Summary
Aarde-overvloedig mineralen een belangrijke rol spelen in de natuurlijke hydrothermale systemen. Hier beschrijven we een betrouwbare en kosteneffectieve methode voor het experimentele onderzoek van organische-minerale interacties hydrothermale voorwaarden.
Abstract
Organische-minerale interacties zijn algemeen voorkomende in hydrothermale omgevingen, zoals warmwaterbronnen, geisers op het land, en de hydrothermale bronnen in de diepe oceaan. Rollen van mineralen zijn kritisch in veel hydrothermische organische geochemische processen. Traditionele hydrothermale methodologie, waaronder het gebruik van reactoren gemaakt van goud, titanium, platina of roestvrij staal, wordt meestal geassocieerd met de hoge kosten of ongewenste metalen katalytische effecten. Onlangs, is er een groeiende tendens voor het gebruik van de voordelige en inert kwarts of gesmolten siliciumdioxide glazen buizen in hydrothermale experimenten. Hier bieden wij een protocol voor het uitvoeren van organische-minerale hydrothermale experimenten in silica buizen, en we beschrijven de essentiële stappen in de bereiding van de monsters, experimentele opzet producten scheiding en kwantitatieve analyse. We tonen ook een experiment met behulp van een model organische verbinding, nitrobenzeen, om te laten zien van het effect van een ijzer-bevattende minerale, magnetiet, op haar afbraak onder een specifieke hydrothermale voorwaarde. Deze techniek kan worden toegepast om te bestuderen van complexe organische-minerale hydrothermale interacties in een relatief eenvoudige laboratorium-systeem.
Introduction
Hydrothermale omgevingen (d.w.z., waterige media bij verhoogde temperatuur en druk) zijn alomtegenwoordig op aarde. De hydrothermale chemie van organische stoffen speelt een essentiële rol in een breed scala van geochemische instellingen, zoals biologische sedimentaire bekkens, aardolie reservoirs, en de diepe biosfeer1,2,3. Organische koolstof transformaties in hydrothermale systemen optreden niet alleen in zuiver waterig medium maar ook met opgeloste of vaste anorganische materialen, zoals aarde-overvloedig mineralen. Mineralen zijn bevonden om te dramatisch en selectief beïnvloeden de hydrothermale reactiviteit van diverse organische verbindingen,1,4,5 maar hoe effecten te kunnen identificeren de minerale in complexe hydrothermale systemen nog steeds als een uitdaging. Het doel van deze studie is bedoeld als een relatief eenvoudige experimenteel protocol voor het bestuderen van minerale effecten op hydrothermale organische reacties.
Het laboratoriumonderzoek van hydrothermale reacties gebruiken traditioneel robuuste reactoren die zijn gemaakt van goud, titanium of roestvrij staal6,,7,,8,9. Bijvoorbeeld, gouden zakken of capsules zijn gunstig gebruikt, omdat goud flexibel is, en het laat de druk van de steekproef te worden gecontroleerd door Drukbehandeling water extern, die vermijdt het genereren van een fase van de damp in het monster. Echter, deze reactoren zijn duur en kunnen gepaard gaan met potentiële metalen katalytische effecten10. Vandaar, is het noodzakelijk om te vinden van een alternatieve methode met goedkope maar hoge betrouwbaarheid voor deze hydrothermale experimenten.
In de afgelopen jaren zijn reactie buizen gemaakt van kwarts of gesmolten siliciumdioxide glas vaker toegepast op hydrothermale experimenten11,12,13. Vergeleken met kostbare goud of titanium, is kwarts of silica glas aanzienlijk goedkoper, maar ook het sterke materiaal. Nog belangrijker, kwarts buizen hebben aangetoond dat kleine katalytische effecten en kunnen zo inert als goud voor de hydrothermale reacties11,14. In dit protocol beschrijven we een algemene methode voor het uitvoeren van kleinschalige hydrothermale organische-minerale experimenten in silica Dikwandige buizen. Presenteren we een voorbeeld-experiment met behulp van een model-compound (dat wil zeggen, nitrobenzeen) in de aanwezigheid/afwezigheid van een mineraal ijzer-oxide (dat wil zeggen, magnesiet) een hydrothermale oplossing van 150 ° C, om aan te tonen het minerale effect, ook wat betreft tonen de effectiviteit van deze methode.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Prepareer het monster hydrothermale Experiment
- Kies de grootte van het kwarts of silica glazen buizen, bijvoorbeeld 2 mm binnendiameter (ID) x 6 mm buitendiameter (OD) of 6 mm ID x 12 mm OD, en bepalen van de hoeveelheid organische stoffen en mineralen te gebruiken. In dit werk zijn de bedragen van nitrobenzeen en magnetiet (Fe3O4) te laden in de buis van de silica (bijvoorbeeld 2 mm ID x 6 mm OD) 3.0 µL en 13.9 mg, respectievelijk.
Opmerking: De grote diameter buizen toestaan gemakkelijker laden van de materialen, maar vereist meer inspanningen van buis afdichting. - Snijd de schone silica glazen buis in kleine stukjes met ~ 30 cm in lengte met behulp van een cutter buis. Zegel van één uiteinde van de buis afgesloten met behulp van een Knalgas fakkel met het hoofd van een passende vlam.
Let op: Volg de veiligheidsprocedures voor het gebruik van de Knalgas fakkel. - Weeg het vooraf bepaalde bedrag van de startende organische verbinding op een 0.1 mg-schaal (als het is solide) in evenwicht en breng dit in de silica glazen buis met behulp van een gewicht papier. Als de verbinding is vloeistof (b.v., nitrobenzeen in dit geval), gebruiken een microliter spuit (bijvoorbeeld 10 µL) te dragen in de kleine silica-buis. Voegt toe de gewogen mineralen in de silica buis via een pipet van Pasteur, en vervolgens gedeïoniseerd en gedeoxygeneerd water (bv, 0.3 mL). Gebruik 18.2 MΩ·cm gede¨ uoniseerd water en het deoxygenate met het ultrasoonapparaat.
- De buis silica verbinden met een vacuüm lijn (~ 1 cm ID) met een gesloten klep. Dompel de buis in een maatkolf van de Dewar gevuld met vloeibare stikstof voor ~ 3 min tot de organische stoffen en water zijn volledig bevroren.
Let op: Volg de veiligheidsprocedures voor de overdracht en met behulp van vloeibare stikstof. - Wanneer de buis ondergedompeld in vloeibare stikstof blijft, het vacuüm ventiel te openen en verwijder de lucht van de headspace van de buis.
Opmerking: Dit proces zou moeten duren totdat de druk daalt tot onder 100 mtorr op de drukmeter van de vacuümpomp. - De klep uitschakelen, verwijderen van de buis van de vloeibare stikstof, en laat de buis warm tot kamertemperatuur. Tik zachtjes op de onderkant van de buis om de resterende luchtbellen uit oplossing aan headspace vrij te geven.
- Herhaal de bovenstaande freeze-pomp-dooi cyclus voor twee meer tijden en houd de buis in vloeibare stikstof voor het afdichten van het andere uiteinde van de buis. Sluit de vacuüm lijn en de Knalgas vlam gebruik te maken van de hele buis gesloten.
Opmerking: Wanneer de buis hydrothermale experimenten ondergaat, het volume van de headspace van de buis zal afnemen als gevolg van de uitbreiding van de vloeibare water. Bijvoorbeeld, vermindert de dichtheid van water ongeveer 30% van kamertemperatuur tot 300 ° C. Berekenen en laat genoeg headspace volume wanneer verzegeling van de buis.
2. Zet de hydrothermale Experiment
- Na de verzegeling stappen, zet de silica buis in een kleine stalen buis (~ 30 cm lang en 1,5 cm in diameter) met losse schroefdoppen, om schade te voorkomen tegen elke druk gebouw of uitval van de buis in de pijp.
- Plaats de buis in een oven goed temperatuurgevoelig of oven en verwarm het tot de gewenste temperatuur (bijvoorbeeld 150 ° C in dit werk). Een thermokoppel binnen de oven gebruiken om de temperatuur door de hydrothermale reactie te bewaken.
- Zodra de reactietijd (bijvoorbeeld 2 h in dit werk) bereikt is, doven de silica-buis door de pijp snel ingebruikneming in een waterbad van ijs.
Opmerking: Het blussen proces duurt minder dan 1 min afkoelen tot kamertemperatuur, die potentiële retrograde reacties vermijdt.
3. Analyseer het monster na het Experiment
- Open de silica buis met behulp van een cutter buis en Pipetteer snel alle producten (bijvoorbeeld, ~0.3 mL in kleine silica buis) in een 10 mL glazen ampul met behulp van een precisiepipet Pasteur.
- Pak de biologische producten met 3 mL dichloormethaan (DCM) waarin 8.8 mM dodecane als een interne standaard voor gaschromatografie (GC). Cap de flacon en schud die het door voor 2 min en vortex het voor 1 min handen.
Opmerking: Dit helpt om de winning van biologische producten in de organische fase. Ook, spoel de overdragende Pipetteer en binnenkant muren van de buis siliciumdioxide met het DCM producten invordering te waarborgen. Voor monsters met een hoge minerale inhoud, bewerk ultrasone trillingen ten hen in de DCM-oplossing voor beter extractie. - Voorzien in de minerale deeltjes te settelen in de extractieoplossing (d.w.z., DCM met dodecane) 5 min. gebruik een pipet van Pasteur zorgvuldig overbrengen ~ 1 mL van het monster van de DCM-laag (dat wil zeggen, de onderste laag) in een flesje van GC.
- De organische productdistributie GC met een poly-capillaire kolom (bijvoorbeeld 5% diphenyl/95% dimethylsiloxane) en een vlamionisatiedetector analyseren. Instellen van de GC-oven met een programma te starten bij 50 ° C en houden gedurende 8 minuten op 10 ° C/min. tot 220 ° C verhogen en houd gedurende 10 min, verhogen bij 20 ° C/min. tot 300 ° C en voor 5 min. Set de temperatuur van de injector tot 300 ° C.
Opmerking: Het programma van de GC moest worden gewijzigd gebaseerd op het type van organische stoffen wordt geanalyseerd. - Bouw de kalibratiekrommen GC door het uitzetten van de verhouding gebied piek van de analyt de interne standaard ten opzichte van de concentratie van de analyt en de retentietijd.
- Berekenen van de conversie van de reactie op basis van de concentraties van de organische grondstoffen voor en na de reactie, dat wil zeggen, conversie % = ([eerste] – [laatste]) ⁄ [eerste] × 100%. De conversies gebruiken om te bepalen als het mineraal vergemakkelijkt, of waarin de hydrothermale organische transformaties vertraagt.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Om aan te tonen hoe met deze aanpak studie hydrothermale organische-minerale interacties, een eenvoudig experiment met behulp van een samengestelde model, werd nitrobenzeen, uitgevoerd met minerale magnetiet (Fe3O4) een hydrothermale conditie van 150 ° C en 5 bars voor 2 h. Om aan te tonen het minerale effect, was een experiment van nitrobenzeen zonder minerale ook uitgevoerd onder dezelfde hydrothermale voorwaarde. Zoals blijkt uit Figuur 1a, werden twee silica buizen gemaakt na de protocollen vóór het hydrothermale experiment. De verzegelde buis met geen minerale was duidelijk en de buis met magnetiet tentoongesteld een zwarte minerale kleur binnen. De startende concentraties van nitrobenzeen waren beide 0,1 M (in 0.3 mL gedeïoniseerd en deoxygenated van water) en de toegevoegde magnetiet was 13.9 mg. Na het hydrothermale proces, de buis met geen minerale toonde geen kleurverandering, overwegende dat de buis met magnetiet omgezet in een bruine kleur (Figuur 1b), hetgeen een oxidatie reactie van magnetiet op hematiet (Fe2O3 impliceert). Op basis van gaschromatografie analyse, werd het effect van magnetiet geopenbaard door de nitrobenzeen conversies tussen de experimenten (Figuur 2). In het neen-mineraal experiment is de berekende conversie voor nitrobenzeen 5,2%; de conversie van nitrobenzeen was echter in de aanwezigheid van magnetiet, 30.3%, verhoogd met een factor van 6. Bovendien, dupliceren maar onafhankelijke experimenten werden uitgevoerd, waarin één standaarddeviatie berekend was op 2,1% en 1,4% voor de neen-mineraal en magnetiet experimenten, respectievelijk (Figuur 2). Deze resultaten suggereren dat magnetiet, waarschijnlijk door redoxreacties, kan aanzienlijk bevorderen de reactie van nitrobenzeen op hydrothermale omstandigheden. Dit protocol bleek te lukken met relatief hoge reproduceerbaarheid in hydrothermale biologische afbraak onder invloed van mineralen te kwantificeren.
Afbeelding 1: voorbeeld experiment met nitrobenzeen in de aanwezigheid of afwezigheid van magnetiet. (een) Silica glazen buizen voor het hydrothermale experiment; (b) silica glazen buizen na het hydrothermale experiment. Merk op dat er een kleurverandering in de buis siliciumdioxide met magnetiet. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 2: experimentele resultaten van nitrobenzeen conversie na 2 uur bij 150 ° C en 5 bar. hydrothermale omstandigheden De reactie conversies worden berekend door de hoeveelheid nitrobenzeen gereageerd na de reactie. Foutbalken zijn één standaarddeviatie van het gemiddelde van dubbele experimenten. Het verschil tussen de nee-mineraal en magnetiet experimenten blijkt duidelijk het minerale effect op hydrothermale afbraak van nitrobenzeen. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
In deze studie, we gebruikten nitrobenzeen met minerale magnetiet als een voorbeeld om aan te tonen hoe te te evalueren van minerale effecten op hydrothermale organische reacties. Hoewel de experimenten zijn uitgevoerd in kleine silica glazen buizen, worden zeer reproduceerbare resultaten waargenomen in de magnetiet experimenten, dat wil zeggen, 30.3 ± 1,4% in nitrobenzeen conversie, waarin wordt voorgesteld de doeltreffendheid en de betrouwbaarheid van dit hydrothermale protocol. In de neen-mineraal-experimenten is de conversie van nitrobenzeen 5,2 ± 2,1%, waaruit blijkt dat een lagere reproduceerbaarheid dan de minerale experiment. De relatief grote onzekerheid in het neen-mineraal experiment kon te wijten zijn aan de lage conversie van de grondstof, gezien de µL (of mg) van de monsters in de kleine buis gebruikt. Ter verbetering van reproduceerbaarheid voor lage-conversie reacties, worden silica buizen met grotere inwendige volume voorgesteld. Dit protocol zou bijzonder nuttig voor kleinschalige experimenten zijn, wanneer de hoeveelheid monster beperkt wordt, of de kosten van chemische stof hoog is. Minerale zowel niet-minerale hydrothermale experimenten kunnen worden uitgevoerd door dit protocol.
Zoals eerder beschreven, heeft dit hydrothermale protocol bepaalde voordelen ten opzichte van andere traditionele methoden, zoals lage kosten van reactie buizen, facile operatie procedures en laag of verwaarloosbaar katalysering11,14. Echter vanwege de beperkte minerale kracht en stabiliteit, kunnen kwarts buizen fouten veroorzaken bij temperaturen boven de 450 ° C of druk boven 400 bar15, die mogelijk niet geschikt voor lange duur hydrothermale experimenten in de buurt van of boven het kritieke punt van water. Een andere beperking van deze methode is dat, bij hoge temperatuur (b.v., > 400 ° C), kwarts kan ook onderworpen aan ontbinding, die kon produceren opgeloste kiezelzuur soorten die organische hydrothermale reacties interfereren. Aangezien de ontbinding van silica kan ook worden beïnvloed door de pH van de oplossing, de aanwezigheid van zouten, zuren of basen, de temperatuur van de overleving buis zou lager dan dat in het zuivere water-systeem, en deze factoren moeten ook worden overwogen in hoge-temperatuur experimenten. Bovendien, zijn in vergelijking met flexibele reactor materialen zoals goud, silica buizen meestal geassocieerd met een headspace volume dat niet kan worden verminderd door toepassing van externe druk, waardoor sommige gasfase reacties optreden.
Bovendien zou de hoeveelheid vloeistof in de buis silica kritisch bij het bepalen van het succes van het experiment. Gebaseerd op de berekening van de thermodynamica met behulp van SUPCRT9216, bijvoorbeeld, de druk van de verzadiging van water (Pzat) kan het bereiken van meer dan 85 bar bij 300 ° C, en het volume van vloeibaar water in de buis silica kunt uitbreiden met 30%. Om te overleven bij hoge temperaturen en drukken, dikkere silica glazen buizen (dat wil zeggen, ID/OD verhouding < 0.3) met grotere headspace moet worden gebruikt. Zelfs met dezelfde diameter, silica buizen van verschillende fabrikanten kunnen leiden tot falen bij verschillende temperaturen. Dus, de temperatuur en de druk bedwingen voor elk type van de buizen moeten grondig worden getest voordat gebruik silica. Merk op dat borosilicaatglas is uitgesloten van dit hydrothermale protocol omdat het reactief is en meestal kan niet overweg met temperaturen boven 300 ° C. Bovendien, laden de organische stoffen die zijn "sticky" of viskeuze in smalle silica buizen kan worden uitdagende, in welk geval grote diameter buizen (bijvoorbeeld 6 mm ID x 12 mm OD) zou worden aanbevolen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Wij danken de H.O.G. groep aan de Arizona State University voor de ontwikkeling van de eerste methode van deze hydrothermale experimenten, en in het bijzonder, wij I. Gould, E. Shock, L. Williams, C. Glein, H. Hartnett, K. Fecteau, K. Robinson en C. Bockisch, danken voor hun begeleiding en nuttige hulp. Z. Yang en X. Fu werden gefinancierd door opstarten middelen van Oakland universiteit naar 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
- Yang, Z., Gould, I. R., Williams, L. B., Hartnett, H. E., Shock, E. L. Effects of iron-containing minerals on hydrothermal reactions of ketones. Geochimica et Cosmochimica Acta. 223, 107-126 (2018).
- Seewald, J. S. Organic-inorganic interactions in petroleum-producing sedimentary basins. Nature. 426 (6964), 327-333 (2003).
- Sogin, M. L., et al. Microbial diversity in the deep sea and the underexplored "rare biosphere". Proceedings of the National Academy of Sciences. 103 (32), 12115 (2006).
- McCollom, T. M. Laboratory Simulations of Abiotic Hydrocarbon Formation in Earth's Deep Subsurface. Reviews in Mineralogy and Geochemistry. 75 (1), 467-494 (2013).
- Foustoukos, D. I., Seyfried, W. E. Hydrocarbons in Hydrothermal Vent Fluids: The Role of Chromium-Bearing Catalysts. Science. 304 (5673), 1002 (2004).
- Bell, J. L. S., Palmer, D. A. 10.1007/978-3-642-78356-2_9. Organic Acids in Geological Processes. Pittman, E. D., Lewan, M. D. , Springer. Berlin Heidelberg. 226-269 (1994).
- Palmer, D. A., Drummond, S. E. Thermal decarboxylation of acetate. Part I. The kinetics and mechanism of reaction in aqueous solution. Geochimica et Cosmochimica Acta. 50 (5), 813-823 (1986).
- Yang, Z., Gould, I. R., Williams, L. B., Hartnett, H. E., Shock, E. L. The central role of ketones in reversible and irreversible hydrothermal organic functional group transformations. Geochimica et Cosmochimica Acta. 98, 48-65 (2012).
- McCollom, T. M., Ritter, G., Simoneit, B. R. T. Lipid Synthesis Under Hydrothermal Conditions by Fischer- Tropsch-Type Reactions. Origins of life and evolution of the biosphere. 29 (2), 153-166 (1999).
- Bell, J. L. S., Palmer, D. A., Barnes, H. L., Drummond, S. E. Thermal decomposition of acetate: III. Catalysis by mineral surfaces. Geochimica et Cosmochimica Acta. 58 (19), 4155-4177 (1994).
- Yang, Z., et al. Hydrothermal Photochemistry as a Mechanistic Tool in Organic Geochemistry: The Chemistry of Dibenzyl Ketone. The Journal of Organic Chemistry. 79 (17), 7861-7871 (2014).
- Yang, Z., Hartnett, H. E., Shock, E. L., Gould, I. R. Organic Oxidations Using Geomimicry. The Journal of Organic Chemistry. 80 (24), 12159-12165 (2015).
- Venturi, S., et al. Mineral-assisted production of benzene under hydrothermal conditions: Insights from experimental studies on C6 cyclic hydrocarbons. Journal of Volcanology and Geothermal Research. 346, 21-27 (2017).
- Lemke, K. H., Rosenbauer, R. J., Bird, D. K. Peptide Synthesis in Early Earth Hydrothermal Systems. Astrobiology. 9 (2), 141-146 (2009).
- Byrappa, K., Yoshimura, M. Handbook of Hydrothermal Technology. , William Andrew Publishing. (2001).
- Johnson, J. W., Oelkers, E. H., Helgeson, H. C. SUPCRT92: A software package for calculating the standard molal thermodynamic properties of minerals, gases, aqueous species, and reactions from 1 to 5000 bar and 0 to 1000°C. Computers & Geosciences. 18 (7), 899-947 (1992).
