Extraction et caractérisation des tensio-actifs de l'atmosphère Aérosols

1. Préparer le matériel pour le Protocole comme indiqué dans le tableau 1 Matériel Préparation / lavage Consommables (seringues en plastique, des aiguilles, des flacons de 4 ml, pipettes Pasteur, Conseils d'micropipette) A utiliser directement, sans traitement préalable et mis au rebut après utilisation. La verrerie (des béchers (pour l' eau ultrapure), 15, 30, et des bouteilles de 60 ml avec des bouchons de liège, des tubes d'extraction en phase solide (SPE) et des barres d'agitation magnétiques) Laver avec de l'éthanol (uniquement pour les flacons utilisés pour la méthode colorimétrique). séquentiellement rinçage à l'eau du robinet, l'éthanol, l'eau du robinet et de l'eau ultrapure. Remplir les flacons de verre et bécher contenant les bouchons, Agitateurs magnétiques, et SPE tubes avec de l'eau ultra pure et placez-les dans un bain à ultrasons pendant 15 min. Retirer l'eau et rincer à l'eau ultra pure. Sécher la verrerie dans l'air à la température ambiante. Une fois séché, fermez toutes les bouteilles et les stocker sous couvert pour éviter la collecte de la poussière. Pour éviter toute contamination, utiliser la verrerie distincte pour l'extraction de l'eau et la colorimétrie. Pinces et ciseaux Laver avec de l'éthanol puis de l'eau ultra-pure. Sécher avec de l'air comprimé. Des boîtes de Petri en verre et couvercles Laver à l'eau du robinet et une brosse, puis avec de l'éthanol. Rincer à l'eau du robinet puis de l'eau ultra pure. Sécher à l'air à la température ambiante. Une fois séché, fermer les boîtes et Storles e sous couvert pour éviter la collecte de la poussière. Collecteur de vide SPE Laver avec de l'éthanol puis de l'eau ultra-pure. Sécher avec de l'air comprimé. Cuvette de quartz (par analyse UV-Vis) Laver avec de l'éthanol et rincer à l'eau du robinet puis de l'eau ultra pure. Sécher avec de l'air comprimé. Tableau 1: Liste des matériaux et objets en verre utilisé pour le protocole, y compris leur préparation et leur lavage. 2. Manipulation des échantillons d'aérosols REMARQUE: La méthode d'extraction présentée ici a été mis au point pour des échantillons d'aérosols atmosphériques recueillies sur des filtres en fibres de quartz, d'un poids total d'au moins 8 ug. La méthode de prélèvement d'échantillons d'aérosols sur les filtres dans l'atmosphère ne sera pas expliqué ici, mais de nombreuxles descriptions se trouvent dans la littérature, tels que les références 2, 3, 4, 5, 6 Seules les étapes suivantes sont soulignées. Nombre de chaque filtre individuel. REMARQUE: tout au long du protocole, les filtres doivent être manipulés avec des pincettes propres et maintenues par leur bord. Condition préalable des filtres et des feuilles d'aluminium ou des boîtes de Petri en verre avant l'échantillonnage en les cuisant à 773 K pendant 6 h. Pré-pesée, dans des conditions de température et d'humidité contrôlées, les filtres à l'aide d'une microbalance ayant une précision d'au moins 1 ug, pour déterminer le poids de pré-échantillonnage. Prélever des échantillons en blanc régulièrement au début, pendant et à la fin de la période d'échantillonnage, en plaçant un filtre sur le porte-filtre de l'échantillonneur mais en gardant la pompe pour la même durée que pour la collecte d'échantillon réel ( <em> p. si le prélèvement d'échantillons dure 24 h, le filtre blanc doit être laissé dans l'échantillonneur, avec la pompe, pendant 24 h). Analyser ces blancs avec le même protocole que pour les échantillons réels. Dès que possible après le prélèvement, l'emballage des filtres dans des récipients (feuilles d'aluminium soutenus ou des boîtes de Pétri de verre) et les stocker dans un congélateur à -18 ° C (255 K) jusqu'à l'analyse. Laissez les filtres à équilibrer dans un dessicateur pendant 24 h avant la pesée. Déterminer chaque volume d'échantillon (masse d'aérosol collectées sur des filtres) par pesée après échantillonnage (et soustraire le poids de pré-échantillonnage) sous la même température contrôlée et à l'humidité relative pendant la pré-pesée. 3. Extraction des tensio-actifs à partir d'échantillons d'aérosols Extraction de l' eau Immerger les échantillons de filtre dans de l'eau ultrapure pendant 2 heures à 279 ± 1 K dans des boîtes de Petri en verre, fermer le couvercle et secouer les boîtes de Petri tout en les maintenant à plat, sur l'etrès 30 min. REMARQUE: les filtres de 47 mm sont immergés dans 7 ml et les 150 mm dans 35 ml. Avec 120 mm de verre boîtes de Petri, les filtres 150 mm doivent être coupés en quatre morceaux avec des ciseaux propres avant d'être placé dans le plat. Nettoyer un filtre de seringue (0,40 um PVDF) avec 3 x 1 ml d'eau ultrapure. Filtrer la solution obtenue à l'étape 3.1.1 avec le filtre de seringue propre et le placer dans une bouteille en verre pré-pondérés 60 mL. Rincer la boîte de Pétri avec 5 ml d'eau ultrapure, filtrer l'eau avec le filtre de la seringue et l'ajouter à la solution dans le flacon de verre 60 ml. Puis pondérer la bouteille en verre de 60 ml contenant la solution pour déterminer le volume d'eau filtrée et la concentration en agent tensioactif dans l'étape 4.4.5. SPE extraction (extraction en phase solide) Attacher les cartouches de C18 à base de silice SPE (voir Liste des matériaux pour des détails sur les cartouches) sur le collecteur de vide SPE, qui lui – même est reliéà une pompe. Laver les cartouches en faisant circuler de 6 ml d'acétonitrile à un débit de 1 mL / min et en appliquant un vide à la pompe. Répéter l'opération avec 6 ml d'eau ultra-pure. Arrêter la pompe pour maintenir le niveau d'eau assez élevé et de garder la cartouche humide. L'écoulement de l'échantillon obtenu à l'étape 3.1.3 à travers la cartouche SPE à raison de moins de 1 mL / min. Débit 1 ml d'eau ultra pure que la cartouche de nettoyage et de sécher la cartouche en appliquant un vide plus fort sur l'entité ad hoc mis en place. Eluer la fraction d'agent tensio-actif absorbé sur la colonne par écoulement de 4 ml d'acétonitrile à travers elle à une vitesse d'écoulement inférieure à 1 mL / min. On évapore la solution d'acétonitrile obtenue avec un flux de N 2 pour obtenir un extrait sec de tensioactif et re-dissoudre l'extrait sec dans 60 ul d'eau ultrapure. NOTE: Les extraits de 60 pi obtenus à partir de cette méthode peut alors être utilisé comme solution mère pour diverses caractérisations des agents tensio-actifs. Détermination de l'efficacité d'extraction NOTE: L'efficacité du procédé d'extraction pour les différents types d'agents tensio-actifs doivent être déterminés pour la détermination de leurs concentrations absolues dans la section 4. Pour cela, le protocole suivant doit être appliquée pour faire référence à des tensioactifs tels que, par exemple, du dodécyl sulfate de sodium (SDS), le dioctyl sodium sulfosuccinate (AOT), benzyltetradecyl diméthylammonium (zephiramine), le chlorure de cétyltriméthylammonium (CTAC), (1,1,3,3-tétraméthylbutyl) phényl-glycol polyethylene (voir Matériaux List), le polyéthylène glycol, l'éther de dodécyle ( voir Matériels Liste), surfactine, rhamnolipide ou L-α-phosphatidylcholine. Doper les solutions aqueuses standard de référence (10 -9 à 10 -4 mole de tensio – actifs dans de 1 ml d' eau ultrapure) sur des filtres à quartz propre (grammage 0,85 gm -2) avec une micropipette. En parallèle, ajouter la même quantité de ces solutions directly dans des flacons comme des « solutions initiales ». Sécher les filtres (placées dans des boîtes de Petri) dans un dessiccateur pendant 24 h et on extrait les filtres avec des agents tensioactifs selon le protocole dans la section 3.1 à 3.2. Mesurer la concentration des composés de référence dans la première (solutions de référence dans des flacons de l'étape 3.3.1) et les solutions extraites (étape 3.3.2) avec les procédés décrits dans la section 4. Les rendements d'extraction sont déterminées par le rapport de thèses concentrations. NOTE: En règle générale, dans ce travail, pour SDS et AOT (Les agents tensio-actifs anioniques), cette efficacité a été jugée 65 ± 10%, pour zephiramine et CTAC (Les tensioactifs cationiques), il était de 20 ± 5%, et pour (1,1 , 3,3-tétraméthylbutyl) glycol phényl-polyéthylène (voir Matériaux List), le polyéthylène éther dodécylique de glycol (voir Matériaux List), surfactine, rhamnolipide, et la L-α-phosphatidylcholine (tensioactifs non ioniques), il était de 90 ± 10%. Extractisur la fraction de tensioactif total dans des échantillons NOTE: Pour vérifier que la méthode d'extraction proposée supprime tous les agents tensio – actifs présents dans les échantillons analysés ( par exemple tous les composés abaissant leur tension de surface), le test suivant peut être réalisé. Mesurer la tension de surface (voir la section 5) d'une solution connue de composé de référence (ou d'un extrait de l'échantillon) après la première extraction (étape 3.1.3). Il devrait être d' environ 50 mN m -1. Mesure de la tension superficielle de la solution à gauche après les deuxièmes étapes d'extraction, soit recueilli après passage à travers la colonne SPE dans l' étape 3.2.3. Cette valeur doit être proche de 72,8 ± 1 mN m -1, celle de l' eau pure, indiquant que la plupart ou tous les composés tensio-actifs présents dans les échantillons ont été enlevés par extraction. 4. Détermination des concentrations en aérosol tensioactives phase REMARQUE:Une technique colorimétrique a été choisi pour la détermination des concentrations de tensioactifs en phase d'aérosol, qui fournit des concentrations absolues et présente une sensibilité suffisante pour tensio-actifs dans des échantillons environnementaux. 11, 12, 13, 14 mais il nécessite de mesurer séparément les concentrations de tensioactifs anioniques, cationiques et des tensioactifs non ioniques à cause des réactifs différents doivent être utilisés pour chaque type d'agent tensio – actif. Toutes les solutions pour le protocole suivant doivent être préparés avec micropipettes de précision et de toutes les réactions doivent être effectuées dans des flacons en verre. Titrage colorimétrique de tensio – actifs anioniques Préparer une solution de tampon acétate dans l'eau à pH = 5 (solution d'acétate de sodium 0,2 M / solution d'acide acétique 0,2 M, 70/30 en volume) avec un volume d'au moins n 200 uL, où n est le nombre d'échantillons à analysé. <li> Préparer une solution d'EDTA 0,1 M avec un volume d'au moins 100 uL nx, où n est le nombre d'échantillons à analyser. Préparer une solution de sulfate de sodium à 1 M dans de l'eau avec un volume d'au moins 500 uL nx, où n est le nombre d'échantillons à analyser. Préparer une solution de violet d'éthyle (C 31 H 42 N 3) 11, 15, 16, 17 0,49 g L -1 dans l' eau avec un volume d'au moins 200 uL nx, où n est le nombre d'échantillons à analyser. Si à partir des extraits d'échantillons de 60 pi obtenus dans la section 3, les diluer à 10 ml avec de l'eau ultra pure en utilisant micropipettes dans une bouteille en verre de 60 ml avec un couvercle. Dans le cas contraire, prendre 10 ml d'échantillon et ajouter 200 ul de solution tampon d'acétate, 100 ul de la solution d'EDTA, 500 ul de la solution de sulfate de sodium et 200 ul de l'éthyleune solution de violet à l'aide de micropipettes. Ajouter 2,5 ml de toluène à la solution avec une micropipette, une barre d'agitation magnétique, et on agite pendant 1 heure à 500 tours par minute. Laisser les phases aqueuse et organique pour définir pendant environ 10 min. Une fois qu'ils sont séparés, éliminer la phase de toluène (phase supérieure) avec une pipette Pasteur en verre pour effectuer l'analyse UV-vis (voir la section 4.4). Titrage colorimétrique des agents tensio – actifs cationiques Préparer une solution de tampon acétate dans l'eau à pH = 5 (solution d'acétate de sodium 0,2 M / solution d'acide acétique 0,2 M, 70/30 en volume) avec un volume d'au moins nx 1 mL, où n est le nombre d'échantillons à analysé. Préparer une solution de bleu disulfine (C 27 H 32 N 2 O 6 S 2) 11, 18 à 2,58 g L – 1 dans un mélange eau 90:10 / éthanol (diluant le colorant d' abord avec le volume d'eau, puis en ajoutant le volume de l'éthanol), avec un volume d'au moins 500 uL nx, où n est le nombre d'échantillons à analyser. Placer 10 ml d'échantillon dans un flacon en verre de 30 ml avec un couvercle et ajouter 1 mL de la solution tampon d'acétate et 500 ul de la solution de bleu disulfine en utilisant des micropipettes. Ajouter 2,5 ml de chloroforme avec une micropipette, une barre d'agitation magnétique, et on agite pendant 1 heure à 500 tours par minute. Après avoir laissé les phases aqueuse et organique se séparer pendant environ 10 minutes, éliminer le chloroforme (phase inférieure) avec une seringue pour effectuer l'analyse UV-Vis (voir la section 4.4). Titrage colorimétrique d'agents tensioactifs non ioniques NOTE: Pour le titrage de tensio – actifs non-ioniques, il n'a pas été possible d'identifier un colorant réagissant avec les agents tensio – actifs non-ioniques, mais le thiocyanate de cobalt (Co (NCS) 2) a été choisi car il réagit avec une large gamme de composés. 12, 19 Préparer unsolution de thiocyanate de cobalt en mélangeant nx 6,2 g de thiocyanate d'ammonium et 2,8 g nx hexahydrate de nitrate de cobalt dans 10 ml d'eau nx, où n est le nombre d'échantillons à analyser. Placer 3 ml d'échantillon dans un flacon en verre de 15 ml avec un couvercle et ajouter 1 mL de la solution de thiocyanate de cobalt avec une micropipette. Ajouter 2 mL de chloroforme avec une micropipette, une barre d'agitation magnétique, et on agite pendant 1 heure à 500 tours par minute Après avoir laissé les phases aqueuse et organique se séparer pendant environ 10 minutes, éliminer le chloroforme (phase inférieure), en utilisant une seringue pour effectuer l'analyse d'absorption UV-Vis (voir la section 4.4). L' étalonnage des courbes et quantification par UV-Vis spectroscopie Établir une courbe d'étalonnage (absorbance vs courbes de concentration) pour les agents tensioactifs anioniques, en mesurant l'absorbance à 612 nm d'une série de solutions connues d'un composé de référence, tels que le SDS ou AOT. Remarque: En général 12 solutions avec des concentrationsentre 0 et 5 uM (et y compris quelques répétitions) doit être utilisé pour établir la courbe. Une courbe d'étalonnage unique doit être obtenu avec les deux composés anioniques (SDS et AOT) avec une pente de ε = 0,37 ± 0,02 uM cm -1 et une limite de détection de 0,054 uM, pour tous les agents tensio – actifs anioniques. Établir une courbe d'étalonnage pour des tensioactifs cationiques par une approche similaire, mais mesurant l'absorbance à 628 nm et en utilisant des composés de référence tels que Zephiramine ou CTAC. REMARQUE: la pente doit être e = 0,35 ± 0,05 uM cm -1 et la limite de détection 0,059 uM, pour tous les agents tensio – actifs cationiques. Établir une courbe d'étalonnage pour des agents tensioactifs non ioniques par une approche similaire, mais pour une gamme de concentration de 0 à 20 um, en mesurant l'absorbance à 317 nm, et en utilisant de l'éther dodécylique de polyéthylène glycol (voir Matériaux List) comme composé de référence. Pour déterminer les concentrations d'agent tensio-actif de colorantcomplexe dans les solutions organiques obtenues dans la section 4.1, 4.2 et 4.3, le lieu ~ 1,5 à 2 ml de ces solutions dans une cellule de 1 cm de quartz et de mesurer son absorbance à 612, 628 et 317 nm, respectivement, avec un spectrophotomètre UV-Vis. Avant chaque mesure de la solution, de prendre une ébauche du solvant organique (toluène par méthode de tensioactif anionique et de chloroforme pour des procédés de tensioactifs cationiques et non ioniques) NOTE: Contrairement aux agents tensio-actifs anioniques et cationiques, en utilisant du thiocyanate de cobalt en tant que colorant donne différentes courbes d'étalonnage avec différents agents tensio-actifs non ioniques. En utilisant l' éther dodécylique de polyéthylène glycol, comme le suggère ici, sous – estime les concentrations de la plupart des agents tensio – actifs non ioniques, assurant ainsi que les erreurs sur les mesures sont toujours du même signe, par exemple sous – estimer les concentrations réelles. La pente en utilisant l' éther dodécylique de polyethylene glycol comme référence devrait donner une pente de ε = 0,013 ± 0,001 uM -1 et une limite de détection de 0,3 uM. NOTE: Sur la base de la différence de calibration pentes de obtenue avec différents agents tensio – actifs non-ioniques et le fait que certains agents tensio – actifs peuvent ne pas être détectés du tout par le thiocyanate de cobalt , nous avons estimé 6 la sous – estimation systématique de la concentration en agent tensio – actif non ionique avec cette méthode à environ un facteur 2, qui est la principale source d'incertitudes dans les concentrations totales d'agents tensioactifs. Déterminer la concentration totale en agent tensioactif dans chaque échantillon comme étant la somme des concentrations des tensioactifs anioniques, cationiques, et les tensioactifs non-ioniques mesurées séparément 6 et après avoir corrigé chaque concentration par l'efficacité du volume extrait de l' étape 3.1.3 et par l'efficacité de l' extraction respective déterminée l'étape 3.3. NOTE: Les incertitudes globales de ces concentrations totales est estimée à 33%, principalement en raison des incertitudes sur les concentrations de tensio-actifs non ioniques. Déterminer les concen tensioactifs moyennetrations dans l'échantillon d'aérosol en multipliant la concentration obtenue pour l'extrait par le rapport entre le volume d'échantillon d'aérosol au volume d'extrait (60 ul). 5. Détermination des courbes de tension superficielle absolue Surfactant dans l'eau Les mesures de la tension superficielle par goutte suspendue tensiométrie NOTE: Pour les échantillons d'aérosols, les mesures de tension de surface sont mieux réalisés avec la méthode des gouttelettes de suspension, car cela est la méthode nécessitant le plus petit volume d'échantillon (pour plus de détails sur le tensiomètre, voir Liste des matériaux). Bien que de telles mesures sont effectuées sur des gouttelettes d'un diamètre compris entre 1,4 et 2,4 mm, des expériences ont montré que la tension de surface mesurée est identique à celle des gouttelettes de la taille du micron contenant la même concentration d'agent tensio-actif. 10, 20 Tout au long des mesures, la température doit être constante pour au moins0, ± 3 K, et le volume des gouttelettes doit être surveillée en continu pour écarter l'effet d'évaporation. Chaque gouttelette doit être laissé à l'équilibre (la valeur de tension de surface ne varie pas de plus) avant d'effectuer une mesure et chaque mesure doit être répétée 3 à 5 fois. Démarrez la caméra et le logiciel tensiomètres (voir Matériaux Liste des références). Calibrer le tensiomètre en mesurant la tension superficielle de gouttelettes d'eau ultrapure, en suivant le protocole ci-dessous dans les étapes 5.1.2-5.1.5. Remplir une seringue de 1 ml avec une aiguille Ø 0,30 mm aiguille (par σ <45 mN m -1) ou un Ø 0,51 mm (pour σ> 45 mN m -1) avec la solution d'agent tensio – actif obtenu à l' étape 3.2.6 et placez – le sur le tensiomètre, en veillant à ce que la pointe de l'aiguille se trouve dans le champ de la caméra. Produire une gouttelette d'un diamètre compris entre 1 et 3 mm à la pointe de l'aiguille en appuyant sur le piston. Prenez une photo ou une vidéo de la goutte avant qu'il ne tombe avec elogiciel e. Exécuter la fonction d'analyse du logiciel en fonction de la forme de gouttelettes à l'équation de Young-Laplace et obtenir une valeur de tension de surface. A noté ci-dessus, cette opération doit être répétée plusieurs fois pour la même goutte jusqu'à ce que la tension superficielle ne varie pas plus, pour faire en sorte que les agents tensio-actifs ont atteint l'équilibre dans la goutte. NOTE: les incertitudes globales sur ces mesures de tension de surface sont généralement de ± (0,3-1,0) mN m -1. Courbes complètes de tension de surface et CMC Mesurer la tension superficielle de l'extrait initial, obtenu à l'étape 3.2.6, suivant le protocole 5.1. Mesurer la concentration totale en agent tensioactif dans le même extrait, en suivant les protocoles de la section 4. Cette tension de concentration et la surface de cet extrait servira de point de départ de la courbe. Pour tracer le reste de la courbe, diluer l'extrait d'un facteur 2 par adding eau ultra-pure avec une micropipette. Mesurer la tension superficielle de la solution diluée. Répétez l' étape 5.2.2 jusqu'à ce que la solution a atteint (ou près de) la tension superficielle de l' eau pure (72,8 ± 1 mN m -1). Les valeurs de tension superficielle et les facteurs de dilution pour chacune de ces solutions diluées fourniront les points définissant la courbe de la tension superficielle. Déterminer la concentration moyenne de l'agent tensioactif dans l'échantillon d'aérosol initial en multipliant la concentration de l'extrait par le rapport de l'extrait au volume de l'échantillon. REMARQUE: le volume d'échantillon d'aérosol est généralement inférieure à celle de l'extrait de 60 ul, la concentration en agent tensio-actif d'aérosol est habituellement plus grande que la concentration de l'extrait, ainsi le point le plus éloigné sur l'axe des x de la courbe. Tracer la courbe de tension de surface (Figure 2). Pour cela, placer le premier point correspondant aux conditions de l'aérosol (axe x = des concentrations d tensioactifsdans l'échantillon d'aérosol déterminé à l'étape 5.2.5; l'axe y = tension superficielle minimale mesurée dans la solution d'extrait de 60 ul à l'étape 5.2.1). Ensuite, placer le second point correspondant à l'extrait de 60 ul de l'étape 5.2.1 (axe x = concentration de l'agent tensio-actif dans l'extrait de 60 ul; axe y = tension superficielle minimale mesurée dans la solution d'extrait de 60 ul). Ensuite, placer le troisième point correspondant à l'extrait d'aérosol dilué de l'étape 5.2.2 (axe x = concentration agent tensio-actif dans la solution d'extrait dilué 120 ul = concentration dans la solution d'extrait de 60 ul divisé par un facteur de 2; axe y: surface minimum la tension mesurée de la solution d'extrait de 120 ul), et ainsi de suite jusqu'à la dernière tension de surface mesurée (étape 5.2.3) Une fois la courbe de la tension superficielle établie, à déterminer la CMC graphiquement en déterminant l'intersection entre la pente forte et le niveau de tension de surface minimale (voir figure 2). NOTE: Seulement si ela concentration en tensioactif e dans l'extrait est nettement au-dessus de la CMC (au-dessus de la transition abrupte de la courbe), la valeur de la CMC et de la tension superficielle minimale peut être déterminée avec précision. Mais si cette concentration est inférieure à la CMC, la valeur exacte de la CMC ne peut pas être déterminée et la tension superficielle de l'extrait ne donnera une limite supérieure de celle de l'échantillon.