie produkowany na dużą skalę w nadchodzących latach, a tym samym znacznie zwiększy obfitość PyC w glebach³⁷. Co więcej, przewiduje się, że występowanie pożarów lasów i spalanie paliw kopalnych utrzyma się na wysokim poziomie w ciągu XXI^wieku, stale przyczyniając się do powstawania dużych ilości PyC do środowiska^11,38-39. Innym coraz ważniejszym źródłem PyC może być nanotechnologia, która również wykorzystuje związki podobne do PyC^40-41. Dlatego tak ważne jest dokładne wykrycie, scharakteryzowanie i ilościowe określenie tych materiałów pirogenicznych w celu zbadania ich właściwości i zrozumienia ich roli w środowisku.

Tutaj prezentujemy zastosowanie najnowocześniejszego podejścia specyficznego dla związku do analizy PyC w różnych próbkach: najnowsza generacja metody kwasu polikarboksylowego benzenu (BPCA)⁴². Metoda ta ma szerokie zastosowanie w badaniach nad PyC, ponieważ jest bezpośrednio ukierunkowana na "kręgosłup" PyC: jego wielopierścieniowe skondensowane struktury, które tworzą się podczas obróbki termicznej^43-45 i które są zatem nieodłączne dla wszystkich różnych form PyC^5,46. Jednak struktury te nie są bezpośrednio oceniane za pomocą środków chromatograficznych ze względu na ich rozmiar i niejednorodność. W celu chromatograficznej analizy takich związków pirogennych, PyC jest najpierw trawiony kwasem azotowym pod wpływem wysokiej temperatury i ciśnienia, który rozbija duże struktury policykliczne na swoje bloki budulcowe, poszczególne BPCA (porównaj 1). Rysunek 1). Następnie, po kilku etapach oczyszczania, BPCA są poddawane analizie chromatograficznej^20,42. PyC jest zatem izolowany i analizowany na poziomie molekularnym i może być wykorzystany do ilościowego określenia obfitości PyC w przedziałach środowiskowych^20,42. Metoda BPCA dodatkowo charakteryzuje badany PyC, gdy porównuje się względne plony B3-, B4-, B5- i B6CA (por. rysunek 1): Odpowiednia proporcja różnie karboksylowanych BPCA jest związana z wielkością pierwotnych struktur policyklicznych, a zatem wskazuje na jakość PyC i temperaturę pirolizy^44,47-48. Ponadto przedstawiona metoda pozwala na określenie składu izotopowego C (¹³C i ¹⁴C) PyC, ponieważ poszczególne BPCA, pochodzące bezpośrednio z czystych struktur PyC, mogą być analizowane izotopowo po izolacji (por. rysunek 1, kroki 5 i 6)⁴⁹. Specyficzna dla związku analiza izotopowa PyC jest bardzo interesująca⁵⁰ , ponieważ może być wykorzystana np. do rozróżnienia biomasy prekursorowej karb w regionach tropikalnych^51-52, do określenia wieku zwęglonych materiałów^53-54 lub do śledzenia PyC w badaniach cyklicznych C z oznaczeniem izotopowym^26,55-56. Więcej informacji na temat PyC, a w szczególności historii, rozwoju i zastosowań metody BPCA, można znaleźć w Wiedemeier, 2014⁵⁷, skąd zebrano część powyższych akapitów i część dyskusji.

Protocol

1. Ogólne środki ostrożności i przygotowania

1. Przez cały czas trwania zabiegu należy używać wyłącznie czystych, odwapnionych (kąpiel 10% HCl) i spalonych naczyń szklanych (500 °C przez 5 godzin), dokładnie oczyszczonych narzędzi oraz ultraczystej wody i rozpuszczalników do chromatografii cieczowej pod wysokim ciśnieniem (HPLC).
2. Liofilizować i homogenizować próbki za pomocą bezwęglowego młyna kulowego⁵⁸ i oznaczać ich całkowitą zawartość węgla organicznego (TOC) za pomocą analizy elementarnej^59-60,
   Uwaga: Wymagania dotyczące czystości dla chemikaliów i sprzętu laboratoryjnego są szczególnie wysokie w przypadku specyficznej dla związku ^{analizy 14}C BPCA. Uwzględnij ślepe próby⁴⁹ i testy zbliżeniowe⁶¹ w celu monitorowania potencjalnych źródeł zanieczyszczenia próbki.

2. HNO₃ Trawienie

1. Zważyć próbki liofilizowane i homogenizowane (por. 1.2.) do kwarcowych probówek wytrawiających i przykryć folią aluminiową przed kurzem.
   1. Do celów kwantyfikacji i charakterystyki PyC należy używać próbek zawierających > 1 mg TOC⁴². Tak więc w przypadku gleb i osadów należy stosować ok. 200 - 400 mg, a w przypadku próbek bogatych w substancje organiczne, takie jak czyste węgle drzewne, stosować ok. 10 - 20 mg na probówkę wytrawiającą.
   2. W przypadku późniejszej analizy izotopowej PyC (¹³C i ¹⁴C) specyficznej dla związku, należy upewnić się, że próbka zawiera wystarczającą ilość BPCA-C, aby spełnić limity wykrywalności określonego spektrometru mas o stosunku izotopów, który będzie używany po kroku 6. Jeśli nie ma dostępnych informacji a priori na temat ilości PyC w próbce (np. z poprzednich pomiarów), najpierw określ ilościowo zawartość PyC (kroki 1 - 5), a następnie przygotuj więcej próbki, jeśli wydajność BPCA-C jest zbyt niska do analizy izotopowej.
      Uwaga: Należy uwzględnić próbki ślepe i referencyjne o znanej zawartości PyC oraz ¹³C i ¹⁴C (np. z »materiałów odniesienia sadzy«, por. sekcja dotycząca wyników). Pozwoli to na sprawdzenie odtwarzalności kwantyfikacji PyC i umożliwi ślepe obliczenia korekcyjne pomiarów izotopowych specyficznych dla związku po analizie.
2. Dodać 2 ml 65% HNO₃ do probówek wytrawiających, użyć mieszalnika wirowego, aby wspomóc dokładne zwilżenie próbki, a następnie włożyć probówki do wytrawiania do komory ciśnieniowej. Zamknąć komory ciśnieniowe zgodnie z instrukcją⁶² i wstawić je do piekarnika nagrzanego do 170 °C na 8 godz.
   UWAGA: Po strawieniu pozostaw komory do ostygnięcia wewnątrz piekarnika i otwórz je pod wyciągiem dopiero po osiągnięciu temperatury pokojowej, ponieważ mogą wydostawać się szkodliwe gazy.
3. Przefiltrować próbki z wodą do kolb miarowych za pomocą jednorazowych filtrów z włókna szklanego (< 0,7 mikrona), na przykład w szklanych strzykawkach, i dostosować objętość do 25 ml. Rozcieńczenie jest konieczne, aby zatrzymać dalsze trawienie.
   Uwaga: 25 ml roztworów zawierających BPCA można przechowywać w lodówce do 2 miesięcy przed dalszym przetwarzaniem. Trawienie można w zasadzie przeprowadzić również przy użyciu innych urządzeń, na przykład za pomocą ciśnieniowego systemu mikrofalowego¹⁶. W takim przypadku należy przeprowadzić badania z użyciem materiałów referencyjnych w celu sprawdzenia odzysku BPCA i odtwarzalności metody (por. sekcja dotycząca reprezentatywnych wyników).

3. Usuwanie kationów

1. Dla każdej próbki należy przygotować dwie szklane kolumny (400 mm wysokości, 15 mm średnicy) z 11 g żywicy kationitowej na kolumnę. Kondycjonować żywicę wewnątrz kolumn, kolejno przepłukując ją: 2 objętościami wody, 1 objętością kolumny 2 M NaOH, 2 objętościami kolumny wody do neutralizacji pH, 1 objętością kolumny 2 M HCl i ostatecznie 2 objętościami kolumny wody.
2. Sprawdź przewodność wody, która jest przepłukiwana przez żywicę po jej kondycjonowaniu. Żywicę uważa się za prawidłowo kondycjonowaną, gdy przewodność jest poniżej 2 μS ^cm-1.
3. Umieścić połowę próbki (tj. 12,5 ml, por. krok 2.3) na każdą kolumnę, przepłukać kolejno 5 razy 10 ml wody, a następnie wysuszyć roztwór wodny przez liofilizację. Próbka jest stabilna po liofilizacji i może być przechowywana do tygodnia przed dalszym przetwarzaniem, jeśli jest przechowywana w suchym miejscu w ciemnym i chłodnym miejscu.
   Uwaga: Do zamrożenia próbek należy użyć ciekłego azotu ("zamrażanie błyskawiczne"), ponieważ pozwala to uniknąć zamarznięcia HNO₃, co może spowodować powstanie kałuży mocnego, niezamarzającego roztworu kwasu. Upewnij się, że liofilizator jest w dobrym stopniu kwasoodporny i przetestuj pod kątem potencjalnego zanieczyszczenia oparami pompy próżniowej, jeśli zamierzona jest analiza ^{BPCA 14}C specyficzna dla związku.

4. Usuwanie związków apolarnych

1. Kondycjonować wkłady ekstrakcyjne do fazy stałej C18 zgodnie z instrukcją obsługi producenta, tj. kolejno przepłukać je 2,5 ml metanolu, 2,5 ml wody i ostatecznie 2,5 ml metanolu/wody (1:1 v/v).
2. Ponownie rozpuścić liofilizowaną pozostałość w 3 ml metanolu/wody (1:1 v/v). Eluować każdą jego połowę (1,5 ml) w oddzielnym kartuszu ekstrakcyjnym C18 do fazy stałej do probówek o pojemności 2,5 ml. Przepłukać wkłady kolejnym 1 ml metanolu/wody (1:1 v/v).
3. Wysuszyć probówki roztworem próbki, na przykład za pomocą koncentratora próżniowego, podgrzanego do temperatury 45 °C i próżni ok. 50 mbar. Można również zastosować inne sposoby odparowywania, na przykład system odmulania z gazem_N2, jak w kroku 6.
4. Ponownie rozpuść pozostałość w probówce w 1 ml wody. Wspomóc rozpuszczanie za pomocą mieszalnika wirowego i przenieść do fiolek z automatycznym samplerem o pojemności 1,5 ml.
   Uwaga: Na tym etapie próbki można przechowywać w lodówce do 3 miesięcy⁴².

5. Chromatografia

1. Przygotować rozpuszczalnik A, mieszając 20 ml 85% kwasu ortofosforowego z 980 ml wody i przefiltrować roztwór przez jednorazowy filtr z włókna szklanego za pomocą próżni. Nie wystawiaj rozpuszczalnika A na działanie promieni słonecznych i zużyj go w ciągu 24 godzin, aby uniknąć rozwoju glonów. Użyj czystego acetonitrylu klasy HPLC jako rozpuszczalnika B.
2. Przygotować roztwory wzorcowe dostępnych w handlu BPCA (kwas hemimelilityczny, trimelityczny, piromelitowy, pentakarboksylowy i melitynowy) w celu wytworzenia zewnętrznej serii stężeń wzorcowych (np. 6 fiolek zawierających 5, 20, 60, 100, 150 i 250 μg każdego BPCA zmieszanych razem w 1 ml wody).
3. Przeprowadzić chromatografię z zastosowaniem ustawień podanych w Tabeli 1 i Tabeli 2 i określić ilościowo zawartość BPCA, porównując odpowiednie obszary pików BPCA z pomiarami wzorca zewnętrznego serii⁶³.
4. Wyrazić wyniki dotyczące ilości PyC w BPCA-C/suchej masie próbki [g/kg] lub BPCA-C/TOC [%]. Ponadto cechy jakościowe PyC w próbkach można opisać za pomocą proporcji poszczególnych BPCA, np. proporcja B6CA (B6CA/BPCA [%]) wskazuje na stopień kondensacji aromatycznej PyC⁴⁴.

6. Utlenianie na mokro oczyszczonych BPCA do późniejszej analizy ¹³C i ¹⁴C

1. Po kroku 5.3 zebrać poszczególne BPCA w wystarczającej ilości (np. > 30 μg BPCA-C dla spektrometrów masowych z aktualnym akceleratorem^49,64) za pomocą kolektora frakcji podłączonego do HPLC⁴⁹, a następnie usunąć rozpuszczalniki, przedmuchując frakcje delikatnym strumieniem_N2 przy jednoczesnym podgrzaniu ich do temperatury 70 °C. W fiolce pozostaną tylko niewielkie ilości ciekłego kwasu fosforowego, w tym BPCA.
2. Przygotować odczynnik utleniający, rozpuszczając 2 g Na₂S₂O₈ w 50 ml wody, świeżo przygotowanej w ciągu 24 godzin od użycia><. Uwaga: Dwukrotnie rekrystalizuj nadsiarczan sodu, aby poprawić jego czystość, całkowicie rozpuszczając kilka gramów w gorącej wodzie, a następnie zbierając ciało stałe po ostygnięciu wody^65-66.
3. Ponownie rozpuścić wydmuchiwaną pozostałość (etap 6.1) w 4 ml wody i przenieść próbkę do 12 ml gazoszczelnej fiolki z węglianem borokrzemianu. Dodać 1 ml odczynnika utleniającego i zamknąć standardową nasadką zawierającą przegrodę z kauczuku butylowego.
4. Płukać gazoszczelną fiolkę wraz z roztworem wodnym He przez 8 minut, aby usunąć CO₂ z fiolki i roztworu⁶⁶.
5. Próbki w gazoszczelnych fiolkach utleniać poprzez ogrzewanie ich w temperaturze 100 °C przez 60 minut.
6. Bezpośrednio analizować CO₂ z utleniania na spektrometrach mas o stosunku izotopów dla zawartości ¹³C^65-66 i na przyspieszonych spektrometrach masowych dla ¹⁴C o zawartości^67-68,
   Uwaga: Utlenione próbki mogą być przechowywane przez co najmniej jeden tydzień⁶⁶ przed analizą w ^{temperaturze 13}C i/lub ¹⁴C.

Results

Zalecamy przetestowanie konfiguracji metody poprzez zmierzenie zestawu dobrze opisanych materiałów PyC ("materiały referencyjne czarnego węgla"), które były szeroko stosowane do różnych rozwoju metod i porównań w literaturze^44,48,69-77. Informacje na temat materiałów referencyjnych są dostępne na Uniwersytecie w Zurychu (http://www.geo.uzh.ch/en/units/physische-geographie-boden-biogeographie/services/black-carbon-reference-materials).

Opisana procedura pozwala na oddzielenie wszystkich docelowych związków BPCA od linii bazowej za pomocą HPLC. Chromatogramy materiałów odniesienia: "czarnoziemu" (gleba mulista o znacznej zawartości PyC) i zwęglenia traw (wytwarzanego z Oryza Sativa) przedstawiono na rysunku 2. Poprzez dostosowanie parametrów chromatograficznych w tabelach 1 i 2 (np. temperatura chromatografii, pH rozpuszczalnika A lub natężenie przepływu itp.), rozdzielanie może być dalej modyfikowane w zależności od szczególnych potrzeb^42,63.

Analiza ilościowa chromatogramów materiałów referencyjnych z zewnętrznymi wzorcami (krok 5.3.) powinna dać wartości PyC przedstawione na rysunku 3. Należy pamiętać, że niewielkie zmiany w procedurze (np. pominięcie kroku 3 lub 4 w szczególnych przypadkach) mogą prowadzić do wyższych wartości PyC. Ogólnie rzecz biorąc, odzysk powinien być sprawdzany za pomocą czystych wzorców BPCA: wzbogacone materiały referencyjne mogą pomóc w wykryciu nieproporcjonalnych strat w krokach 3 i 4 oraz dostarczyć informacji o wydajności chromatografii w kroku 5 ^42,63.

Tabela 3 pokazuje wartości ¹³C i ¹⁴C, które są uzyskiwane, gdy oczyszczone BPCA materiałów referencyjnych są analizowane pod kątem zawartości izotopu węgla po kroku 6. Aby uzyskać wiarygodne wyniki, konieczne jest zebranie wystarczających ilości BPCA-C (np. > 30 μg BPCA-C dla obecnych spektrometrów masowych z akceleratorem, por. rysunek 4) i podjęcie wszelkich możliwych środków w celu zminimalizowania zanieczyszczenia próbki obcym C ⁴⁹.

Oprócz sprawdzenia konfiguracji metody z materiałami referencyjnymi, jak opisano powyżej, wysoce wskazane jest przygotowanie i zmierzenie próbek w powtórzeniach, zarówno do kwantyfikacji PyC (krok 5), jak i późniejszych analiz BPCA dla związków ^{chemicznych 13}C i ¹⁴C (krok 6).

Rysunek 1: Procedura analizy BPCA. W kroku 2 protokołu policykliczne aromatyczne skondensowane struktury PyC są trawione, tworząc różne BPCA, które są następnie dalej oczyszczane (kroki 3 i 4) oraz analizowane chromatograficznie i rozdzielane (krok 5). Po utlenieniu na mokro (etap 6) oczyszczone BPCA są podatne na specyficzną dla związku analizę izotopową (¹³C i ¹⁴C) na spektrometrach mas o stosunku izotopów. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Chromatogramy do rozdzielania BPCA. Pokazano materiały referencyjne sadzy "czarnoziem" (a) i "zwęglić trawę" (b). Separację wyjściową uzyskuje się dla wszystkich docelowych związków BPCA (B6CA; B5CA; 1,2,4,5-. 1,2,3,5-, 1,2,3,4-B4CA; 1,2,4-, 1,2,3-B3CA)⁴². Informacje na temat materiałów referencyjnych sadzy są dostępne na Uniwersytecie w Zurychu (http://www.geo.uzh.ch/en/units/physische-geographie-boden-biogeographie/services/black-carbon-reference-materials). Rysunek ten został zmodyfikowany na podstawie Wiedemeier et al. 2013⁴² i jest przedrukowany za zgodą Elsevier. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Powtórzone pomiary PyC różnych materiałów odniesienia sadzy. Słupki błędu dla powtórzeń laboratoryjnych są mniejsze niż rozmiar symbolu, a współczynnik zmienności wynosi średnio 5% (min. 1%, maks.: 10%). Rysunek ten został zmodyfikowany na podstawie Wiedemeier et al. 2013⁴² i jest przedrukowany za zgodą Elsevier. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Wartości radiowęglowe (¹⁴C) dla B5CA i B6CA wyizolowane z nowoczesnego i kopalnego karbowca. Podany błąd składa się z poprawek tła spektrometru mas akceleratora instrumentalnego oraz ślepej próby dla utleniania na mokro. Ciągła szara linia reprezentuje wyidealizowaną linię dla mieszaniny rzeczywistej wartości F¹⁴C dla danej próbki i wyznaczonego średniego zanieczyszczenia zewnętrznego. Rysunek ten został zmodyfikowany na podstawie Gierga et al. 2014⁴⁹ i jest przedrukowany za zgodą Elsevier. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

ruchoma faza A	20 ml kwasu ortofosforowego (85%) w 980 ml ultraczystej wody
ruchoma faza B	Acetonitrylu
kolumna	C18 faza odwrócona (szczegóły w wykazie materiałów)
Temperatura kolumny	15 °C
Przepływ	0,4 ml min-1
identyfikacja	czas retencji, absorpcja promieniowania UV przy 216 nm
Kwantyfikacji	zewnętrzne standardy BPCA
ciśnienie	ok. 120 barów

Tabela 1: Ustawienia chromatografii.

pkt.

Godzina	ruchoma faza B
[min]	[% obj.]
0	0,5
5	0,5
25,9	Rozdział 30
26	95 Rozdział 95
28	95 Rozdział 95
Rozdział 28,1	0,5
Rozdział 30	0,5

Tabela 2: Gradient mieszania faz ruchomych.

pkt. pkt. pkt.

	znak zbiorczy		BPCA
	δ13C [‰ w porównaniu z VPDB]
golec kasztanowaty	-27,4a	±0,4A	-27,7	±0,8
zwęglenie kukurydzy	-12,9	±0,4	-13,0	±0,4
	F14C [%]
Nowoczesny znak	1,142mld	±0,004mld	Pytanie 1,13	±0,013
kopalny węgiel	0,003mld	±0,001mld	0,014	±0,001

Tabela 3: Wartości izotopów węgla (δ¹³C i F¹⁴C) materiałów referencyjnych oraz specyficzna dla związku analiza izotopowa odpowiednich BPCA. Wartości BPCA reprezentują B6CA i B5CA, które zostały zebrane jednocześnie w kroku 5. Jednak analizę izotopową poszczególnych BPCA można przeprowadzić analogicznie, gdy BPCA są zbierane oddzielnie. Dane dotyczące karbowania pochodzą z Yarnes et al. (2011) ⁷³ dla golca kasztanowca (a) oraz z Gierga et al. (2014) ⁴⁹ dla kopalnego i współczesnego golca (b). Błędy dla pomiarów δ¹³C są błędami standardowymi z trzech egzemplarzy, natomiast błędy dla pomiarów F¹⁴C (znak zbiorczy: ETH-50456, ETH-50458; BPCA: ETH-62324, ETH-62335) pochodzą z propagacji błędów⁶⁴.

Discussion

Metoda BPCA ma kilka ważnych zalet w porównaniu z innymi dostępnymi metodami PyC^78-79: i) wykrywa PyC w szerokim zakresie kontinuum spalania, tj. jest wrażliwa na lekko zwęgloną biomasę, a także zwęglenie i sadzę w wysokiej temperaturze^42,70, ii) może jednocześnie charakteryzować^16,44,80-81, oznaczać ilościowo^20,42 i analizować izotopowo PyC^{49-50,66,73,82-83}, iii) ma zastosowanie do bardzo szerokiego zakresu próbek środowiskowych^42,70, oraz iv) jego metodologia została poddana gruntownemu przeglądowi i może być umieszczona w spójnych ramach z ocenami innych metod PyC^{44,47,70,84-85}. Z tych wszystkich powodów podejście BPCA jest prawdopodobnie najbardziej wszechstronną metodą PyC dostępną do tej pory, której podstawowe założenia są dobrze ograniczone i są stale testowane w porównaniu z innymi metodami.

Powyższy protokół konsoliduje mocne strony poprzednich metod BPCA w jedną procedurę, jest wysoce powtarzalny, prosty w użyciu i może być łatwo rozszerzany i modyfikowany zgodnie z określonymi wymaganiami. Na przykład, gdy chromatografia jest przeprowadzana z gradientem pH zamiast rozpuszczalnika organicznego, możliwe jest monitorowanie proporcji izotopów BPCA^{on-line 42}, co eliminuje potrzebę etapu utleniania na mokro. Podobnie, usuwanie kationów i/lub związków niepolarnych (etapy 3 i 4) można pominąć, jeżeli wiadomo, że dane próbki nie zawierają żadnych takich związków (np. w niektórych przypadkach zwęgleń wytworzonych w laboratorium).

Jak każda metoda PyC, procedura BPCA ma również pewne ograniczenia. W związku z tym należy zauważyć, że podejście BPCA z natury zaniża całkowitą ilość PyC w próbkach: metoda niszczy duże części struktur policyklicznych PyC w celu ekstrakcji ich bloków budulcowych BPCA, nie odzyskując w ten sposób ilościowo całego PyC w postaci BPCA^20,86. W przeszłości zaproponowano współczynniki konwersji w celu przeliczenia plonów BPCA na całkowitą zawartość PyC. Jednak znalezienie jednego prawidłowego współczynnika konwersji jest praktycznie niemożliwe ze względu na niejednorodny stopień kondensacji aromatycznej w większości znaków^41,48,80,86. W wielu przypadkach ilości PyC w próbkach są porównywane względem siebie^42,81,87-88. W związku z tym sugerujemy, aby nie stosować żadnych współczynników konwersji i po prostu podawać dane BPCA "zgodnie z pomiarem"⁴⁸. W szczególnych przypadkach, gdy wydajność BPCA jest brana pod uwagę w celu oszacowania bezwzględnych ilości PyC^24,89-90, pierwotnie opublikowany współczynnik konwersji²⁰ wynoszący 2,27 wydaje się odpowiedni, ponieważ przelicza on plony BPCA na konserwatywne szacunki zawartości PyC⁸⁶.

Inną trudnością związaną z metodami PyC jest to, że są one potencjalnie wrażliwe na materiały zakłócające, inne niż PyC i/lub że PyC jest wytwarzany podczas samej analizy, co prowadzi do przeszacowania rzeczywistej zawartości PyC w próbkach⁷⁰. Podejście BPCA jest bardzo odporne na takie materiały zakłócające⁷⁰, samo w sobie nie wytwarza żadnego PyC^16,70,86 i ma charakter konserwatywny (por. powyższy akapit). Nawet grafit, materiał chemicznie bardzo podobny do PyC, ale pochodzenia petrogennego, nie zakłóca pomiarów BPCA ^{(Schneider, M. P. W. niepublikowane wyniki. Zurych, (2013)).} Do tej pory jedynymi znanymi interferencjami nie-PyC dla metody BPCA są niektóre skondensowane, aromatyczne pigmenty grzybów⁹¹, które powinny być ilościowo nieistotne dla zdecydowanej większości badań⁸⁶. Metoda BPCA z jednoczesną informacją jakościową, ilościową i izotopową ¹³C i ¹⁴C jest zatem doskonałym narzędziem do badania PyC w różnych dyscyplinach.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
młyn kulowy	Retsch	N/A	młyn kulowy z bezwęglowymi naczyniami i kulami do mielenia (Retsch MM 200 z agatowymi naczyniami i kulami do mielenia)
piec do spalania	Nabertherm	N/A	piec do spalania/piec muflowy o temperaturze 500 ° Bomby ciśnieniowe C (Nabertherm L40/11 lub podobne)
z komorami ciśnieniowymi z PTFE, rurki kwarcowe z pokrywkami kwarcowymi	Seif Aufschlusstechnik, Unterschleissheim, Niemcy	Nie dotyczy	Helma U. Rudolf Seif Aufschlusstechnik Fastlingerring 67 85716 Unterschleissheim Niemcy Tel: (+49) 89 3108181
mieszalnik wirowy	wspólne zaopatrzenie laboratoryjne	Nie dotyczy
piekarnika& nbsp;	Thermo Scientific	50051010	suszarka ze stałą temperaturą (Thermo Scientific Heraeus lub podobny)
system rozdzielaczy próżniowych ze złączami PTFE	Machery Nagel	Chromabond 730151 730106 ftp://ftp.mn-net.com/english/Instruction_leaflets/Chromatography/SPE/CHROMABOND_VK_DE_EN.pdf
szklane strzykawki wielokrotnego użytku z jednorazowymi filtrami z włókna szklanego	Machery Nagel	730172 730192	http://www.mn-net.com/SPEStart/SPEaccessories/EmptySPEcolumns/tabid/4285/language/en-US/Default.aspx
25 ml szklane kolby miarowe	Powszechne zaopatrzenie laboratoryjne	Nie dotyczy	W przeciwieństwie do wszystkich innych wyrobów szklanych, nie należy spalać, aby zapewnić dokładność wolumetryczną. Zamiast tego wyczyść w kąpieli kwasowej, ultradźwiękami i ultraczystą wodą.
chromatograficzne kolumny szklane z kranem z fryty i PTFE oraz wełną szklaną	wykonane na zamówienie	N/A	wymiary kolumn szklanych: ca. długość 40 cm, ca. 1,5  cm średnicy żywicy
kationitowej	Sigma Aldrich	217514	Dowex 50 WX8 400
	WTW	300243	LF 320 Zestaw
kolb stożkowych 100 ml do liofilizatora	Common Lab Supply	Nie dotyczy Powszechny
sprzęt laboratoryjny	z ciekłym azotem	Nie dotyczy	szybkiego zamrażania roztworu zbiorczego po usunięciu kationów
liofilizator	Chrystus	Nie dotyczy	Alpha 2 - 4 LD plus
C18 wkłady do ekstrakcji fazy stałej	Supelco	52603-U	http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/supelco/52603u?lang=de®ion=CH
szklane probówki o pojemności 2,5 ml	Koncentrator http://www.chem.agilent.com/store/en_US/Prod-5022-6534/5022-6534?navAction=push&navCount=0 Agilent Technologies	5022-6534
	Eppendorf	5305000.100
1,5 ml fiolki automatycznego podajnika próbek HPLC	w zależności od HPLC	Nie dotyczy
6 ml fiolki do zbierania frakcji w	zależności od HPLC	Nie dotyczy
2 powszechny sprzęt	laboratoryjny	Nie dotyczy
12 ml gazoszczelne fiolki borokrzemianowe	Labco	538W	Igły do http://www.labco.co.uk/europe/gas.htm#doublewad12ml
	B Braun		4665643 http://www.bbraun.ch/cps/rde/xchg/cw-bbraun-de-ch/hs.xsl/products.html?prid=PRID00000510
wysokiej czystości He gazowy	powszechny sprzęt laboratoryjny	N/A
HNO3 (65%) rocznie	Sigma Aldrich	84378	http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/84378?lang=de®ion=CH
2 M HCl	Sigma Aldrich	258148	mieszać z ultraczystą wodą, aby uzyskać 2 M roztwór
2 M NaOH	Sigma Aldrich	71691	mieszać z ultraczystą wodą, aby uzyskać 2 M roztwór
metanolu	Sigma Aldrich	34860	http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/34860?lang=de®ion=CH
woda	Milli-Q	Z00QSV0WW	Gatunek typu 1, zoptymalizowany pod kątem niskowęglowego
kwasu ortofosforowego	Sigma Aldrich	79606	http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/fluka/79606?lang=de®ion=CH
acetonitryl	Sigma Aldrich	34851	http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/34851?lang=de®ion=CH
C18 kolumna z odwróconymi fazami	Agilent Technologies	685975-902	Agilent Poroshell 120 SB-C18 (4,6 x 100 mm)
Na2S2O8, nadsiarczan sodu	Sigma Aldrich	71890	http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/71890?lang=de®ion=CH
BPCA standards
trimellitic	kwas Sigma Aldrich	92119	http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/fluka/92119?lang=de®ion=CH
kwas hemimelitowy	Sigma Aldrich	51520	http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/51520?lang=de®ion=CH
kwas	piromelitowySigma Aldrich	83181	http://www.sigmaaldrich.com/catalog/search? term=83181& interface=Wszystko& N=0& mode=dopasowanie%20partialmax& lang=de& region=CH& focus=produkt
kwas benzeopentakarboksylowy	Sigma Aldrich	S437107	http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/s437107?lang=de®ion=CH
kwas melitowy	Sigma Aldrich	M2705	http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/m2705?lang=de®ion=CH
wzorce utleniania
kwas fttalowy	Sigma-Aldrich	80010	http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/80010?lang=de®ion=CH
sacharoza	Sigma-Aldrich	S7903	http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigma/s7903?lang=de®ion=CH
materiały referencyjne sadzy	Uniwersytet w Zurychu	N/A	http://www.geo.uzh.ch/en/units/physische-geographie-boden-biogeographie/services/black-carbon-reference-materials