Ekstrakcja i charakterystyka środków powierzchniowo czynnych z aerozoli atmosferycznych
21 kwietnia 2017
Przedstawiono metody ukierunkowanej ekstrakcji środków powierzchniowo czynnych obecnych w aerozolach atmosferycznych oraz określania ich bezwzględnych stężeń i krzywych napięcia powierzchniowego w wodzie, w tym ich krytycznego stężenia miceli (CMC).
Ogólnym celem tej procedury jest ekstrakcja wszystkich środków powierzchniowo czynnych z próbek środowiskowych, takich jak aerozole atmosferyczne, oraz określenie ich stężeń i krzywych napięcia powierzchniowego. Metoda ta może odpowiedzieć na kluczowe pytanie dotyczące stężenia środków powierzchniowo czynnych i zachowania napięcia powierzchniowego we wszystkich żywych organizmach. Zaletą tej techniki, w szczególności etapu ekstrakcji, jest to, że izoluje ona środek powierzchniowo czynny w złożonych matrycach w celu charakteryzacji.
Implikacje tej techniki rozciągają się na całą wiedzę na temat tworzenia się chmur w atmosferze, ponieważ oczekuje się, że środki powierzchniowo czynne będą sprzyjać przekształcaniu aerozoli atmosferycznych w kropelki chmurowe. Dzięki tej metodzie może zapewnić wgląd w środek powierzchniowo czynny w aerozolach atmosferycznych, można go również zastosować w systemie, takim jak próbki gleby lub kultury drobnoustrojów. Pomysł na opracowanie metody zrodził się więc z braku selektywnej ekstrakcji surfaktantów w próbkach atmosferycznych.
Do tej pory stosowano jedynie ekstrakcję wodną. Najpierw zanurz wcześniej przygotowaną próbkę filtra w ultraczystej wodzie na dwie godziny w temperaturze sześciu stopni Celsjusza w zamkniętej szklanej szalce Petriego. Co trzydzieści minut potrząsaj szalką Petriego, trzymając ją płasko.
Po wyjęciu próbki z lodówki przefiltrować ją czystym filtrem strzykawkowym. I dodaj przefiltrowany roztwór do wstępnie zważonej szklanej butelki o pojemności 60 mililitrów. Następnie opłucz szalkę Petriego pięcioma mililitrami ultraczystej wody.
Następnie przefiltruj wodę za pomocą filtra strzykawkowego i dodaj ją do roztworu w szklanej butelce o pojemności 60 mililitrów. Zważyć szklaną butelkę zawierającą roztwór, aby określić objętość przefiltrowanej wody i stężenie środka powierzchniowo czynnego. W celu ekstrakcji do fazy stałej należy przymocować wkład SPE C18 na bazie krzemionki do kolektora próżniowego SPE, który jest podłączony do pompy.
Umyj wkład sześcioma mililitrami acetonitrylu i ustaw natężenie przepływu na jeden mililitr na minutę, regulując podciśnienie w pompie. Następnie umyj kartridż sześcioma mililitrami ultraczystej wody i zatrzymaj pompę, aby utrzymać poziom wody tuż nad wkładem. Następnie przefiltrowaną próbkę należy przepuścić przez wkład SPE z szybkością mniejszą niż jeden mililitr na minutę.
Następnie przepuść jeden mililitr ultraczystej wody przez wkład w celu wyczyszczenia. I wysuszyć wkład, stosując silniejsze podciśnienie w konfiguracji SPE. Dodaj kolektor na ekstrakt próbki pod wkładem.
Eluować frakcję środka powierzchniowo czynnego wchłoniętą na kolumnie, przepływając przez nią cztery mililitry acetonitrylu z prędkością przepływu mniejszą niż jeden mililitr na minutę. Przenieś zebrany ekstrakt do czteromililitrowej fiolki. Odparować roztwór acetonitrylu, wystawiając go na działanie delikatnego strumienia azotu, aż do uzyskania suchego ekstraktu, co zwykle trwa około godziny.
Następnie ponownie rozpuść ekstrakt w 60 mikrolitrach ultraczystej wody. Po rozcieńczeniu 60 mikrolitrów ekstraktu w 10 mililitrach czystej wody dodać 200 mikrolitrów roztworu buforowego octanu, 100 mikrolitrów roztworu E-D-T-A, 500 mikrolitrów roztworu siarczanu sodu i 200 mikrolitrów roztworu fioletu etylowego do butelki, wstrząsając roztworem po każdym dodaniu. Następnie dodaj do roztworu 2,5 mililitra toluenu i mieszadło magnetyczne.
Mieszaj roztwór przy 500 obr./min przez godzinę. Po zatrzymaniu mieszania i pozostawieniu dwóch faz do rozdzielenia, należy usunąć górną fazę toluenową za pomocą szklanej pipety Pasteura i przenieść do czteromililitrowej fiolki chronionej przed światłem w celu analizy UV-VIS. Aby ustalić krzywą kalibracyjną dla anionowych środków powierzchniowo czynnych, przygotuj 12 roztworów soli sodowej sulfobursztynianu dioktylu lub AOT o wielkości od zera do pięciu mikromolów w wodzie i zastosuj poprzednie kroki do każdego z tych roztworów.
Umieść od 1,5 do dwóch mililitrów każdego z 12 poddanych działaniu roztworów AOT w jednocentymetrowym ogniwie kwarcowym ze spektrometrem. Następnie zmierz ich absorbancję przy 612 nanometrach za pomocą spektrofotometru UV-VIS. Aby uzyskać krzywą kalibracyjną dla anionowych środków powierzchniowo czynnych, należy wykreślić absorbancję dla każdego zmierzoną dla każdego roztworu AOT w funkcji jego stężenia.
Aby określić bezwzględne stężenie anionowych środków powierzchniowo czynnych w próbce atmosferycznej, należy zmierzyć absorbancję wyekstrahowanego roztworu toluenu na głębokości 612 nanometrów. Następnie należy umieścić absorbancję uzyskaną dla frakcji anionowej na krzywej kalibracyjnej dla anionowych środków powierzchniowo czynnych w celu określenia stężenia anionowych środków powierzchniowo czynnych w próbce aerozolu. Następnie należy obliczyć całkowite stężenie środka powierzchniowo czynnego w próbce aerozolu, sumując stężenia uzyskane dla frakcji anionowej, kationowej i niejonowej.
Uruchom kamerę tensjometru i oprogramowanie. Wyposażyć strzykawkę w igłę o średnicy 0,30 milimetra, napełnić ją roztworem, który ma być mierzony i umieścić ją na uchwycie tensjometru. Sprawdź wzrokowo, czy końcówka igły znajduje się w polu kamery.
Następnie wytwórz kroplę o średnicy od jednego do trzech milimetrów, popychając tłok. Korzystając z oprogramowania, zrób zdjęcie lub nagraj film kropli, zanim spadnie. Następnie uruchom funkcję analizy oprogramowania, aby dopasować kształt kropli do równania Younga-Laplace'a i uzyskać wartość napięcia powierzchniowego.
Aby wykreślić pozostałą część krzywej, rozcieńczyć ekstrakt dwukrotnie, dodając ultraczystą wodę i powtórzyć pomiar napięcia powierzchniowego z rozcieńczonym roztworem. Stężenia środków powierzchniowo czynnych w drobnych aerozolach zebranych w przybrzeżnym zakładzie Rocosnietza w Chorwacji w lutym 2015 r. pokazują rozkład między anionowymi kationowymi i niejonowymi środkami powierzchniowo czynnymi. Połączenie pomiarów napięcia powierzchniowego z pomiarami stężeń dało w rezultacie bezwzględną krzywą napięcia powierzchniowego dla surfaktantów w pokazanych tutaj próbkach.
Krzywe te wskazują stężenia środków powierzchniowo czynnych w próbkach aerozoli, napięcie powierzchniowe tych próbek oraz krytyczne stężenie miceli lub CMC środków powierzchniowo czynnych. Po opanowaniu tę technikę można wykonać w ciągu 10 godzin na partię próbki, jeśli zostanie wykonana prawidłowo. Podczas wykonywania tej procedury ważne jest, aby nie używać mydła do czyszczenia naczyń szklanych i wykonywania półfabrykatów, aby stężenie i napięcie powierzchniowe były zgodne.
Postępując zgodnie z procedurą instruktażową, można to wykonać na ekstrakcie środka powierzchniowo czynnego, takim jak lewatywa lub ACMS, aby spróbować wyjaśnić strukturę chemiczną środków powierzchniowo czynnych. Opracowanie tej metody pozwala na porównanie stężeń surfaktantów na CMC z wartościami i parametrami środowiskowymi, które mogą ostrzegać np. w celu określenia ich źródeł w ogólnym środowisku lub ich roli w tworzeniu się chmur. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak ekstrahować środki powierzchniowo czynne z próbek środowiskowych, takich jak aerozole atmosferyczne, oraz określać ich stężenie i krzywą napięcia powierzchniowego.
Nie zapominaj, że praca z rozpuszczalnikami, takimi jak acetonitryl i toluen, jest niezwykle niebezpieczna. Podczas wykonywania tej procedury należy zawsze podejmować środki ostrożności, takie jak praca pod wyciągiem i noszenie środków ochrony osobistej.
Przegląd
Niniejszy artykuł przedstawia kompleksową metodę ekstrakcji i charakterystyki surfaktantów z próbek aerozoli atmosferycznych. Protokół umożliwia oznaczenie bezwzględnych stężeń surfaktantów oraz analizę ich wpływu na napięcie powierzchniowe, dostarczając cennych informacji na temat ich roli w procesach tworzenia się chmur i zjawiskach atmosferycznych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Chemia atmosferyczna
- Nauki o środowisku
- Chemia analityczna
Wstęp
- Surfaktanty w aerozolach atmosferycznych wpływają na tworzenie się kropel chmur, oddziałując na meteorologię i klimat.
- Historycznie ekstrakcja i identyfikacja tych związków z aerozoli stanowiły znaczne wyzwanie.
- Zrozumienie właściwości surfaktantów jest kluczowe dla powiązania procesów atmosferycznych z dynamiką ekosystemów.
- Poprzednim metodom brakowało specyficzności oraz kompleksowej charakterystyki surfaktantów w próbkach środowiskowych.
Cel badania
- Opracowanie i walidacja ukierunkowanej metody ekstrakcji surfaktantów z aerozoli atmosferycznych.
- Ilościowe oznaczenie absolutnych stężeń surfaktantów anionowych, kationowych i niejonowych w próbkach aerozolu.
- Wyznaczenie krzywych napięcia powierzchniowego oraz krytycznego stężenia micelarnego (CMC) wyekstrahowanych surfaktantów.
Zastosowane Metody
- Zanurzenie próbek filtrów aerozolowych w wodzie ultraczystej w niskiej temperaturze w celu ekstrakcji.
- Ekstrakcja do fazy stałej (SPE) przy użyciu wkładów C18 w celu wyizolowania surfaktantów z przebiegłych matryc.
- Odparowanie rozpuszczalników i rekonstytucja ekstraktów do analizy.
- Kolorymetryczne oznaczenie ilościowe frakcji surfaktantów przy użyciu spektrofotometrii UV-VIS i krzywych kalibracyjnych.
- Pomiar napięcia powierzchniowego za pomocą tensiometru i analizy kształtu kropli w celu wygenerowania krzywych napięcia powierzchniowego i wyznaczenia CMC.
Główne wyniki
- Metoda ta pozwala na skuteczną ekstrakcję i oznaczanie ilościowe surfaktantów anionowych, kationowych i niejonowych z drobnych cząstek aerozolu.
- Dla próbek środowiskowych wyznaczono krzywe napięcia powierzchniowego oraz wartości CMC, co potwierdziło skuteczność metody.
- Walidację przeprowadzono przy użyciu dziewięciu surfaktantów wzorcowych, potwierdzając niezawodność metody.
- Zastosowanie metody do próbek aerozolu nadmorskiego pozwoliło na określenie rozkładu i właściwości obecnych typów surfaktantów.
Wnioski
- Niniejszy protokół umożliwia szczególną charakterystykę surfaktantów w aerozolach atmosferycznych, co przyczynia się do lepszego zrozumienia ich roli w środowisku.
- Metoda ta jest możliwa do zaadaptowania do innych matryc środowiskowych, takich jak gleby lub kultury mikrobowe.
- Precyzyjne dane dotyczące surfaktantów mogą dostarczyć cennych informacji dla badań nad tworzeniem się chmur oraz atrybucją źródeł środowiskowych.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Ilościowa ekstrakcja i charakterystyka surfaktantów z aerozoli atmosferycznych wypełnia długotrwałą lukę w analitycznych procedurach środowiskowych, umożliwiając precyzyjny pomiar związków powierzchniowo czynnych w złożonych matrycach. Możliwość ta wspiera modelowanie predykcyjne zachowania aerozoli i dostarcza informacji niezbędnych do mechanistycznego zrozumienia procesów istotnych dla ocen oddziaływania na środowisko. Powtarzalność metody oraz wyniki ilościowe sprawiają, że stanowi ona wielokrotnego użytku zasób analityczny dla zespołów badawczo-rozwojowych badających procesy pośredniczone przez surfaktanty.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Umożliwia izolację i ilościowe oznaczenie surfaktantów z złożonych próbek środowiskowych na potrzeby badań mechanistycznych.
- Wspiera weryfikację hipotez dotyczących roli surfaktantów w przemianach fizykochemicznych.
- Ułatwia ograniczanie ryzyka biologicznego poprzez wyjaśnienie efektów indukowanych przez surfaktanty w systemach środowiskowych lub biologicznych.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Zapewnia zwalidowane protokoły ekstrakcji i oznaczania ilościowego do analizy surfaktantów w różnych typach próbek.
- Dostarcza standaryzowane krzywe napięcia powierzchniowego oraz dane dotyczące krytycznego stężenia miceli (CMC) do kalibracji testu.
- Umożliwia powtarzalny pomiar stężeń surfaktantów, wspierając dalsze procesy przesiewowe.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Zapewnia ciągłość procesu od pobierania próbek środowiskowych do analizy ilościowej, wspierając badania translacyjne nad wpływem surfaktantów.
- Wspiera działania w zakresie odkrywania biomarkerów, umożliwiając precyzyjny pomiar parametrów związanych z surfaktantami.
- Wspiera decyzje o dalszym rozwoju w oparciu o analizę ryzyka, dostarczając solidnych danych ilościowych na temat obecności i aktywności surfaktantów.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta integruje się z kontinuum analitycznym odkryć, od pobierania próbek środowiskowych, przez pomiary ilościowe, aż po podejmowanie decyzji w oparciu o dane w procesach badawczo-rozwojowych (R&D).
- Biologia odkrywcza: Wspiera badanie hipotez dotyczących mechanizmów zależnych od surfaktantów w systemach środowiskowych i biologicznych.
- Przesiewanie: Dostarcza ekstraktów gotowych do analiz oraz ilościowych wyników do analizy porównawczej.
- Analityka: Dostarcza danych o stężeniu bezwzględnym i krzywych napięcia powierzchniowego, umożliwiając wiarygodne porównania statystyczne.
- Badania translacyjne: Ułatwia zachowanie ciągłości między analizą środowiskową a modelowaniem przedklinicznym efektów działania surfaktantów.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Tworzy standaryzowany protokół dostosowany do różnych matryc próbek na potrzeby bieżących działań B+R.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną w ilościowym oznaczaniu surfaktantów i redukuje ryzyko mechanistyczne.
- Wartość operacyjna: Poprawia powtarzalność i standaryzację w obrębie procesów analitycznych.
- Wartość strategiczna: Ułatwia podejmowanie decyzji o kontynuacji lub przerwaniu badań (go/no-go) poprzez dostarczenie ilościowych, zwalidowanych danych na temat właściwości surfaktantów.
- Wpływ na portfolio: Wspiera priorytetyzację projektów obejmujących procesy zapośredniczone przez surfaktanty z uwzględnieniem korekty o ryzyko.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga doświadczenia w zakresie chemii analitycznej oraz postępowania z próbkami środowiskowymi.
- Wymaga dostępu do aparatury do ekstrakcji do fazy stałej, spektrofotometrii UV-VIS oraz tensjometrii.
- Konieczna jest rygorystyczna standaryzacja międzyzespołowa w celu zapewnienia porównywalności danych.
- Metoda jest dostosowalna do różnych matryc środowiskowych i biologicznych przy odpowiednich korektach protokołu.
- Proces wiąże się z pracą z niebezpiecznymi rozpuszczalnikami, co wymaga ścisłego przestrzegania protokołów bezpieczeństwa.
Często zadawane pytania dotyczące biofarmacji
Chapters in this video
0:05
Title
8:03
Conclusion
7:16
Results: Characterization of Surfactants from Fine Aerosols
1:13
Extraction of Surfactants from Aerosol Samples
3:41
Determination of Surfactant Aerosol-phase Concentrations
6:05
Determination of the Surfactant Absolute Surface Tension Curves in Water
