Характеристика, Количественное и соединение конкретных изотопный анализ пирогенного углерода с использованием Бензол поликарбоновых кислот (BPCA)
16 мая 2016 г.
Мы представляем метод бензолполикарбоновой кислоты (BPCA) для оценки пирогенного углерода (PyC) в окружающей среде. Подход, ориентированный на конкретные соединения, позволяет получить уникальную одновременную информацию о характеристиках, количестве и изотопном составе (13C и 14C) PyC.
Общая цель данного метода молекулярных маркеров заключается в описании, количественном определении и изотопном анализе фракции пирогенного углерода в образцах окружающей среды. Этот метод может помочь ответить на ключевые вопросы в различных областях, начиная от археологии и экологической криминалистики и заканчивая исследованиями биоугля и углеродного цикла. Основными преимуществами данного метода являются обнаружение пирогенного углерода в широком диапазоне континуума горения.
Одновременная характеризация, количественное определение и изотопный анализ пирогенного углерода. И применимость к очень широкому спектру материалов для образцов окружающей среды. Пробоподготовку и хроматографию будет демонстрировать Ульрих Ханке, аспирант нашей лаборатории.
Последующий изотопный анализ очищенных целевых соединений будет проведен Негаром Хагипуром, координатором лаборатории в ETH Zurich. Чтобы начать эту процедуру, взвесьте предварительно лиофилизированные и гомогенизированные образцы в кварцевые пробирки для сбраживания и накройте от пыли алюминиевой фольгой. Используйте только чистую, очищенную от накипи и комбастику стеклянную посуду, тщательно очищенные инструменты, а также сверхчистую воду и растворители для хроматографии на протяжении всей процедуры.
Добавьте в пищеварительные трубки два миллилитра 65% азотной кислоты. Используйте вихревой смеситель для тщательного смачивания каждого образца. После этого вставьте метантенки в барокамеру.
Закройте барокамеру в соответствии с инструкцией и поместите ее в разогретую до 170 градусов Цельсия духовку на восемь часов. После извлечения метантенков из охлаждаемой барокамеры отфильтруйте образцы с водой в мерные колбы, используя одноразовые фильтры из стекловолокна. Затем отрегулируйте объем до 25 миллилитров с водой.
Для каждого образца готовят две стеклянные колонки с 11 граммами катионитной смолы на колонку. Кондиционируйте смолу внутри колонн, последовательно промывая их водой, двумя молярными гидроксидами натрия и двумя молярными соляной кислотами. Проверьте проводимость воды.
Который промывается через смолу после ее кондиционирования. Далее переложите по одной половинке образца на каждую колонку, промойте последовательно пять раз 10 миллилитрами воды. Затем сублимационную сушку водных растворов.
Кондиционируйте твердофазные экстракционные картриджи C18 в соответствии с инструкцией по эксплуатации производителя. После этого повторно растворите каждый лиофилизированный остаток в трех миллилитрах метанола и воды. Разотрите каждую половину образца над отдельным твердофазным экстракционным картриджем C18 в пробирках объемом 2,5 миллилитров.
Затем промойте картриджи одним миллилитром метанола и водой. Просушите пробирки с образцами растворов с помощью вакуумного концентратора, нагретого до 45 градусов Цельсия, и с вакуумом примерно 50 миллибар. После высыхания повторно растворите каждый остаток с одним миллилитром воды и перемешайте вихревым миксером.
Затем перелейте растворы во флаконы автопробника объемом 1,5 миллилитров. Для хроматографического анализа готовят растворитель А, смешивая 20 миллилитров 85%-ной ортофосфорной кислоты с 980 миллилитрами воды, и фильтруют раствор через одноразовый стекловолоконный фильтр с помощью вакуума. Готовят стандартные растворы коммерчески доступных бензольных поликарбоновых кислот БКЦА для получения внешнего стандартного ряда концентраций.
Проведите хроматографию и количественно оцените содержание BPCA, сравнивая соответствующие пиковые площади BPCA с измерениями внешних стандартных рядов. Требования к чистоте химического и лабораторного оборудования особенно высоки при анализе углерода-14 BPCA на конкретные соединения. Оценка холостых полотенец и тесты на пробирку важны для мониторинга потенциального источника загрязнения пробы.
Если предполагается провести анализ пирогенной углеродной фракции на углерод-13 и углерод-14 для конкретного соединения, повторите хроматографию несколько раз для каждого образца и соберите отдельные BPCA в достаточном количестве с помощью коллектора фракций, подключенного к ВЭЖХ. Удалите растворитель, продув фракции слабой струей азота, нагревая их до 70 градусов Цельсия. Далее приготовьте окисляющий реагент, растворив два грамма персульфата натрия в 15 миллилитрах воды.
Повторно растворите каждый остаток в четырех миллилитрах воды и переложите образцы в газонепроницаемые боросиликатные флаконы объемом 12 миллилитров. Затем добавьте один миллилитр окисляющего реагента и закройте каждый флакон стандартной крышкой, содержащей перегородку из бутилкаучука. Продуйте газонепроницаемые флаконы, содержащие водные растворы, гелием в течение восьми минут, чтобы удалить углекислый газ из флакона и раствора.
После этого окислите образцы в газонепроницаемых флаконах, нагревая их до 100 градусов Цельсия в течение 60 минут. После того, как образцы остынут до комнатной температуры, непосредственно проанализируйте углекислый газ от окисления на масс-спектрометре изотопного отношения на содержание углерода-13 и на ускоренном масс-спектрометре на содержание углерода-14. Описанная методика позволяет провести базовое разделение всех целевых соединений BPCA по ВЭЖХ, и здесь приведены хроматограммы референсных материалов трамазем и травяной голец.
Регулируя параметры хроматографии, разделение может быть дополнительно изменено в соответствии с конкретными потребностями. Количественный анализ хроматограмм эталонных материалов с внешними эталонами должен дать изображенные здесь пирогенные значения углерода. Здесь перечислены значения углерода-13 и углерода-14, полученные при анализе на содержание изотопов углерода в очищенных БКЦА в указанных материалах.
После освоения этой техники ее можно сделать за три рабочих дня. Таким образом, пропускная способность выборки зависит от того, сколько образцов обрабатывается одновременно. Измерение дюжины образцов в неделю в дубликатах и с изотопной информацией легко достижимо.
После просмотра этого видео у вас должно сложиться хорошее понимание того, как выполнять несомненные шаги для успешного анализа пирогенного углерода на уровне конкретного соединения.
Обзор
В данной статье представлен метод поликарбоксильной кислоты бензола (BPCA) для оценки пирогенного углерода (PyC) в экологических образцах. Метод позволяет одновременно охарактеризовать, определить количество и провести изотопный анализ PyC, предоставляя ценную информацию в различных областях исследований.
Ключевые компоненты исследования
Область науки
- Экология
- Исследования циклов углерода
- Археология
Предпосылки
- Пирогенный углерод является значимым компонентом углеродного цикла.
- Понимание его характеристик и изотопного состава важно для различных научных исследований.
- Метод BPCA предлагает подход на основе конкретных соединений для анализа PyC.
- Эта методика применима к широкому спектру экологических образцов.
Цель исследования
- Разработать метод характеристики и количественного определения пирогенного углерода.
- Провести изотопный анализ PyC для улучшения понимания в различных областях исследований.
- Демонстрировать методику подготовки образцов и аналитические методы, используемые в методе BPCA.
Использованные методы
- Подготовка образцов с использованием кварцевых пробирок для перегонки и азотной кислоты.
- Хроматографический анализ с использованием HPLC для количественного определения BPCA.
- Изотопный анализ углерода-13 и углерода-14 с использованием масс-спектрометрии.
- Использование высокочистых реагентов и тщательное обращение с образцами для предотвращения загрязнения.
Основные результаты
- Метод BPCA успешно разделяет и количественно определяет соединения пирогенного углерода.
- Изотопный анализ предоставляет различные значения углерода-13 и углерода-14 для анализируемых образцов.
- Метод демонстрирует высокий потенциал пропускной способности для одновременной обработки образцов.
- Результаты указывают на эффективность метода BPCA в различных экологических контекстах.
Выводы
- Метод BPCA является надежным инструментом для анализа пирогенного углерода в экологических образцах.
- Он улучшает понимание углеродного цикла и его последствий в различных областях.
- Будущие применения этого метода могут дать более полную картину роли пирогенного углерода в окружающей среде.
Часто задаваемые вопросы
Executive Industry Relevance
Reliable detection and quantification of pyrogenic carbon (PyC) is critical for understanding its role in the global carbon cycle and environmental persistence. The BPCA method enables compound-specific characterization, quantification, and isotopic analysis of PyC across a broad combustion continuum, supporting mechanistic de-risking in carbon cycling research and predictive modeling of environmental fate. This capability enhances target validation and assay development for studies investigating PyC's impact on soil health, carbon sequestration, and climate feedback loops.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of PyC formation pathways and structural characteristics across the combustion continuum.
- Operational Value: Provides reproducible molecular markers for consistent PyC detection in complex environmental matrices.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative BPCA profiles that reflect PyC abundance and condensation degree.
- Operational Value: Delivers high-throughput, standardized chromatographic outputs suitable for assay standardization and cross-lab comparability.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Supports isotopic tracing (13C/14C) to elucidate PyC sources, turnover rates, and environmental fate in disease-relevant systems.
- Operational Value: Facilitates longitudinal tracking of PyC in preclinical models through compound-specific isotopic analysis.
Pipeline & Workflow Integration
The BPCA method integrates into environmental discovery workflows by enabling hypothesis testing on PyC sources and transformation processes, with quantitative and isotopic outputs informing downstream risk assessment and model refinement.
- Discovery Biology: Supports mechanistic de-risking by linking PyC structural features to environmental persistence and bioavailability.
- Screening: Delivers reproducible quantification of PyC across sample types, enabling reliable compound evaluation in screening campaigns.
- Analytics: Provides compound-specific isotopic measurements (13C/14C) that allow teams to trace PyC origins and turnover in experimental systems.
- Translational Research: Connects discovery-phase PyC characterization to preclinical continuity through isotopic tracing in model systems.
- Enterprise Reuse: Establishes a standardized, modular platform for PyC analysis adaptable to diverse sample types and research objectives.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in PyC source apportionment and reduction of mechanistic ambiguity in carbon cycling models.
- Operational Value: Standardization, reproducibility, and scalability across environmental sample matrices.
- Strategic Value: Better go/no-go decisions in carbon sequestration projects and reduced late-stage uncertainty in environmental risk assessments.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization of PyC mitigation strategies based on isotopic and structural fingerprints.
Implementation Considerations
- Requires expertise in organic geochemistry, chromatographic separation, and isotope ratio mass spectrometry.
- Necessitates high-purity glassware, ultra-clean solvents, and contamination-controlled environments for isotopic fidelity.
- Demands cross-team standardization of sample preparation, digestion, and extraction protocols.
- Involves adaptation considerations for varying PyC sources (e.g., biomass vs. fossil fuel combustion) and matrices (soil, sediment, aerosols).
- Practical limitations include blank correction requirements and the need for rigorous contamination monitoring during compound-specific 14C analysis.
Biopharma FAQs
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
