We present the benzene polycarboxylic acid (BPCA) method for assessing pyrogenic carbon (PyC) in the environment. The compound-specific approach uniquely provides simultaneous information about the characteristics, quantity and isotopic composition (13C and 14C) of PyC.
Огонь происхождения, пирогенного углерода (PyC), иногда называемый черный углерод (BC), является углеродистый твердый остаток биомассы и ископаемого топлива сгорания, таких как уголь и сажа. PyC повсеместно в окружающей среде из-за своей долгой настойчивости, и его численность может даже увеличиться с прогнозируемым увеличением глобальной активности лесных пожаров и продолжающегося сжигания ископаемого топлива. PyC также все чаще получают из промышленного пиролиза органических отходов, что дает обугленные поправки почвы (биоугля). К тому же, появление нанотехнологии также может привести к выбросу PyC-подобных соединений в окружающую среду. Таким образом, первоочередной задачей для надежного обнаружения, определения характеристик и количественной оценки этих обгоревшие материалов с целью изучения их экологических свойств и понять их роль в углеродном цикле.
Здесь мы представляем метод бензола поликарбоновой кислоты (BPCA), которая позволяет одновременно оценить characteri PYC вStics, количество и изотопный состав (13 С и 14 С) на молекулярном уровне. Метод применим к очень широкому спектру материалов проб окружающей среды и обнаруживает PYC в широком диапазоне континуума сгорания, т.е. он чувствителен к слегка обгоревшие биомассы, а также высокие температуры и чарсы сажу. Протокол BPCA представлены здесь просто использовать, легко воспроизводимым, а также легко расширяемый и модифицируемые к конкретным требованиям. Таким образом, он обеспечивает универсальный инструмент для исследования PyC в различных дисциплинах, начиная от археологии и окружающей среды судебно-медицинской экспертизы для биоугля и круговорота углерода исследования.
В полном процессе сжигания биомассы или ископаемого топлива превращается в CO 2, H 2 O и неорганических остатков (золы). Тем не менее, в местных или временных ограничений кислорода, сгорание становится неполным и происходит пиролиз, образуя твердый органический остаток , известный как полукокса 1. Эти обугленные остатки также называют пирогенного органического вещества (PyOM) и в основном состоят из пирогенного углерода (пиролитического углерода) или, синонимично, черный углерод (BC) 2-4. Обугливание процессы вездесущи и могут быть частью как природного и техногенного 5-6 сгорания. Wildfire является важным естественным процессом, присущие большинству экосистем, которая производит значительное количество PyC каждый 4,7-10 год. Кроме того , сжигание ископаемого топлива для производства энергии в промышленности и на транспорте представляет собой важный антропогенный источник PyC 11-13. Оба источника способствуют повсеместной PyC в окружающей среде: PyC присутствует ввоздух, в виде аэрозолей , 13-14, в воде в виде твердых частиц или растворенное органическое вещество 15-17, а также в кернах льда 18-19 почвы 20-21 и осадков в 22-24 размеры от м до нм (например, большой обугленный ствол дерева после лесного пожара или наноразмерных частиц сажи , которые экранируют выхлоп дизельный двигатель). Широкое распространение PyC в среде не только из – за больших объемов производства , но и к его длинной настойчивости и относительной устойчивости к деградации 25-26. Хотя точное время оборота до сих пор не установлены и могут зависеть от конкретных условий окружающей среды 27-28, представляется очевидным , что PyC менее легко разлагается на СО 2 , чем большинство других форм органического углерода 29-30. Это наблюдение имеет важные последствия для глобального цикла C: в качестве обугленные материалы магазина PyC в течение относительно длительного времени, они изолируют C в органических формах, которые иначе были бы быстро гespired как СО 2, тем самым снижая концентрации в атмосфере парниковых газов с течением времени 31-32.
Помимо аспекта климата смягчающее, символы имеют дополнительно соответствующие свойства окружающей среды. Их высокая пористость, большая площадь поверхности и отрицательный поверхностный заряд может обездвижить опасные соединения 33 и повышения плодородия почвы 34-35. Признание символов в качестве потенциально полезного почвоулучшителя привело к новой области так называемой технологии биоугля 36. Биоуголь, вероятно , будет производиться на больших масштабах в ближайшие годы , и , таким образом , значительно увеличить PYC изобилие в почвах 37. Кроме того, возникновение лесных пожаров и сжигание ископаемого топлива также прогнозируется, останутся высокими в течение 21 – го века, непрерывно способствуя большое количество PyC в окружающую среду 11,38-39. Еще более важным источником PyC, вероятно, будет нанотехнологию, которые также используютs PyC-подобные соединения 40-41. Поэтому крайне важно, чтобы обнаружить, характеризуют и точно определить количество этих пирогенных материалов с целью изучения их свойств и понять их роль в окружающей среде.
Здесь мы представляем использование сложного конкретного подхода внедренный для анализа PYC в различных образцах: самое последнее поколение способа 42 бензола поликарбоновой кислоты (BPCA). Этот метод широко применим в исследованиях пиролитического углерода , как он непосредственно нацелен на «хребет» PyC: его полициклические конденсированные структуры , которые образуются в процессе термической обработки 43-45 , и что, следовательно , присущи всем различным формам пиролитического углерода 5,46. Тем не менее, эти структуры не непосредственно обложению хроматографическими средствами, из-за их размеров и неоднородности. Для того, чтобы хроматографическим путем анализа таких пирогенных соединений, пиролитического углерода сначала переваривают с азотной кислотой при высокой температуре и давлении, которое разрушаеткрупные полициклические структуры вниз в свои строительные блоки, отдельные BPCAs (ср. рисунок 1). В BPCAs затем, через несколько стадий очистки, поддаются хроматографического анализа 20,42. Пиролитического углерода, таким образом , выдел ют и анализируют на молекулярном уровне , и может быть использован для количественного определения PYC изобилие в объектах окружающей среды 20,42. Метод BPCA дополнительно характеризует исследуемую PYC когда относительные выходы B3-, B4-, B5- и B6CA сравниваются (см рисунок 1): Соответствующая доля по- разному карбоксилированный BPCAs связана с размером исходных полициклических структур и поэтому показателем качества и температуры пиролиза PYC в 44,47-48. Кроме того, данный способ позволяет для определения изотопного состава C (13 С и 14 С) из PyC , поскольку индивидуум BPCAs, выводя непосредственно из чистых PYC структур, может быть изотопно анализировать после изоляции (см рис 1, шаги 5 и 6) 49. Соединение конкретного изотопный анализ PyC представляет большой интерес 50 , как он может быть использован, например, для различения между биомассой предшественника гольцов в тропических районах 51-52, чтобы получить возраст обугленных материалов 53-54 или проследить в PYC исследования велоспорта C с изотопной метки 26,55-56. Более подробную информацию о PyC а также метод BPCA истории, развития и применения , в частности , можно найти в Wiedemeier, 2014 57, из которых составлены часть вышеуказанных пунктов и части обсуждения.
Метод BPCA имеет ряд важных преимуществ по сравнению с другими доступными методами PYC 78-79: I) он обнаруживает PyC в широком диапазоне континуума сгорания, то есть, она чувствительна к слегка обгоревшие биомассы, а также высокой температуры и гольцов сажи 42 , 70, II) , она может одновременно характеризовать 16,44,80-81, количественно 20,42 и изотопно анализа PyC 49-50,66,73,82-83, III) он применим к очень широкому диапазону окружающей среды образца материалы 42,70 и IV) его методология была интенсивно рассмотрена и может быть положен в последовательной основе с оценками других методов PYC 44,47,70,84-85. По всем этим причинам, подход BPCA, возможно, самый универсальный метод PyC доступны на сегодняшний день, чьи основные допущения хорошо ограничены и постоянно сопоставлена с другими методами.
Выше протокол объединяет Strengths предыдущих методов BPCA в единую процедуру, хорошо воспроизводим, просто использовать и легко может быть расширен и изменен с конкретными требованиями. Например, когда хроматография проводится с рН градиентом вместо органического растворителя, он-лайн изотопного отношения мониторинг BPCAs возможно 42, отпадет необходимость в стадии мокрого окисления. Аналогичным образом , удаление катионов и / или неполярных соединений (этапы 3 и 4) могут быть пропущены , если известно , что отдельные образцы не содержат каких – либо таких соединений (например, в некоторых случаях в лабораторных условиях с производства символов).
Как и любой метод PyC, процедура BPCA имеет некоторые ограничения, тоже. В связи с этим важно отметить, что подход BPCA изначально занижает общее количество ВПГ в образцах: метод разрушает большую часть полициклических структур PYC с целью извлечения их BPCA строительные блоки, таким образом, не количественно восстанавливается все PYC в форме из BPCAs20,86. Коэффициенты пересчета были предложены в прошлом, чтобы перевести BPCA урожаи в полное содержание ВПГ. Тем не менее, найти один правильный коэффициент преобразования практически невозможно из – за неоднородной степени ароматической конденсации в большинстве символов 41,48,80,86. Во многих случаях PYC количества образцов сравниваются по отношению друг к другу 42,81,87-88. Затем мы рекомендуем не использовать какие – либо коэффициентов пересчета и просто представлять данные BPCA "как измерено" 48. В отдельных случаях, когда доходность BPCA берутся оценить абсолютные PYC величин 24,89-90, первоначально опубликованный коэффициент преобразования 20 2.27 кажется уместной , поскольку она преобразует BPCA приводит в консервативные оценки содержания PYC 86.
Еще одна трудность, связанная с методами PYC является то, что они являются потенциально чувствительными к мешающим, без PYC материалов и / или что PyC производится в ходе самого анализа, что приводит к завышениюфактическое содержание PyC в образцах 70. Подход BPCA очень устойчив против таких интерферирующих материалов 70, не производит PYC сам по себе 16,70,86 и консервативен по своей природе (см выше пункта). Даже графит, химически очень похожий материал PyC но петрогенными происхождения, не мешает измерения BPCA (Schneider, МОР неопубликованные результаты. Цюрих, (2013)). До сих пор единственным известным не-PYC помех для метода BPCA некоторые сгущенное, ароматические пигменты грибов 91, которые должны быть количественно незначительным для подавляющего большинства исследований 86. Метод BPCA с одновременным качественным, количественным и 13 С и 14 С изотопным информации таким образом , является отличным инструментом для исследования PyC в различных дисциплинах.
The authors have nothing to disclose.
The authors thankfully acknowledge support by the following funding sources: the University of Zurich Research Priority Program “global change and biodiversity”, the Swiss National Science Foundation projects 134452, 131922, 143891, 119950 and 134847, and the Deep Carbon Observatory – Deep Energy award 60040915.
ball mill | Retsch | N/A | ball mill with carbon-free grinding jars and balls (Retsch MM 200 with agate grinding jars and balls) |
combustion oven | Nabertherm | N/A | combustion oven/muffle furnace with a temperature of 500 °C (Nabertherm L40/11 or similar) |
pressure bombs with PTFE pressure chambers, quartz digestion tubes with quartz lids |
Seif Aufschlusstechnik, Unterschleissheim, Germany | N/A | Helma U. Rudolf Seif Aufschlusstechnik Fastlingerring 67 85716 Unterschleissheim Germany Tel: (+49) 89 3108181 |
vortex mixer | common lab supply | N/A | |
oven | Thermo Scientific | 50051010 | drying oven with constant temperature (Thermo Scientific Heraeus or similar) |
vacuum manifold system with PTFE connectors |
Machery Nagel | Chromabond 730151 730106 |
ftp://ftp.mn-net.com/english/Instruction_leaflets/Chromatography/SPE/CHROMABOND_VK_DE_EN.pdf |
reusable glass syringes with disposable glass fibre filters | Machery Nagel | 730172 730192 |
http://www.mn-net.com/SPEStart/SPEaccessories/EmptySPEcolumns/tabid/4285/language/en-US/Default.aspx |
25 mL volumetric glass flasks | common lab supply | N/A | In contrast to all other glassware, do not combust to ensure volumetric accuracy. Instead, clean in acid bath, with ultrasound and with ultrapure water. |
chromatographic glass columns with frit and PTFE stopcock and glass wool | custom made | N/A | dimensions of glass columns: ca. 40cm long, ca. 1.5 cm in diameter |
cation exchange resin | Sigma Aldrich | 217514 | Dowex 50 WX8 400 |
conductivity meter | WTW | 300243 | LF 320 Set |
100 mL conical flasks for freeze drier | common lab supply | N/A | |
liquid nitrogen | common lab equipment | N/A | for snap-freezing the aequous solution after removal of cations |
freeze dryer | Christ | N/A | Alpha 2-4 LD plus |
C18 solid phase extraction cartridges | Supelco | 52603-U | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/supelco/52603u?lang=de®ion=CH |
2.5 mL glass test tubes | Agilent Technologies | 5022-6534 | http://www.chem.agilent.com/store/en_US/Prod-5022-6534/5022-6534?navAction=push&navCount=0 |
concentrator | Eppendorf | 5305000.100 | |
1.5 mL HPLC autosampler vials | depending on HPLC | N/A | |
6 mL fraction collector vials | depending on HPLC | N/A | |
high purity N2 gas | common lab equipment | N/A | |
12 mL borosilicate gas tight vials | Labco | 538W | http://www.labco.co.uk/europe/gas.htm#doublewad12ml |
needles | B Braun | 4665643 | http://www.bbraun.ch/cps/rde/xchg/cw-bbraun-de-ch/hs.xsl/products.html?prid=PRID00000510 |
high purity He gas | common lab equipment | N/A | |
Materials | |||
HNO3 (65%) p.a. | Sigma Aldrich | 84378 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/84378?lang=de®ion=CH |
2M HCl | Sigma Aldrich | 258148 | mix with ultrapure water to achieve 2M solution |
2M NaOH | Sigma Aldrich | 71691 | mix with ultrapure water to achieve 2M solution |
methanol | Sigma Aldrich | 34860 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/34860?lang=de®ion=CH |
water | Milli-Q | Z00QSV0WW | Type 1 grade, optimized for low carbon |
orthophosphoric acid | Sigma Aldrich | 79606 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/fluka/79606?lang=de®ion=CH |
acetonitrile | Sigma Aldrich | 34851 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/34851?lang=de®ion=CH |
C18 reversed phase column | Agilent Technologies | 685975-902 | Agilent Poroshell 120 SB-C18 (4.6 x 100 mm) |
Na2S2O8, sodium persulfate | Sigma Aldrich | 71890 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/71890?lang=de®ion=CH |
BPCA standards | |||
trimellitic acid | Sigma Aldrich | 92119 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/fluka/92119?lang=de®ion=CH |
hemimellitic acid | Sigma Aldrich | 51520 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/51520?lang=de®ion=CH |
pyromellitic acid | Sigma Aldrich | 83181 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/search?term=83181&interface=All&N=0&mode=match%20partialmax&lang=de®ion=CH&focus=product |
benzenepentacarboxylic acid | Sigma Aldrich | S437107 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/s437107?lang=de®ion=CH |
mellitic acid | Sigma Aldrich | M2705 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/m2705?lang=de®ion=CH |
oxidation standars | |||
phtalic acid | Sigma-Aldrich | 80010 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/80010?lang=de®ion=CH |
sucrose | Sigma-Aldrich | S7903 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigma/s7903?lang=de®ion=CH |
black carbon reference materials | University of Zurich | N/A | http://www.geo.uzh.ch/en/units/physische-geographie-boden-biogeographie/services/black-carbon-reference-materials |