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 характеристике, количественном определении и изотопном анализе фракции пирогенного углерода в объектах окружающей среды. Данный метод позволяет ответить на ключевые вопросы в различных областях: от археологии и экологической криминалистики до исследований биоугля и цикла углерода. Основным преимуществом этого метода является обнаружение пирогенного углерода в широком диапазоне континуума сгорания.
Одновременная характеристика, количественное определение и изотопный анализ пирогенного углерода, а также возможность применения данного метода к очень широкому спектру материалов экологических проб. Демонстрацию подготовки проб и хроматографии проведет Ульрих Ханке, аспирант нашей лаборатории.
Последующий изотопный анализ очищенных целевых соединений будет продемонстрирован Негар Хагипур, координатором лаборатории ETH Zurich. Для начала этой процедуры взвесьте предварительно лиофилизированные и гомогенизированные образцы в кварцевые трубки для минерализации и закройте их алюминиевой фольгой для защиты от пыли. На протяжении всей процедуры используйте только чистую, декальцинированную и термостойкую стеклянную посуду, тщательно очищенные инструменты, а также сверхчистую воду и растворители хроматографической чистоты.
Добавьте два миллилитра 65% азотной кислоты в трубки для минерализации. Используйте вортексный смеситель для обеспечения полного смачивания каждого образца. После этого поместите трубки для минерализации в камеру высокого давления.
Закройте камеру высокого давления в соответствии с руководством и поместите ее в предварительно разогретую печь при 170 °C на восемь часов. После извлечения трубок для минерализации из охлажденной камеры высокого давления отфильтруйте образцы с водой в мерные колбы, используя одноразовые стекловолоконные фильтры. Затем доведите объем до 25 мл водой.
Для каждого образца подготовьте две стеклянные колонки, поместив в каждую по 11 граммов катионообменной смолы. Подготовьте смолу в колонках, последовательно промывая их водой, 2 М раствором гидроксида натрия и 2 М раствором соляной кислоты. Проверьте электропроводность воды.
Затем раствор пропускают через смолу после ее кондиционирования. Далее переносят по половине образца на каждую колонку и последовательно промывают пять раз 10 миллилитрами воды. После этого водные растворы подвергают лиофилизации.
Подготовьте картриджи для твердофазной экстракции C18 в соответствии с инструкцией производителя. После этого повторно растворите каждый лиофилизированный остаток в трех миллилитрах смеси метанола и воды. Элюируйте каждую половину образца через отдельный картридж для твердофазной экстракции C18 в пробирки объемом 2,5 миллилитра.
Затем промойте картриджи одним миллилитром метанола и воды. Высушите пробирки с растворами образцов в вакуум-концентраторе при температуре 45 °C и вакууме приблизительно 50 мбар. После высушивания повторно растворите каждый остаток в одном миллилитре воды и перемешайте с помощью вортекс-миксера.
Затем перенесите растворы в виалы для автосамплера объемом 1,5 мл. Для хроматографического анализа приготовьте растворитель А, смешав 20 мл 85% ортофосфорной кислоты с 980 мл воды, и профильтруйте раствор через одноразовый стекловолоконный фильтр с помощью вакуума. Приготовьте стандартные растворы коммерчески доступных поликарбоновых кислот бензола (BPCAs) для создания серии внешних стандартов концентрации.
Проведите хроматографию и количественно определите содержание BPCA, сравнив площади соответствующих пиков BPCA с показателями серии внешних стандартов. Требования к чистоте химических реагентов и лабораторного оборудования особенно высоки для анализа BPCAs на углерод-14 в конкретных соединениях. Оценка холостых проб и проведение тест-смывов важны для мониторинга потенциальных источников загрязнения образцов.
Если планируется проведение анализа содержания Carbon-13 и Carbon-14 для отдельных соединений пирогенной фракции углерода, повторите хроматографию несколько раз для каждого образца и соберите индивидуальные BPCA в достаточном количестве с помощью фракционного коллектора, подключенного к HPLC. Удалите растворитель, продувая фракции слабым потоком азота при нагревании до 70 °C. Затем приготовьте окислительный реагент, растворив два грамма персульфата натрия в 15 мл воды.
Повторно растворите каждый осадок в четырех миллилитрах воды и перенесите образцы в газоплотные боросиликатные флаконы объемом 12 миллилитров. Затем добавьте один миллилитр окислительного реагента и закройте каждый флакон стандартной крышкой с бутилкаучуковой септой. Продувайте газоплотные флаконы с водными растворами гелием в течение восьми минут, чтобы удалить Carbon dioxide из флакона и раствора.
После этого окислите образцы в газоплотных флаконах, нагревая их при 100 °C в течение 60 минут. После охлаждения образцов до комнатной температуры непосредственно проанализируйте диоксид углерода, образовавшийся при окислении, на изотопном масс-спектрометре для определения содержания Carbon-13 и на ускоренном масс-спектрометре для определения содержания Carbon-14. Описанная процедура обеспечивает базисное разделение всех целевых соединений BPCA методом ВЭЖХ; здесь представлены хроматограммы стандартных материалов трамазема и обгоревшей травы.
Путем корректировки параметров хроматографии разделение может быть дополнительно модифицировано в соответствии с конкретными потребностями. Количественный анализ хроматограмм эталонных материалов с использованием внешних стандартов должен дать значения пирогенного углерода, представленные здесь. Здесь перечислены значения Carbon-13 и Carbon-14, полученные при анализе содержания изотопов углерода в очищенных BPCA эталонных материалов.
После освоения данной методики процедуру можно выполнить за три рабочих дня. Таким образом, пропускная способность зависит от количества образцов, обрабатываемых одновременно. Анализ дюжины образцов в неделю в дубликатах с получением изотопной информации является легко достижимой задачей.
После просмотра этого видео вы должны четко понимать, как правильно выполнять все необходимые этапы для успешного анализа пирогенного углерода на уровне отдельных соединений.
Обзор
В данной статье представлен метод с использованием бензолполикарбоновой кислоты (БПКК) для оценки содержания пирогенного углерода (PyC) в объектах окружающей среды. Этот метод позволяет одновременно проводить характеристику, количественное определение и изотопный анализ PyC, предоставляя ценные данные для различных областей исследований.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Экология
- Исследования циклов углерода
- Археология
Теоретическая справка
- Пирогенный углерод является важным компонентом углеродного цикла.
- Понимание его характеристик и изотопного состава имеет решающее значение для различных научных исследований.
- Метод BPCA предлагает подход с анализом конкретных соединений для изучения PyC.
- Данная методика применима к широкому спектру образцов из окружающей среды.
Цель исследования
- Разработать метод определения характеристик и количественного анализа пирогенного углерода.
- Провести изотопный анализ PyC для углубления понимания в различных областях исследований.
- Продемонстрировать методы подготовки проб и аналитические техники, используемые в методе BPCA.
Используемые методы
- Подготовка проб с использованием кварцевых трубок для минерализации и азотной кислоты.
- Хроматографический анализ с применением ВЭЖХ для количественного определения BPCA.
- Изотопный анализ углерода-13 и углерода-14 методом масс-спектрометрии.
- Использование реагентов высокой степени чистоты и тщательное обращение с пробами для предотвращения загрязнения.
Основные результаты
- Метод BPCA успешно разделяет и количественно определяет пирогенные углеродные соединения.
- Изотопный анализ позволяет получить четкие 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 условиях.
Выводы
- Метод BPCA является надежным инструментом для анализа пирогенного углерода в объектах окружающей среды.
- Он расширяет понимание цикла углерода и его значения в различных областях.
- Дальнейшее применение этого метода может способствовать более детальному изучению роли пирогенного углерода в окружающей среде.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для промышленности
Надежное обнаружение и количественное определение пирогенного углерода (PyC) имеет решающее значение для понимания его роли в глобальном цикле углерода и его устойчивости в окружающей среде. Метод BPCA позволяет проводить характеристику конкретных соединений, количественное определение и изотопный анализ PyC в широком континууме продуктов горения, что способствует механистическому снижению рисков в исследованиях цикла углерода и прогностическому моделированию поведения веществ в окружающей среде. Эта возможность расширяет возможности валидации целей и разработки анализа для исследований, изучающих влияние PyC на здоровье почвы, секвестрацию углерода и петли климатической обратной связи.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранний поиск и валидация мишени
- Научная ценность: позволяет исследовать пути формирования и структурные характеристики PyC во всем континууме процессов горения.
- Практическая ценность: обеспечивает воспроизводимые молекулярные маркеры для стабильного обнаружения PyC в сложных матрицах окружающей среды.
Скрининг и разработка анализа
- Научная ценность: позволяет получать количественные профили BPCA, отражающие содержание и степень конденсации PyC.
- Практическая ценность: обеспечивает высокопроизводительный стандартизированный хроматографический вывод, подходящий для стандартизации анализа и сопоставимости результатов между различными лабораториями.
Трансляционные и доклинические исследования
- Научная ценность: Обеспечивает возможность изотопного мечения (13C/14C) для выяснения источников PyC, скоростей их обновления и дальнейшей судьбы в системах, релевантных для изучения заболеваний.
- Практическая ценность: Облегчает лонгитюдное отслеживание PyC в доклинических моделях с помощью специфического для каждого соединения изотопного анализа.
Интеграция конвейера и рабочих процессов
Метод BPCA интегрируется в рабочие процессы экологических исследований, позволяя проверять гипотезы об источниках PyC и процессах их трансформации, при этом количественные и изотопные данные служат основой для последующей оценки рисков и уточнения моделей.
- Открывающая биология: способствует снижению рисков при изучении механизмов путем установления связи между структурными особенностями PyC, их устойчивостью в окружающей среде и биодоступностью.
- Скрининг: обеспечивает воспроизводимое количественное определение PyC в различных типах образцов, что позволяет надежно оценивать соединения в ходе скрининговых кампаний.
- Аналитика: предоставляет специфичные для соединений изотопные измерения (13C/14C), которые позволяют командам отслеживать происхождение и оборот PyC в экспериментальных системах.
- Трансляционные исследования: связывает характеристику PyC на этапе открытия с доклинической преемственностью посредством изотопного анализа в модельных системах.
- Корпоративное повторное использование: создает стандартизированную модульную платформу для анализа PyC, адаптируемую к различным типам образцов и целям исследований.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Повышение достоверности прогнозирования распределения источников PyC и снижение механистической неопределенности в моделях углеродного цикла.
- Практическая ценность: Стандартизация, воспроизводимость и масштабируемость для различных матриц экологических проб.
- Стратегическая ценность: Более обоснованные решения о целесообразности реализации проектов по секвестрации углерода и снижение неопределенности на поздних этапах оценки экологических рисков.
- Влияние на портфель проектов: Приоритизация стратегий по смягчению последствий PyC с учетом рисков на основе изотопных и структурных характеристик.
Особенности реализации
- Требуется опыт в области органической геохимии, хроматографического разделения и масс-спектрометрии изотопных отношений.
- Необходимы стеклянная посуда высокой степени очистки, сверхчистые растворители и условия с контролируемым уровнем загрязнения для обеспечения точности изотопного анализа.
- Требуется межкомандная стандартизация протоколов подготовки проб, минерализации и экстракции.
- Необходимо учитывать особенности адаптации методов для различных источников PyC (например, сжигание биомассы в сравнении с ископаемым топливом) и матриц (почва, осадки, аэрозоли).
- Практические ограничения включают необходимость коррекции по холостым пробам и тщательный мониторинг загрязнения при проведении анализа 14C отдельных соединений.
Часто задаваемые вопросы о биофармацевтике
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
