Analisi del carbonio e dell'azoto in campioni di matrici ambientali

Fonte: Laboratori di Margaret Workman e Kimberly Frye - Depaul University

L'analisi elementare è un metodo utilizzato per determinare la composizione elementare di un materiale. Nei campioni ambientali come i suoli, gli scienziati sono particolarmente interessati alle quantità di due elementi ecologicamente importanti, l'azoto e il carbonio. L'analisi elementare con la tecnica di combustione flash funziona ossidando il campione con un catalizzatore attraverso la combustione in una camera ad alta temperatura. I prodotti della combustione vengono quindi ridotti a N₂ e CO₂ e rilevati con un rilevatore di conducibilità termica.

A differenza di altri metodi per la determinazione dell'azoto totale (metodo Kjeldahl) e la determinazione del carbonio totale (metodi Walkley-Black, Heanes o Leco), la tecnica di combustione flash non utilizza sostanze chimiche tossiche ed è quindi molto più sicura da usare.

Questo video dimostrerà l'analisi elementare basata sulla combustione utilizzando lo strumento Flash EA 1112 di Thermo Fisher Scientific.

I campioni di terreno vengono posti in un disco di stagno e lasciati cadere nel reattore di ossidazione tramite un autocampionatore dove vengono bruciati in un ambiente di ossigeno a più di 900 °C in presenza di un catalizzatore di ossidazione. Il carbonio nel campione viene convertito in anidride carbonica e l'azoto viene convertito in azoto gassoso e alcuni ossidi di azoto.

C + O₂ → CO₂
4 N + x O₂ → N₂ + 2 NO_x

Il gas elio trasporta questi prodotti in un secondo tubo di reazione riempito di rame che riduce gli ossidi di azoto in azoto gassoso e rimuove l'ossigeno in eccesso. Questo è completato a 680 °C.

NO_x + Cu → N₂ + CuO
O₂ + Cu → CuO

Il flusso di gas scorre quindi attraverso un filtro riempito con perclorato di magnesio per rimuovere qualsiasi vapore acqueo prima che il flusso raggiunga la colonna del gascromatografo.

L'N₂ uscirà prima dalla colonna di gascromatografia a circa 110 s, e poi il CO₂ uscirà a circa 190 s. Utilizzando una curva standard creata utilizzando acido aspartico, è possibile determinare %N e %C nel campione di terreno.

1. Preparazione di campioni di terreno

1. Campioni di terreno asciutto a 60 °C per 48 ore.
2. Passare il terreno attraverso un setaccio di 2 mm x 2 mm.
3. Mettere circa 5 g di terreno nella smerigliatrice del mulino a sfere e macinare per 2 minuti. È importante ottenere un campione omogeneo poiché la dimensione del campione sarà molto piccola.
4. Mettere il terreno macinato in un piccolo contenitore e conservare in un essiccatore fino al momento dell'uso.

2. Impostazione dei parametri dello strumento

1. Accendi lo strumento Flash EA 1112 nella parte posteriore ruotando l'interruttore.
2. Accendere il computer.
3. Fare doppio clic sull'icona "Eager 300" per avviare il programma software che esegue lo strumento.
4. Fare doppio clic sull'icona "NC Soils" per aprire il metodo che esegue la configurazione dello strumento per i terreni.
5. Riscaldare lo strumento aprendo "Modifica parametri dell'analizzatore elementare" e facendo clic sul pulsante "Invia". I parametri devono essere i seguenti (Vedi Figure 1–3):
   a. Temperature: Sinistra = 900 °C, Destra = 680 °C, Forno = 50 °C
   b. Portata gas: Portatante = 130 mL/min, Ossigeno = 250 mL/min, Riferimento = 100 mL/min
   c. Durata ciclo = 360 s
   d. Ritardo di campionamento = 12 s
   e. Fine iniezione di ossigeno = 5 s
   f. Rivelatore = Filamento acceso
6. Creare una tabella di esempio facendo clic su "Modifica tabella di esempio" e quindi su "Riempi tabella di esempio". Modificare il nome del file alla data odierna. Immettere il numero di campioni che si prevede di eseguire, inclusi gli standard e gli spazi vuoti. Quindi fare clic su "Sostituisci" per sostituire l'ultima tabella di esempio creata con la nuova tabella di esempio.

3. Creazione di una curva standard

1. Usando la pinna, rimuovere un disco di latta dalla confezione e modellarlo a forma di tazza utilizzando lo speciale dispositivo di tenuta. Evitare di toccare il disco di latta con le dita per evitare di trasferire oli dalla punta delle dita. (Vedi figure 4–5)
2. Usando la pinza, posizionare il disco di stagno sulla microbilanza e azzerare la bilancia.
3. Usando una pinza, rimuovere il disco di stagno dalla microbilanza e usando una microspatula, posizionare circa 1 mg di acido aspartico standard nel disco di stagno.
4. Pesare il disco di stagno con lo standard di acido aspartico sulla microbilatta. Immettere questo peso nella tabella dati del software Eager 300 sul computer.
5. Sigillare il disco di stagno con la pinica in modo che nessuno degli standard di acido aspartico fuoriescerà da esso. Inserire la confezione di latta nell'autocampionatore. (Vedi Figura 6)
6. Ripetere i passaggi 3.1 – 3.5, utilizzando circa 5 mg di acido aspartico standard.
7. Ripetere i passaggi 3.1 – 3.5, utilizzando circa 7,5 mg di acido aspartico standard.
8. Ripetere i passaggi 3.1 – 3.5, utilizzando circa 10 mg di acido aspartico standard.

4. Caricamento dell'autocampionatore con campioni di terreno

1. Usando la pinna, rimuovere un disco di latta dalla confezione e modellarlo a forma di tazza usando il dispositivo di tenuta. Non dovresti toccare la latta con le dita per evitare di trasferire oli dalla punta delle dita.
2. Usando la pinza, posizionare il disco di stagno sulla microbilanza e azzerare la bilancia.
3. Rimuovere il disco di stagno dalla microbilanza e posizionare circa 50 mg di terreno omogeneizzato nel disco di stagno usando una microspatula.
4. Pesare il disco di stagno con il campione di terreno sulla microbilatta. Immettere questo peso nella tabella dati del software Eager 300 sul computer.
5. Sigillare il disco di stagno usando la pinca in modo che il terreno sia contenuto. Trasferire la confezione di latta nel vassoio dell'autocampionatore.
6. Ripetere i passaggi 4.1 – 4.5 per tutti i campioni. Si raccomanda di eseguire prove triplicate di ciascun campione. Un esperimento triplicato è considerato una buona regola empirica per escludere errori sperimentali.

5. Esecuzione degli esempi

1. Quando sono state raggiunte le temperature appropriate sullo strumento, la spia verde "Temperature Ready" si accende. Nella parte inferiore dello schermo del computer, dirà anche "Pronto per l'analisi".
2. Prima di iniziare l'esecuzione del campione, fare clic su "File" e "Metodo di salvataggio" per salvare i dati appena inseriti. Si consiglia di salvare il metodo con il cognome e la data.
3. Per iniziare la corsa, fai clic sulla freccia verde e premi "Inizia ora".
4. Ci vorranno circa 6 minuti per campione per funzionare.
5. Al termine dell'esecuzione, è possibile visualizzare i risultati facendo clic su "Ricalcolo", quindi su "Riepiloga risultati".

Figura 1. Flash EA 1112 parametri impostazione schermata 1.

Figura 2. Flash EA 1112 parametri impostazione schermata 2.

Figura 3. Flash EA 1112 parametri impostazione schermata 3.

Figura 4. Rimozione di un disco di latta con pinp.

Figura 5. Il disco di latta stampato a forma di tazza utilizzando il dispositivo di tenuta.

Figura 6. Il pacchetto di latta viene inserito nell'autocampionatore.

Per ogni campione viene prodotto un cromatogramma che mostra la quantità di azoto e carbonio nel campione (Figura 7).

Le aree sotto la curva in ciascuno dei picchi nel cromatogramma del campione vengono confrontate con le curve standard (Figure 8 e 9) e viene calcolata la quantità di azoto e carbonio nel campione. In base al peso del campione originale, vengono calcolati %N e %C (Figura 10).

Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 7. Cromatogramma che mostra i picchi di azoto e carbonio.

Figura 8. Curva standard di analisi per l'azoto.

Figura 9. Curva standard di analisi per il carbonio.

Figura 10. Calcolo di %N e %C, in base al peso del campione originale.

Il rapporto carbonio/azoto (C:N) nel suolo è un rapporto tra la massa di carbonio e la massa di azoto nel campione di suolo. Il rapporto C: N del suolo e di qualsiasi cosa messa sul terreno (come la copertura dei residui delle colture) può influenzare la decomposizione dei residui delle colture e il ciclo dei nutrienti. I microrganismi del suolo hanno un rapporto C:N di circa 8:1. Per mantenere questo rapporto, devono acquisire carbonio e azoto dall'ambiente. Tuttavia, poiché parte del carbonio che i microrganismi acquisiscono deve essere utilizzato come fonte di energia oltre a ciò di cui ha bisogno per il mantenimento del corpo, i microrganismi richiedono un rapporto C: N di circa 24: 1. Se sul terreno viene posizionata una lettiera fogliare o una copertura del suolo con un rapporto C:N superiore a 24:1 (ad esempio,stover di mais con un rapporto C:N di 57:1), i microrganismi dovranno utilizzare l'azoto del terreno per decomporre il materiale della lettiera. Ciò si traduce in un deficit di azoto nel terreno. Se sul terreno viene posta una lettiera fogliare o una copertura del suolo con un rapporto C:N inferiore a 24:1(ad esempio,fieno di erba medica con un rapporto C:N di 13:1), ci sarà dell'azoto rimasto dopo la decomposizione del materiale della lettiera, che verrà rilasciato nel terreno come nutrienti.

L'analisi elementare non solo può essere utilizzata per determinare il rapporto C: N dei campioni di terreno, ma può anche essere utilizzata per determinare il rapporto C: N nei materiali vegetali, come foglie di alberi e residui di colture. Queste informazioni sono importanti per gli agricoltori al fine di aiutarli a decidere quale tipo di copertura per le colture utilizzare. Il rapporto C: N del residuo colturale aggiunto per coprire il terreno influenza la velocità con cui il residuo si decomporrà. Ciò ha implicazioni sul fatto che il suolo sia protetto o meno per il periodo di tempo desiderato.