Qualitative Charakterisierung der wässrigen Fraktion von hydrothermale Verflüssigung von Algen mit Hilfe von 2D-Gaschromatographie mit Time-of-Flight Mass Spectrometry

Das übergeordnete Ziel dieser 2D-Gaschromatographie-Datenerfassungsmethode ist es, die wässrigen Nebenprodukte zu charakterisieren, die bei der hydrothermalen Verflüssigung (HTL) von Algen anfallen. Diese Methode kann dazu beitragen, Schlüsselfragen im Bereich der Biokraftstoffe zu beantworten, wie z. B. die Identifizierung der organischen Spezies, die während der hydrodynamischen Entwicklung von Algen in die wässrige Phase übergehen. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie die Spitzenkapazität, die Auflösung und eine breite Kollision chemischer Verbindungen verbessert.

Diese Methode ist wichtig, um Daten für Bioraffinerien zu gewinnen, die erhebliche Mengen an Abwasser produzieren, das entweder aufbereitet oder zu Kraftstoffen und Chemikalien weiterverarbeitet werden muss. Diese Methode kann Charakterisierungsdaten liefern, die mit anderen Analysetechniken, wie z. B. der eindimensionalen Gaschromatographie oder der Flüssigkeitschromatographie, nicht gewonnen werden können. Die Idee zu dieser Methode hatten wir erst, als wir sehr komplexe organische Gemische aus der Herstellung von Biokraftstoffen analysierten.

Für diese Experimente ist ein Gaschromatograph zu verwenden, der mit einem vierstrahligen, zweistufigen Kühlbasenmodulator und einem Flugzeit-Massenspektrometer ausgestattet ist. Konfigurieren Sie den Autosampler so, dass ein Mikroliter jeder Probe oder jedes Standards in den Gaschromatographen oder GC injiziert wird. Verwenden Sie ein randomisiertes Blockdesign von Proben- und Standardinjektionen für die Autosampler-Sequenz, wie in der Literatur beschrieben. Stellen Sie sicher, dass beide Kanten der primären und sekundären Säule gerade und ohne scharfe Kanten geschnitten sind.

Verbinden Sie dann die Primär- und Sekundärsäule mit einem pressfesten Verbinder vor dem Modulator. Stellen Sie sicher, dass die Glasauskleidung, die Antihaftbeschichtung, der O-Ring und der Inceptor für den GC-Injektor neu und frei von Verunreinigungen sind. Platzieren Sie als Nächstes einen Feral auf der GC-Säule und verbinden Sie die primäre Säule mit dem GC-Injektor, so dass sich fünf Millimeter der Säule im Injektor befinden.

Verwenden Sie ein Sechzehntel Zoll und einen Innendurchmesser von 0,5 Millimetern, um die Sekundärsäule und die Transferleitung zu verbinden. Platzieren Sie einen 0,2 Meter langen Teil der Sekundärsäule in der Transferleitung. Stellen Sie sicher, dass sich ein 0,1 Meter großer Teil der Sekundärsäule im Modulator befindet.

Verwenden Sie ultrahochreines Heliumgas als Trägergas für GC mit einer Durchflussrate von 1,5 Millilitern pro Minute. Stellen Sie sicher, dass genügend flüssiger Stickstoff im Dewarator vorhanden ist, der als Kühlmittel im Modulator fungiert, indem Sie den Gehalt an flüssigem Stickstoff mit einem Manometer ablesen, das am Dewar-Auslass angebracht ist. Ein Messwert des Manometers von 69 Kilopascal zeigt an, dass der Dewar voll ist, während null Kilopascal anzeigt, dass er leer ist.

Stellen Sie sicher, dass das Instrument keine größeren Lecks aufweist. Wenn der Messwert des Vakuummeters des TOF-MS höher als 2,7 mal 10 bis zum negativen Quint Pascal für eine Durchflussrate von 1,5 Millilitern pro Minute GC pro Minute ist, deutet dies auf ein größeres Leck im System hin. Richten Sie die Qualitätskontroll- oder QC-Methode ein und führen Sie das integrierte Anpassungsprotokoll für das Erfassungssystem aus, um eine maximale Signalantwort unter Verwendung des Herstellerprotokolls zu erzielen.

Führen Sie dann die integrierten Instrumentenoptimierungsprotokolle der QC-Methode aus. Führen Sie in Reihe geschaltete Filamentfokus-, Ionenoptikfokus- und Massenkalibrierungstests mit dem Protokoll des Herstellers durch. Stellen Sie sicher, dass der Massenkalibrierungstest erfolgreich ist.

Diese QC-Methode stellt sicher, dass alle Hardwareparameter des Instruments auf einem optimalen Niveau sind. Das Instrument sollte frei von Leckagen sein. Dies ist ein wichtiger Aspekt dieses Verfahrens.

Eine erneute Überprüfung sollte anhand des Herstellerprotokolls durchgeführt werden. Analysieren Sie den generierten Dichtheitsprüfungsbericht, indem Sie die relative Konzentration bestimmter Ionen auf den internen Standard überprüfen. Um die optimale Modulationsperiode des Modulators zu bestimmen, wählen Sie beliebig eine lange Modulationsperiode und injizieren Sie wie zuvor ein Sample.

Identifizieren Sie die Retentionszeit in der zweiten Dimension des Konturdiagramms, nach der keine Spitzen mehr eluieren. Wählen Sie die identifizierte Retentionszeit der zweiten Dimension als optimale Modulationsperiode aus. Erhöhen Sie die Modulationsperiode und führen Sie die Analyse erneut durch, wenn ein Wrap-Around beobachtet wird.

Rundum-Phänomene treten auf, wenn die Peaks in der zweiten Dimension unterhalb der Basislinie der ersten Dimension eluieren, wie in diesem Konturdiagramm dargestellt. Wiederholen Sie diesen Schritt, bis der optimale Wert ermittelt ist. Die in dieser Studie verwendete Konfiguration ist einzigartig und wichtig.

Diese Kombination wurde bisher nicht verwendet, um wässrige Fraktionen aus Biomasseumwandlungen zu analysieren. Installieren Sie eine polare Kapillarsäule als Primärsäule. Installieren Sie eine unpolare Kapillarsäule als Sekundärsäule.

Verwenden Sie ultrahochreines Heliumgas als Trägergas für GC mit einer Durchflussrate von 1,5 Millilitern pro Minute. Stellen Sie den GC-Injektor auf eine Temperatur von 260 Grad Celsius und ein Split-Verhältnis von eins bis 250 ein. Richten Sie ein Temperaturprogramm für die Primärsäule ein, das mit einer konstanten Temperatur von 40 Grad Celsius für 0,2 Minuten beginnt, gefolgt von einem Temperaturanstieg auf 260 Grad Celsius bei fünf Grad Celsius pro Minute, gefolgt von einer konstanten Temperatur von 260 Grad Celsius für fünf Minuten.

Halten Sie die Temperatur des Modulators fünf Grad Celsius höher als die der Sekundärsäule und die Temperatur der Sekundärsäule fünf Grad Celsius über der Temperatur der Primärsäule. Verwenden Sie eine optimale Modulationsperiode von vier Sekunden mit 0,8 Sekunden heißem Impuls und 1,2 Sekunden kaltem Impuls, wie zuvor festgelegt. Stellen Sie dann die Temperatur der Transferleitung auf 270 Grad Celsius ein.

Stellen Sie als Nächstes die Erfassungsverzögerung oder Lösungsmittelverzögerung auf null Sekunden ein. Stellen Sie den unteren und höheren Bereich der Masse über der Ladung auf 35 und 800 ein und stellen Sie dann die Erfassungsrate des MS-Detektors auf 400 Spektren pro Sekunde ein. Halten Sie die Spannung des MS-Detektors bei 150 Volt über dem optimierten Wert.

Halten Sie schließlich die Temperatur der MS-Ionenquelle bei 225 Grad Celsius. Führen Sie die Datenverarbeitung mit der vom Gerätehersteller bereitgestellten Software durch. Wählen Sie in der Datenanalysemethode Baseline berechnen, Spitzen oberhalb der Baseline suchen, Bibliothekssuche aus und berechnen Sie Fläche und Höhe.

Verfolgen Sie die Baseline über die Datendatei. Geben Sie den Basislinienversatz als 0,5 ein, und geben Sie dann die erwartete Peakbreite von 15 Sekunden in der ersten Dimension und 0,15 Sekunden in der zweiten Dimension ein. Legen Sie das Signal-Rausch-Verhältnis auf 5000 und die Ähnlichkeitswerte auf größer als 850 für die Identifizierung von Verbindungen fest.

Wählen Sie eine kommerziell erhältliche Massenspektralbibliothek aus, um chemische Verbindungen in Proben zu identifizieren, und stellen Sie den Bibliothekssuchmodus auf Weiterleitung ein. Verarbeiten Sie die Dateien mit dieser Datenanalysemethode unter Verwendung des Protokolls des Herstellers. Die Verarbeitung der Datendatei dauert mindestens eine Stunde.

Hier ist ein Gesamtionenchromatogramm zu sehen, das für die wässrige Fraktion von Algen Bio-Rohöl erhalten und mit einer Säulenkombination aus polar und unpolar analysiert wurde. Im Wasser von HTL-Algen wurden Sauerstoffate und organische Säuren nachgewiesen. Zusätzlich zu den Oxygenaten enthält die wässrige Phase stickstoffhaltige Verbindungen wie Pyridin, Pyrazin, Acetamide, Succinimide und deren Alkylderivate.

Vermutlich handelt es sich bei diesen Verbindungen um die Abbauprodukte von Proteinen und Kohlenhydraten in Algenbiomasse. Hier sind die Ähnlichkeitswerte und die Retentionszeit der im HTL-Algenwasser vorhandenen chemischen Verbindungen unter Verwendung einer Säulenkombination aus polar und unpolar in Tabellenform dargestellt. Die im Konturdiagramm identifizierten hohen Intensitätspeaks für die wässrige Fraktion von Algen-Biorohöl wurden durch Analysestandards validiert.

Standards, die organische Säuren und Endverbindungen enthalten, wurden hergestellt und in der 2D-Gaschromatographie mit Flugzeit-Massenspektrometrie analysiert. Die wässrige Fraktion von Algen Bio-Rohöl wurde ebenfalls mit der in der Literatur weit verbreiteten konventionellen Säulenkombination aus unpolar und polar analysiert. Wie hier gezeigt, sind organische Säuren und Endverbindungen, die in der wässrigen Fraktion von Algen vorhanden sind, mit mehr als einem Peak eluiert.

Die Ähnlichkeitswerte und die Verweilzeit dieser chemischen Verbindungen sind in Tabellenform aufgeführt. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie die wässrigen Proben mit Hilfe der zweidimensionalen Gaschromatographie mit Massenspektrometrie analysiert werden. Nach ihrer Entwicklung ebnete diese Technik den Weg für Forscher auf dem Gebiet der Biokraftstoffe, um den wässrigen Strom von Nebenprodukten zu analysieren, die aus biochemischen, thermochemischen und thermokatalytischen Umwandlungen von Biomasse gewonnen werden.

Im Anschluss an dieses Verfahren können weitere Methoden wie die eindimensionale Gaschromatographie und die Flüssigkeitschromatographie durchgeführt werden, um zusätzliche Fragestellungen wie die quantitative Bestimmung der Konzentration von nicht identifizierten chemischen Verbindungen zu beantworten. Bei diesem Verfahren ist zu beachten, dass nichtflüchtige, hochprozentige und anorganische Salze mit dieser Gerätekonfiguration nicht analysiert werden konnten.