Summary
Terra-abbondanti minerali svolgono i ruoli importanti nei sistemi idrotermali naturali. Qui, descriviamo un metodo affidabile e conveniente per l'indagine sperimentale delle interazioni organico-minerale in condizioni idrotermali.
Abstract
Organico-minerale interazioni ampiamente si verificano in ambienti idrotermali, quali sorgenti termali, geyser sulla terra e le sorgenti idrotermali nell'oceano profondo. Ruoli dei minerali sono fondamentali in molti processi geochimici organici idrotermali. Tradizionale metodologia idrotermale, che include l'utilizzo di reattori in acciaio inox, titanio, platino o oro, è associata solitamente con il costo elevato o effetti catalitici metallici indesiderati. Recentemente, c'è una crescente tendenza per utilizzando i tubi di quarzo o silice fusa vetro convenienti e inerti negli esperimenti idrotermali. Qui, forniamo un protocollo per compiere esperimenti idrotermali in organico-minerale in tubi di silice, e descriviamo i passi essenziali nella preparazione dei campioni, messa a punto sperimentale, separazione di prodotti e analisi quantitativa. Inoltre dimostriamo un esperimento utilizzando un composto organico di modello, nitrobenzene, per mostrare l'effetto di un minerale contenente ferro, magnetite, sulla sua degradazione sotto una determinata condizione idrotermale. Questa tecnica può essere applicata per studiare complessi organo-minerali idrotermali interazioni in un sistema di laboratorio relativamente semplici.
Introduction
Ambienti idrotermali (cioè, mezzi acquosi ad elevate temperature e pressioni) sono onnipresenti sulla terra. La chimica idrotermale di composti organici gioca un ruolo essenziale in una vasta gamma di impostazioni geochimiche, come organici bacini sedimentari, serbatoi di petrolio e la biosfera profonda1,2,3. Le trasformazioni di carbonio organico in sistemi idrotermali si verificano non solo in puro mezzo acquoso ma anche con materiali inorganici disciolti o solidi, quali minerali abbondanti a terra. Minerali sono stati trovati per drammaticamente e selettivamente influenza la reattività idrotermale di vari composti organici,1,4,5 ma come identificare gli effetti minerali in complessi sistemi idrotermali rimane ancora una sfida. L'obiettivo di questo studio è quello di fornire un protocollo sperimentale relativamente semplice per studiare minerali effetti sulle reazioni organiche idrotermale.
Gli studi di laboratorio delle reazioni idrotermali utilizzano tradizionalmente robusti reattori che sono fatti di oro, titanio o in acciaio inox6,7,8,9. Ad esempio, sacchi d'oro o le capsule sono stati favorevolmente utilizzati, perché l'oro è flessibile, e permette la pressione del campione deve essere comandato da pressurizzazione dell'acqua esternamente, che evita la generazione di una fase di vapore all'interno del campione. Tuttavia, questi reattori sono costosi e potrebbero essere associati con potenziali effetti catalitici metallo10. Quindi, è assolutamente necessario trovare un metodo alternativo con basso costo ma di alta affidabilità per questi esperimenti idrotermali.
Negli ultimi anni, provette di vetro al quarzo o silice fusa sono state applicate più frequentemente al idrotermale esperimenti11,12,13. Rispetto al prezioso oro o titanio, vetro di quarzo o silice è notevolmente più economico, ma anche il materiale forte. Ancora più importante, tubi al quarzo hanno indicato gli effetti catalitici poco e può essere come inerte come l'oro per le reazioni idrotermali11,14. In questo protocollo, descriviamo un metodo generale per lo svolgimento di esperimenti organico-minerale idrotermali su piccola scala in tubi di silice con pareti spesse. Vi presentiamo un esperimento di esempio utilizzando un composto di modello (cioè, nitrobenzene) in presenza/assenza di un minerale di ossido di ferro (cioè, magnetite) in una soluzione idrotermale di 150 ° C, al fine di mostrare l'effetto minerale, anche per dimostrare la efficacia di questo metodo.
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Protocol
1. preparare il campione per esperimento idrotermale
- Scegliere le dimensioni dei tubi di vetro quarzo o silice, per esempio, 2 mm diametro interno (ID) x 6 mm di diametro esterno (OD) o 6 mm ID x 12 mm OD anche e determinare la quantità di composti organici e minerali da utilizzare. In questo lavoro, gli importi di nitrobenzene e magnetite (Fe3O4) per caricare nel tubo di silice (ad es., 2 mm ID x 6 mm OD) sono 3,0 µ l e 13,9 mg, rispettivamente.
Nota: I tubi di grande diametro consentono più facile caricamento dei materiali ma richiedono maggiori sforzi di tenuta del tubo. - Tagliare il tubo di vetro pulito silice in piccoli pezzi con ~ 30 cm di lunghezza utilizzando un tagliatubi. Tenuta un'estremità del tubo chiuso utilizzando una torcia ossidrogeno con una testa di fiamma appropriato.
Attenzione: Seguire le procedure di sicurezza per l'utilizzo della torcia ossidrogeno. - Pesare la quantità predeterminata di partenza composto organico su un 0.1 mg-scala dell'equilibrio (se è solido) e trasferirlo nel tubo di vetro di silice utilizzando una carta di pesatura. Se il composto è liquido (ad es., nitrobenzene in questo caso), utilizzare una siringa di microlitro (ad es. 10 µ l) per trasferirlo nel tubo di silice. Aggiungere i minerali pesati nel tubo di silice mediante una pipetta Pasteur e quindi aggiungere acqua deionizzata e deossigenato (ad es., 0,3 mL). MΩ·cm uso 18,2 acqua deionizzata e si deoxygenate di sonicazione.
- Collegare il tubo di silice per una linea del vuoto (ID ~ 1 cm) con una valvola chiusa. Immergere il tubo in un pallone Dewar riempito con azoto liquido per ~ 3 min fino a quando le sostanze organiche e l'acqua sono completamente congelati.
Attenzione: Seguire le procedure di sicurezza per il trasferimento e l'utilizzo di azoto liquido. - Quando il tubo rimane immerso in azoto liquido, aprire la valvola del vuoto e rimuovere l'aria dallo spazio di testa del tubo.
Nota: Questo processo dovrebbe durare fino a quando la pressione scende sotto 100 mtorr sul manometro della pompa del vuoto. - Spegnere la valvola, rimuovere la provetta dall'azoto liquido e lasciare che il tubo caldo fino a temperatura ambiente. Picchiettare delicatamente il fondo della provetta per rilasciare le bolle d'aria rimanente dalla soluzione per spazio di testa.
- Ripetere il ciclo Disgelo-pompa sopra per altre due volte e tenere il tubo in azoto liquido prima di sigillare l'altra estremità del tubo. Chiudere la linea del vuoto e utilizzare la fiamma ossidrica per rendere l'intero tubo chiuso.
Nota: Quando il tubo viene sottoposto a esperimenti idrotermali, diminuirà il volume dello spazio di testa del tubo a causa dell'espansione di acqua liquida. Ad esempio, la densità dell'acqua riduce circa il 30% da temperatura ambiente a 300 ° C. Calcolare e lasciare abbastanza volume di spazio di testa quando il tubo di tenuta.
2. impostare l'esperimento idrotermale
- Dopo i passaggi di sigillamento, mettere il tubo di silice in un piccolo tubo d'acciaio (~ 30 cm di lunghezza e 1,5 cm di diametro) con tappi a vite allentate, al fine di evitare danni da qualsiasi pressione edificio o guasto del tubo all'interno del tubo.
- Collocare il tubo in un forno o forno ben controllato di temperatura e calore fino alla temperatura desiderata (ad es., 150 ° C in questo lavoro). Utilizzare una termocoppia all'interno del forno per monitorare la temperatura attraverso la reazione idrotermale.
- Appena il tempo di reazione è raggiunta (ad es., 2 h in questo lavoro), placare il tubo di silice mettendo rapidamente il tubo in acqua e ghiaccio.
Nota: Il processo di spegnimento dura meno di 1 min raffreddare a temperatura ambiente, che evita potenziali reazioni retrograde.
3. analizzare il campione dopo l'esperimento
- Aprire il tubo di silice utilizzando una taglierina per tubi e trasferire rapidamente tutti i prodotti (ad es., ~0.3 mL in tubo di silice) in un flaconcino di vetro da 10 mL utilizzando una pipetta Pasteur.
- Estrarre i prodotti biologici con 3 mL di diclorometano (DCM) soluzione contenente dodecano 8,8 mM come standard interno per gas cromatografia (GC). Tappo il flacone e agitare per passa per 2 min e vortice per 1 min.
Nota: Ciò contribuisce a facilitare l'estrazione dei prodotti biologici nella fase organica. Inoltre, sciacquare le pareti conferente dispensare e all'interno del tubo di silice con DCM per garantire il recupero di prodotti. Per campioni con alto contenuto minerale, Sonicare li nella soluzione DCM per migliore estrazione. - Consentire le particelle minerali di stabilirsi nella soluzione di estrazione (cioè, DCM con dodecano) per 5 min, uso una pipetta di Pasteur attentamente trasferire ~ 1 mL del campione dallo strato DCM (cioè, lo strato inferiore) in un flaconcino di GC.
- Analizzare la distribuzione di prodotti biologici mediante GC con una colonna di poli-capillare (per esempio, 5% diphenyl/95% dimetilsiloxano) e un rivelatore a ionizzazione di fiamma. Impostare il forno GC con un programma per iniziare a 50 ° C e tenere premuto per 8 min, aumentare a 10 ° C/min fino a 220 ° C e tenere premuto per 10 min, aumentare a 20 ° C/min a 300 ° C e tenere premuto per 5 min, impostare la temperatura iniettore a 300 ° C.
Nota: Il programma di GC dovuto essere cambiate in base al tipo di composti organici analizzato. - Costruire le curve di taratura GC tracciando il rapporto tra area del picco dell'analita per lo standard interno contro la concentrazione dell'analita.
- Calcolare la conversione di reazione basata sulle concentrazioni di materiale organico di partenza prima e dopo la reazione, cioè, conversione % = ([iniziale] – [finale]) ⁄ [iniziale] × 100%. Utilizzare le conversioni per determinare se il minerale facilita o rallenta le trasformazioni organiche idrotermale.
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Representative Results
Per illustrare come utilizzare questo approccio per studiare le interazioni organico-minerale idrotermale, un semplice esperimento utilizzando un composto di modello, nitrobenzene, è stata condotta con minerale magnetite (Fe3O4) in una condizione idrotermale di 150 ° C e 5 bar per 2 h. Per visualizzare l'effetto minerale, un esperimento di nitrobenzene senza minerale inoltre è stato effettuato nella stessa circostanza idrotermale. Come mostrato in Figura 1a, due tubi di silice sono state fatte seguendo i protocolli prima dell'esperimento idrotermale. Il tubo chiuso con nessun minerale era chiaro, e il tubo con magnetite ha esibito un colore minerale nero all'interno. Le concentrazioni di partenza di nitrobenzene erano entrambi 0.1 M (in 0,3 mL deionizzata e deossigenato acqua) e la magnetite aggiunta era 13,9 mg. Dopo il processo idrotermale, il tubo con nessun minerale ha mostrato alcun cambiamento di colore, mentre il tubo con magnetite trasformato in un colore marrone (Figura 1b), che implica una reazione di ossidazione da magnetite di ematite (Fe2O3). Basato su analisi di cromatografia in fase gassosa, l'effetto della magnetite è stato rivelato dalle conversioni di nitrobenzene tra gli esperimenti (Figura 2). Nell'esperimento di no-minerale, la conversione calcolata per nitrobenzene era 5,2%; Tuttavia, in presenza di magnetite, la conversione di nitrobenzene era del 30,3%, che è aumentato di un fattore 6. Inoltre, duplicare, ma sono stati condotti esperimenti indipendenti, in cui una deviazione standard è stata calcolata in 2,1% e 1,4% per gli esperimenti no-minerale e magnetite, rispettivamente (Figura 2). Questi risultati suggeriscono che magnetite, probabilmente attraverso reazioni di ossidoriduzione, significativamente può promuovere la reazione del nitrobenzene a date condizioni idrotermali. Questo protocollo è stato trovato per avere successo con relativamente elevata riproducibilità nella quantificazione idrotermale degradazione biologica sotto l'influenza di minerali.
Figura 1: esperimento di esempio con nitrobenzene in presenza o assenza di magnetite. (un) silice tubi di vetro prima dell'esperimento idrotermale; tubi di vetro di silice (b) dopo l'esperimento idrotermale. Si noti che c'è un cambiamento di colore nel tubo di silice con magnetite. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: risultati sperimentali di conversione nitrobenzene dopo 2 h condizioni idrotermali a 150 ° C e 5 bar. Le conversioni di reazione vengono calcolate dalla quantità di nitrobenzene ha reagito dopo la reazione. Barre di errore sono una deviazione standard della media dei duplicati esperimenti. La differenza tra i no-minerale e magnetite esperimenti mostra chiaramente l'effetto minerale sulla degradazione idrotermale di nitrobenzene. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
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Discussion
In questo studio, abbiamo utilizzato il nitrobenzene con minerale magnetite come esempio per dimostrare come valutare minerali effetti sulle reazioni organiche idrotermale. Anche se gli esperimenti vengono eseguiti in tubi di vetro di silice, risultati altamente riproducibili sono osservati negli esperimenti magnetite, vale a dire, 30.3 ± 1,4% nella conversione di nitrobenzene, che suggerisce l'efficacia e l'affidabilità di questo protocollo di idrotermale. Negli esperimenti no-minerale, la conversione di nitrobenzene è 5,2 ± 2,1%, che dimostra una riproducibilità inferiore rispetto all'esperimento di minerali. L'incertezza relativamente alta nell'esperimento no-minerale potrebbe essere dovuta alla conversione bassa del materiale di partenza, considerando il µ l (o mg) di campioni utilizzati nel piccolo tubo. Per migliorare la riproducibilità per reazioni di basso-conversione, tubi di silice con più grande volume interno sono suggeriti. Questo protocollo potrebbe essere particolarmente utile per gli esperimenti su piccola scala quando la quantità di campione è limitata, o il costo del prodotto chimico è elevato. Sia minerale e non minerali idrotermali esperimenti possono essere condotti da questo protocollo.
Come descritto in precedenza, questo protocollo idrotermale presenta determinati vantaggi sopra altri metodi tradizionali, quali il basso costo delle provette di reazione, le procedure di funzionamento facile e basso o trascurabile effetto catalitico11,14. Tuttavia, a causa della limitata forza minerale e la stabilità, tubi al quarzo possono causare insufficienza a temperature superiori a 450 ° C o a pressioni superiori a 400 bar15, che potrebbe non essere adatto per esperimenti di lunga durata idrotermali vicino o sopra il punto critico di acqua. Un'altra limitazione di questo metodo è che, ad alta temperatura (ad es., > 400 ° C), quarzo può anche essere soggetto a dissoluzione, in grado di produrre specie di silice disciolta che interferiscono reazioni organiche idrotermale. Poiché la dissoluzione della silice può anche essere influenzata dal pH della soluzione, la presenza di sali, acidi o basi, la temperatura di sopravvivenza del tubo potrebbe essere inferiore a quello del sistema di acqua pura, e questi fattori devono essere considerati anche in ad alta temperatura esperimenti. Inoltre, rispetto ai materiali flessibili reattore come oro, tubi di silice sono associate solitamente con un volume di spazio di testa che non può essere ridotto mediante l'applicazione di pressione esterna, che potrebbe consentire alcune reazioni di fase gassosa si verifichi.
Inoltre, il volume di liquido all'interno del tubo di silice potrebbe essere critico nel determinare il successo dell'esperimento. Secondo il calcolo di termodinamica utilizzando SUPCRT9216, ad esempio, la pressione di saturazione dell'acqua (PSab) può raggiungere più di 85 bar a 300 ° C e il volume di acqua liquida all'interno del tubo di silice può espandere del 30%. Per sopravvivere alle alte temperature e pressioni, tubi di vetro di silice più spesso (cioè, il rapporto di ID/OD < 0,3) con spazio di testa più grande dovrebbe essere usato. Anche con lo stesso diametro, tubi di silice da produttori diversi possono causare insufficienza a diverse temperature. Di conseguenza, la temperatura e la pressione trattenga per ogni tipo di silice tubi dovrebbero essere testati prima dell'uso. Si noti che il vetro borosilicato è escluso dal presente protocollo idrotermale perché è reattiva e in genere non può sopportare temperature superiori a 300 ° C. Inoltre, caricando i composti organici che sono "appiccicoso" o viscoso nelle provette silice stretta può essere impegnativo, nel qual caso sarebbero consigliabile tubi di grande diametro (ad es., 6 mm ID x 12 mm OD).
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla a rivelare.
Acknowledgments
Ringraziamo il gruppo H.O.G presso la Arizona State University per lo sviluppo della metodologia iniziale di questi esperimenti idrotermali, e in particolare, ringraziamo I. Gould, Shock E., L. Williams, C. Gordana, H. Hartnett, K. Fecteau, K. Robinson e C. Bockisch, per loro orientamento e assistenza disponibile. Yang Z. e X. Fu erano finanziate da fondi di avvio da Oakland University a z Yang.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Chemicals: | |||
| Dichloromethane | VWR | BDH23373.400 | |
| Dodecane | Sigma-Aldrich | 297879 | |
| Nitrobenzene | Sigma-Aldrich | 252379 | |
| Fe2O3 | Sigma-Aldrich | 310050 | |
| Fe3O4 | Sigma-Aldrich | 637106 | |
| Supplies: | |||
| Silica tube | |||
| Vacuum pump | WELCH | 2546B-01 | |
| Vacuum line | |||
| Oven | Hewlett Packard | 5890 | |
| Thermocouple | BENETECH | GM1312 | |
| Gas chromatography | Agilent | 7820A |
References
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