Title (eng)
DNA loaded polymer nanoparticles for sub-surface tracer technology
Parallel title (deu)
DNA beladene Polymer-Nanopartikel für unterirdische Tracer-Anwendungen
Author
Nadine Magdalena Barna
Advisor
Alexander Bismarck
Assessor
Alexander Bismarck
Peter Lieberzeit
Abstract (deu)
Von Seiten der Öl- und Gasindustrie und Umweltschutzorganisationen herrscht eine große Nachfrage nach eindeutigen, robusten Tracer-Systemen. Da es ein solcher Tracer, der der Injektionsflüssigkeit zugesetzt werden kann und die typischen Reservoirbedingungen intakt übersteht, ermöglichen würde, Flüssigkeitsbewegungen und deren Flüssigkeitsverteilung in geologischen Reservoiren zu verfolgen, könnte er darüber hinaus Aufschluss über die Verbindung von Bohrlöchern an verschiedenen Standorten und über Frackingnetzwerke geben. Außerdem sich daraus eine einfache und schnelle Lösung zur Aufklärung von Kontaminationsfällen von Grundwasser durch Sickerwasser von Mülldeponien oder Abwasser ergeben.
Es finden bereits viele verschiedene unreaktive, einfach unterscheidbare chemische Tracersysteme, wie z.B. Farbstoffe, Chemikalien- oder Isotopenmarker Anwendung. Der Nachteil derer besteht allerdings darin, dass diese schädlich für Anwender und/oder die Umwelt sein können. Darüberhinaus kann mit Hilfe dieser Tracer keine Aussage über vermischte Prozessflüssigkeiten getroffen werden. Um genau diese Untersuchungen zu ermöglichen, wurde ein robustes DNA-Tracer-System entwickelt. Als Marker hierbei dient eine 100 Basen lange, einzigartig kodierte, einsträngige DNA (100b ssDNA). Da allerdings DNA ein labiles, wasserlösliches Polymer ist, muss sie gegen Umwelteinflüsse geschützt werden. Daher wurde die DNA in durch Polymerisation einer Tensid-stabilisierten Miniemulsion hergestellte quervernetzte Polystyrolnanopartikel eingeschlossen. Der Schutz, die Hydrophobisierung und der Transport in die Monomerphase wurde durch Komplexierung der DNA mit einem kationischen Dialkylamphiphil sichergestellt. Diese Komplexierung bedingt die Widerstandsfähigkeit der DNA gegenüber höheren Temperaturen und pH-Werten. Nach Trennung der Tracer-Partikel von der rückströmenden Flüssigkeit, muss intakte DNA zurückgewonnen werden. Dazu wurden die Polystyrolpartikel mit Hilfe eines Disulfidbrücken-enthaltenden Dimethacrylats quervernetzt. Diese Disulfidbrücken können über Raney Nickel (RaNi) katalysierte Reaktion gebrochen werden. Anschließend wurde der freigesetzte DNA Komplex durch Behandlung mit einem anionischen Tensid dekomplexiert und mittels Echtzeit-Polymerase-Kettenreaktion (qPCR) identifiziert und quantifiziert. Die Partikel wurden via Rasterelektronenmikroskop (SEM), Dynamische Lichtstreuung (DLS) und Nano Electrospray Gas-phase Electrophoretic Mobility Molecular Analysis (nES GEMMA) charakterisiert. Es wurde gezeigt, dass die Komplexierung und der Einschluss von DNA in Polymernanopartikel und deren Rückgewinnung und Aufkonzentration mittels Emulgierung funktioniert. Außerdem wurde das Brechen der Partikel mit Hilfe von RaNi und die Qualifizierung und Quantifizierung der dabei freigesetzten DNA via qPCR demonstriert.
Abstract (eng)
There is a great demand for unambiguous, robust tracer systems in oil and gas industry. Tracers that can be added into injection fluids and survive the typical reservoir conditions could picture the connectivity of drilling sites and fracture networks. An unambiguous marked tracer would constitute a simple solution to solve conflicts in water contamination cases, as it can be used to map fluid flow and fluid distribution in geological reservoirs or to trace wastewater effluent leakage from landfill sites or contaminated surface water.
Numerous nonreactive easily differentiated material, dye, chemical or isotope markers are already used. All of these tracer compounds can be harmful to the operators and/or the environment and can easily be adulterated. Moreover, they do not allow not tracking the movement of mixing of fluids stemming from multiple sources. To address these deficiencies a robust DNA tracer system was developed. Uniquely coded synthetic 100 base single stranded DNA (100b ssDNA) is used as a marker. Since DNA is a labile water-soluble polymer, it needs to be protected against environmental influences. Therefore, the DNA is encapsulated into polystyrene nanoparticles crosslinked with a labile disulphite crosslinker, which are synthesised by polymerisation of miniemulsions stabilised by surfactants. Protection, hydrophobisation and transfer of the DNA into the monomer phase is ensured by complexation of the DNA with cationic dialkyl amphiphiles. This allows the DNA to be more resistant to elevated temperatures and pH and for effective transfer into the organic monomer phase. Once the particles are collected from the flowback fluid, intact DNA needs to be recovered. By taking advantage of the disulphide containing dimethycrylate used to crosslink the polystyrene the particles can be “broken”. The breaking method of choice is metal mediated reduction with hydrogen using Raney Nickel (RaNi). In order to extract free, detectable ssDNA, the DNA/cationic surfactant complex is decomplexed using an anionic surfactant. Identification, quantification and determination of DNA encapsulation efficiency is done by real-time polymerase chain reaction (qPCR). The particles are characterised using scanning electron microscopy (SEM), Dynamic Light Scattering
(DLS) and Nano Electrospray Gas-phase Electrophoretic Mobility Molecular Analysis (nES GEMMA). It was shown that complexation and encapsulation of DNA into polymer nanoparticles and recovery and concentration thereof by use of emulsification is working. Furthermore, breaking of these particles using RaNi and detection and quantification of released DNA via qPCR was demonstrated.
Keywords (eng)
DNATracerSub-surfacePolymer Nanoparticles
Keywords (deu)
DNATracerunterirdischPolymernanopartikel
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
Extent (deu)
48 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Number of pages
48
Study plan
Masterstudium Chemie
[UA]
[066]
[862]
Association (deu)
Title (eng)
DNA loaded polymer nanoparticles for sub-surface tracer technology
Parallel title (deu)
DNA beladene Polymer-Nanopartikel für unterirdische Tracer-Anwendungen
Author
Nadine Magdalena Barna
Abstract (deu)
Von Seiten der Öl- und Gasindustrie und Umweltschutzorganisationen herrscht eine große Nachfrage nach eindeutigen, robusten Tracer-Systemen. Da es ein solcher Tracer, der der Injektionsflüssigkeit zugesetzt werden kann und die typischen Reservoirbedingungen intakt übersteht, ermöglichen würde, Flüssigkeitsbewegungen und deren Flüssigkeitsverteilung in geologischen Reservoiren zu verfolgen, könnte er darüber hinaus Aufschluss über die Verbindung von Bohrlöchern an verschiedenen Standorten und über Frackingnetzwerke geben. Außerdem sich daraus eine einfache und schnelle Lösung zur Aufklärung von Kontaminationsfällen von Grundwasser durch Sickerwasser von Mülldeponien oder Abwasser ergeben.
Es finden bereits viele verschiedene unreaktive, einfach unterscheidbare chemische Tracersysteme, wie z.B. Farbstoffe, Chemikalien- oder Isotopenmarker Anwendung. Der Nachteil derer besteht allerdings darin, dass diese schädlich für Anwender und/oder die Umwelt sein können. Darüberhinaus kann mit Hilfe dieser Tracer keine Aussage über vermischte Prozessflüssigkeiten getroffen werden. Um genau diese Untersuchungen zu ermöglichen, wurde ein robustes DNA-Tracer-System entwickelt. Als Marker hierbei dient eine 100 Basen lange, einzigartig kodierte, einsträngige DNA (100b ssDNA). Da allerdings DNA ein labiles, wasserlösliches Polymer ist, muss sie gegen Umwelteinflüsse geschützt werden. Daher wurde die DNA in durch Polymerisation einer Tensid-stabilisierten Miniemulsion hergestellte quervernetzte Polystyrolnanopartikel eingeschlossen. Der Schutz, die Hydrophobisierung und der Transport in die Monomerphase wurde durch Komplexierung der DNA mit einem kationischen Dialkylamphiphil sichergestellt. Diese Komplexierung bedingt die Widerstandsfähigkeit der DNA gegenüber höheren Temperaturen und pH-Werten. Nach Trennung der Tracer-Partikel von der rückströmenden Flüssigkeit, muss intakte DNA zurückgewonnen werden. Dazu wurden die Polystyrolpartikel mit Hilfe eines Disulfidbrücken-enthaltenden Dimethacrylats quervernetzt. Diese Disulfidbrücken können über Raney Nickel (RaNi) katalysierte Reaktion gebrochen werden. Anschließend wurde der freigesetzte DNA Komplex durch Behandlung mit einem anionischen Tensid dekomplexiert und mittels Echtzeit-Polymerase-Kettenreaktion (qPCR) identifiziert und quantifiziert. Die Partikel wurden via Rasterelektronenmikroskop (SEM), Dynamische Lichtstreuung (DLS) und Nano Electrospray Gas-phase Electrophoretic Mobility Molecular Analysis (nES GEMMA) charakterisiert. Es wurde gezeigt, dass die Komplexierung und der Einschluss von DNA in Polymernanopartikel und deren Rückgewinnung und Aufkonzentration mittels Emulgierung funktioniert. Außerdem wurde das Brechen der Partikel mit Hilfe von RaNi und die Qualifizierung und Quantifizierung der dabei freigesetzten DNA via qPCR demonstriert.
Abstract (eng)
There is a great demand for unambiguous, robust tracer systems in oil and gas industry. Tracers that can be added into injection fluids and survive the typical reservoir conditions could picture the connectivity of drilling sites and fracture networks. An unambiguous marked tracer would constitute a simple solution to solve conflicts in water contamination cases, as it can be used to map fluid flow and fluid distribution in geological reservoirs or to trace wastewater effluent leakage from landfill sites or contaminated surface water.
Numerous nonreactive easily differentiated material, dye, chemical or isotope markers are already used. All of these tracer compounds can be harmful to the operators and/or the environment and can easily be adulterated. Moreover, they do not allow not tracking the movement of mixing of fluids stemming from multiple sources. To address these deficiencies a robust DNA tracer system was developed. Uniquely coded synthetic 100 base single stranded DNA (100b ssDNA) is used as a marker. Since DNA is a labile water-soluble polymer, it needs to be protected against environmental influences. Therefore, the DNA is encapsulated into polystyrene nanoparticles crosslinked with a labile disulphite crosslinker, which are synthesised by polymerisation of miniemulsions stabilised by surfactants. Protection, hydrophobisation and transfer of the DNA into the monomer phase is ensured by complexation of the DNA with cationic dialkyl amphiphiles. This allows the DNA to be more resistant to elevated temperatures and pH and for effective transfer into the organic monomer phase. Once the particles are collected from the flowback fluid, intact DNA needs to be recovered. By taking advantage of the disulphide containing dimethycrylate used to crosslink the polystyrene the particles can be “broken”. The breaking method of choice is metal mediated reduction with hydrogen using Raney Nickel (RaNi). In order to extract free, detectable ssDNA, the DNA/cationic surfactant complex is decomplexed using an anionic surfactant. Identification, quantification and determination of DNA encapsulation efficiency is done by real-time polymerase chain reaction (qPCR). The particles are characterised using scanning electron microscopy (SEM), Dynamic Light Scattering
(DLS) and Nano Electrospray Gas-phase Electrophoretic Mobility Molecular Analysis (nES GEMMA). It was shown that complexation and encapsulation of DNA into polymer nanoparticles and recovery and concentration thereof by use of emulsification is working. Furthermore, breaking of these particles using RaNi and detection and quantification of released DNA via qPCR was demonstrated.
Keywords (eng)
DNATracerSub-surfacePolymer Nanoparticles
Keywords (deu)
DNATracerunterirdischPolymernanopartikel
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
Number of pages
48
Association (deu)
License
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Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1329421Handle
https://hdl.handle.net/11353/10.1329421URN
https://nbn-resolving.org/nbn:at:at-ubw:1-24231.97840.783666-0 - Other links
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