Caracterização, quantificação e específicos do Composto isotópica Análise de Pirogênica carbono, usando Benzeno policarboxílicos Acids (BPCA)
16 de maio de 2016
Apresentamos o método do ácido benzeno policarboxílico (BPCA) para avaliação do carbono pirogênico (PyC) no meio ambiente. A abordagem específica do composto fornece informações simultâneas sobre as características, quantidade e composição isotópica (13C e 14C) do PyC.
O objetivo geral deste método com marcadores moleculares é caracterizar, quantificar e analisar isotopicamente a fração de Carbono pirogênico em amostras ambientais. Este método pode ajudar a responder perguntas fundamentais em diversas áreas, desde arqueologia e perícia ambiental até pesquisas sobre biochar e ciclagem do Carbono. As principais vantagens dessa técnica são a detecção de Carbono pirogênico ao longo de uma ampla faixa do espectro de combustão.
Caracterização, quantificação e análise isotópica simultâneas de carbono pirogênico. E aplicabilidade a uma ampla gama de materiais ambientais de amostras. A preparação da amostra e a cromatografia serão demonstradas por Ulrich Hanke, um estudante de pós-graduação do nosso laboratório.
A análise isotópica subsequente dos compostos-alvo purificados será demonstrada por Negar Haghipour, coordenadora do laboratório na ETH Zurich. Para iniciar este procedimento, pese amostras previamente liofilizadas e homogeneizadas em tubos de quartzo para digestão e cubra-as contra poeira com folha de alumínio. Utilize somente vidraria limpa, descalcificada e combastic, ferramentas completamente limpas e água e solventes de grau cromatográfico ultrapuro durante todo o procedimento.
Adicione dois mililitros de ácido nítrico 65% nos tubos de digestão. Utilize um misturador de vórtice para auxiliar na umidificação completa de cada amostra. Em seguida, insira os tubos de digestão em uma câmara de pressão.
Feche a câmara de pressão conforme o manual e coloque-a em um forno preaquecido a 170 graus Celsius por oito horas. Após remover os tubos de digestão da câmara de pressão resfriada, filtre as amostras com água em frascos volumétricos, utilizando filtros descartáveis de fibra de vidro. Em seguida, ajuste o volume para 25 mililitros com água.
Para cada amostra, prepare duas colunas de vidro com 11 gramas de resina de troca catiônica por coluna. Condicione a resina dentro das colunas lavando-as consecutivamente com água, hidróxido de sódio dois molar e ácido clorídrico dois molar. Verifique a condutividade da água.
Que é lavado através da resina após seu condicionamento. Em seguida, transfira metade da amostra para cada coluna, lavando sequencialmente cinco vezes com 10 mililitros de água. Depois, liofilize as soluções aquosas posteriormente.
Condicione cartuchos de extração em fase sólida C18 de acordo com o manual de instruções do fabricante. Em seguida, reconstitua cada resíduo liofilizado em três mililitros de metanol e água. Elua cada metade da amostra separadamente em cartuchos de extração em fase sólida C18 distintos, coletando em tubos de ensaio de 2,5 mililitro.
Em seguida, lave as cartelas com um mililitro de metanol e água. Seque os tubos de ensaio com as soluções amostrais utilizando um concentrador a vácuo aquecido a 45 graus Celsius e com vácuo de aproximadamente 50 milibares. Após a secagem, reconstitua cada resíduo com um mililitro de água e homogeneize com um misturador de vórtice.
Em seguida, transfira as soluções para frascos de amostragem automática de 1,5 mililitro. Para a análise cromatográfica, prepare o solvente A misturando 20 mililitros de ácido ortofosfórico a 85% com 980 mililitros de água e filtre a solução através de um filtro descartável de fibra de vidro utilizando vácuo. Prepare soluções padrão de ácidos benzopolicarboxílicos comercialmente disponíveis, BPCAs, para produzir uma série de concentração padrão externa.
Realize a cromatografia e quantifique os teores de BPCA comparando as respectivas áreas dos picos de BPCA com as medidas de uma série de padrões externos. Os requisitos de pureza para produtos químicos e equipamentos de laboratório são especialmente rigorosos na análise específica de compostos de Carbono-14 dos BPCA. A avaliação de brancos e os testes com swab são importantes para monitorar possíveis fontes de contaminação das amostras.
Se forem pretendidas análises específicas do composto de Carbono-13 e Carbono-14 da fração de carbono pirogênico, repita a cromatografia várias vezes para cada amostra e colete os BPCA individuais em quantidade suficiente utilizando um coletor de frações conectado ao CLAE. Remova o solvente, evaporando as frações com um fluxo suave de nitrogênio, enquanto as aquece a 70 graus Celsius. Em seguida, prepare o reagente oxidante dissolvendo dois gramas de persulfato de sódio em 15 mililitros de água.
Reconstitua cada resíduo com quatro mililitros de água e transfira as amostras para frascos de 12 mililitros, herméticos e de borossilicato. Em seguida, adicione um mililitro do reagente oxidante e feche cada frasco com uma tampa padrão contendo septo de borracha de butila. Purgue os frascos herméticos contendo as soluções aquosas com hélio durante oito minutos para remover o dióxido de carbono do frasco e da solução.
Em seguida, oxide as amostras em vials herméticos aquecendo-as a 100 graus Celsius por 60 minutos. Após permitir que as amostras esfriem à temperatura ambiente, analise diretamente o dióxido de carbono proveniente da oxidação em um espectrômetro de razão isotópica para determinação do teor de carbono-13 e em um espectrômetro de massa acelerado para determinação do teor de carbono-14. O procedimento descrito permite a separação basal de todos os compostos-alvo de BPCA por CLAE, e cromatogramas dos materiais de referência tramazem e grass-char são apresentados aqui.
Ajustando os parâmetros da cromatografia, a separação pode ser modificada ainda mais conforme necessidades específicas. A análise quantitativa dos cromatogramas dos materiais de referência com padrões externos deve fornecer os valores de carbono pirogênico aqui apresentados. Os valores de Carbono-13 e Carbono-14 obtidos quando BPCAs purificados de materiais de referência são analisados quanto ao seu conteúdo isotópico de carbono estão listados aqui.
Uma vez dominada, esta técnica pode ser realizada em três dias úteis. Portanto, a produtividade da amostra depende da quantidade de amostras processadas simultaneamente. Medir uma dúzia de amostras por semana em duplicatas e com informações isotópicas é facilmente alcançável.
Após assistir a este vídeo, você deverá ter uma boa compreensão de como realizar os passos inequívocos para a análise bem-sucedida de carbono pirogênico no nível específico do composto.
Visão Geral
Este artigo apresenta o método do ácido benzênico policarboxílico (BPCA) para a avaliação do carbono pirogênico (PyC) em amostras ambientais. O método permite a caracterização, quantificação e análise isotópica simultâneas do PyC, fornecendo informações valiosas em diversas áreas de pesquisa.
Componentes Principais do Estudo
Área de Ciência
- Ciências Ambientais
- Pesquisa sobre o Ciclo do Carbono
- Arqueologia
Contexto
- O carbono pirogênico é um componente significativo do ciclo do carbono.
- Compreender suas características e composição isotópica é fundamental para diversas investigações científicas.
- O método BPCA oferece uma abordagem específica por compostos para analisar o carbono pirogênico.
- Essa técnica é aplicável a uma ampla variedade de amostras ambientais.
Objetivo do Estudo
- Desenvolver um método para a caracterização e quantificação de carbono pirogênico.
- Fornecer análise isotópica de CPy para aprimorar o entendimento em múltiplas áreas de pesquisa.
- Demonstrar as técnicas de preparo de amostras e análises envolvidas no método BPCA.
Métodos Utilizados
- Preparação da amostra utilizando tubos de digestão de quartzo e ácido nítrico.
- Análise cromatográfica utilizando HPLC para quantificação de BPCA.
- Análise isotópica de carbono-13 e carbono-14 utilizando espectrometria de massas.
- Uso de reagentes de alta pureza e manipulação cuidadosa das amostras para evitar contaminação.
Resultados Principais
- O método BPCA separa e quantifica com sucesso compostos de carbono pirogênico.
- A análise isotópica fornece valores distintos de carbono-13 e carbono-14 para as amostras analisadas.
- O método demonstra alto potencial de produtividade para o processamento simultâneo de amostras.
- Os resultados indicam a eficácia do método BPCA em diversos contextos ambientais.
Conclusões
- O método BPCA é uma ferramenta robusta para analisar carbono pirogênico em amostras ambientais.
- Ele aprimora a compreensão do ciclo do carbono e suas implicações em diferentes áreas.
- Aplicações futuras desse método poderiam esclarecer ainda mais o papel do carbono pirogênico no ambiente.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
A detecção e quantificação confiáveis de carbono pirogênico (PyC) são fundamentais para compreender seu papel no ciclo global do carbono e na persistência ambiental. O método BPCA permite a caracterização específica por compostos, a quantificação e a análise isotópica do PyC ao longo de um amplo espectro de combustão, apoiando a redução de riscos mecanicistas na pesquisa do ciclo do carbono e a modelagem preditiva do destino ambiental. Essa capacidade aprimora a validação de alvos e o desenvolvimento de ensaios para estudos que investigam o impacto do PyC na saúde do solo, na sequestro de carbono e nos ciclos de retroalimentação climática.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biotecnologia Farmacêutica
Descoberta Inicial e Validação de Alvos
- Valor Científico: Permite investigar as vias de formação e as características estruturais do PyC ao longo do espectro de combustão.
- Valor Operacional: Fornece marcadores moleculares reprodutíveis para detecção consistente de PyC em matrizes ambientais complexas.
Triagem e Desenvolvimento de Ensaios
- Valor Científico: Gera perfis quantitativos de BPCA que refletem a abundância e o grau de condensação de PyC.
- Valor Operacional: Fornece saídas cromatográficas padronizadas de alto rendimento, adequadas para padronização de ensaios e comparabilidade entre laboratórios.
Pesquisa Translacional e Pré-clínica
- Valor Científico: Apoia o rastreamento isotópico (13C/14C) para elucidar as fontes de PyC, taxas de renovação e destino ambiental em sistemas relevantes para doenças.
- Valor Operacional: Facilita o acompanhamento longitudinal de PyC em modelos pré-clínicos por meio de análise isotópica específica de compostos.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
O método BPCA integra-se a fluxos de trabalho de descoberta ambiental ao permitir testes de hipóteses sobre fontes de PyC e processos de transformação, com resultados quantitativos e isotópicos que informam a avaliação de riscos posterior e o aprimoramento de modelos.
- Biologia da Descoberta: Apoia a redução de riscos mecanicistas ao associar características estruturais do PyC à persistência ambiental e biodisponibilidade.
- Triagem: Oferece quantificação reprodutível de PyC entre diferentes tipos de amostras, permitindo avaliação confiável de compostos em campanhas de triagem.
- Análises: Fornece medições isotópicas específicas do composto (13C/14C) que permitem às equipes rastrear as origens e a taxa de renovação do PyC em sistemas experimentais.
- Pesquisa Translacional: Conecta a caracterização do PyC na fase de descoberta à continuidade pré-clínica por meio do rastreamento isotópico em sistemas modelo.
- Reutilização Corporativa: Estabelece uma plataforma padronizada e modular para análise de PyC, adaptável a diversos tipos de amostras e objetivos de pesquisa.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Confiança preditiva na alocação de fontes de PC e redução da ambiguidade mecanicista em modelos de ciclagem de carbono.
- Valor Operacional: Padronização, reprodutibilidade e escalabilidade em diferentes matrizes de amostras ambientais.
- Valor Estratégico: Tomada de decisões mais eficaz sobre prosseguimento ou interrupção em projetos de sequestro de carbono e redução da incerteza em estágios avançados nas avaliações de risco ambiental.
- Impacto no Portfólio: Priorização ajustada ao risco de estratégias de mitigação de PC com base em impressões isotópicas e estruturais.
Considerações sobre a Implementação
- Exige experiência em geoquímica orgânica, separação cromatográfica e espectrometria de relação isotópica com massa.
- Necessita vidraria de alta pureza, solventes ultra-puros e ambientes controlados quanto à contaminação para garantir a fidelidade isotópica.
- Exige padronização entre equipes nos protocolos de preparo, digestão e extração de amostras.
- Envolve considerações de adaptação para diferentes fontes de PyC (por exemplo, combustão de biomassa versus combustíveis fósseis) e matrizes (solo, sedimento, aerossóis).
- As limitações práticas incluem a necessidade de correção de brancos e a exigência de monitoramento rigoroso de contaminação durante a análise isotópica específica por composto de 14C.
Perguntas Frequentes sobre Biotecnologia Farmacêutica
Chapters in this video
0:05
Title
1:07
HNO3 Digestion
2:14
Removal of Cations
3:00
Removal of Apolar Compounds
4:00
Chromatography
4:47
Wet Oxidation of Purified BPCAs for Subsequent 13C and 14C Analysis
6:41
Results: Characterization, Quantification and Isotopic Analysis of Pyrogenic Carbon Using BPCAs
7:27
Conclusion
