Caratterizzazione qualitativa della frazione acquosa da idrotermale Liquefazione di alghe Utilizzando 2D gascromatografia con tempo di volo spettrometria di massa

L'obiettivo generale di questo metodo di acquisizione dati in gascromatografia 2D è quello di caratterizzare i sottoprodotti acquosi ottenuti dalla liquefazione idrotermale, o HTL, delle alghe. Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave nel campo dei biocarburanti, come l'identificazione delle specie organiche che riferiscono alla fase acquosa durante la moda idrodinamica delle alghe. Il vantaggio principale di questa tecnica è che migliora la capacità di picco, la risoluzione e un'ampia raccolta di composti chimici.

Questo metodo è importante per generare dati per le bioraffinerie, che producono volumi considerevoli di acque reflue che devono essere trattate o ulteriormente trasformate in combustibili e prodotti chimici. Questo metodo può fornire dati di caratterizzazione che non possono essere prodotti da altre tecniche analitiche, come la gascromatografia unidimensionale o la cromatografia liquida. L'idea di questo metodo è nata quando abbiamo analizzato miscele organiche molto complesse provenienti da processi di produzione di biocarburanti.

Per questi esperimenti, utilizzare un gascromatografo dotato di un modulatore di base di raffreddamento a doppio stadio a quattro getti e di uno spettrometro di massa a tempo di volo. Configura il campionatore automatico per iniettare un microlitro di ciascun campione o standard nel gascromatografo o GC. Utilizzare un design a blocchi randomizzati del campione e iniezioni standard per la sequenza dell'autocampionatore, come descritto in letteratura. Assicurarsi che entrambi gli spigoli delle colonne primarie e secondarie siano tagliati dritti senza spigoli vivi.

Quindi, collegare le colonne primaria e secondaria utilizzando un connettore a pressione prima del modulatore. Assicurarsi che il rivestimento in vetro, l'O-ring del rivestimento antiaderente, l'iniettore per l'iniettore GC siano nuovi e privi di contaminazione. Quindi, posiziona un feral sulla colonna GC e collega la colonna primaria all'iniettore GC in modo che cinque millimetri di colonna siano all'interno dell'iniettore.

Utilizzare una linea di trasferimento feral da un sedicesimo pollice e 0,5 millimetri di diametro interno per collegare la colonna secondaria e la linea di trasferimento. Posizionare una porzione di 0,2 metri della colonna secondaria nella linea di trasferimento. Assicurarsi che nel modulatore si trovi una porzione di 0,1 metri della colonna secondaria.

Utilizzare gas elio ad altissima purezza come gas di trasporto per GC a una portata di 1,5 millilitri al minuto. Assicurarsi che ci sia sufficiente azoto liquido nel dewar, che funge da refrigerante nel modulatore, leggendo il livello di azoto liquido utilizzando un manometro collegato all'uscita del dewar. Una lettura di 69 kilopascal del manometro indica che il dewar è pieno, mentre zero kilopascal indica che è vuoto.

Assicurarsi che non vi siano perdite importanti nello strumento. Se la lettura del vuotometro del TOF-MS è superiore a 2,7 volte 10 rispetto al quinto pascal negativo per una portata della colonna GC di 1,5 millilitri al minuto, ciò indica una grave perdita nel sistema. Imposta il metodo di controllo qualità o QC ed esegui il protocollo di regolazione del sistema di acquisizione integrato per ottenere la massima risposta del segnale utilizzando il protocollo del produttore.

Quindi, esegui i protocolli di ottimizzazione degli strumenti integrati del metodo QC. In serie, esegui i test di messa a fuoco del filamento, messa a fuoco ottica ionica e calibrazione della massa utilizzando il protocollo del produttore. Assicurarsi che il test di calibrazione della massa venga superato.

Questo metodo di controllo qualità garantisce che tutti i parametri hardware dello strumento siano a un livello ottimale. Lo strumento deve essere privo di perdite. Questo è un aspetto importante di questa procedura.

Un nuovo controllo deve essere eseguito utilizzando il protocollo del produttore. Analizza il rapporto di controllo delle perdite generato controllando la concentrazione relativa di ioni specifici rispetto allo standard interno. Per determinare il periodo di modulazione ottimale del modulatore, selezionare arbitrariamente un periodo di modulazione lungo e iniettare un campione come prima.

Identificare il tempo di ritenzione nella seconda dimensione del grafico di contorno, dopo il quale non eluire alcun picco. Selezionare il tempo di ritenzione della seconda dimensione identificato come periodo di modulazione ottimale. Aumentare il periodo di modulazione ed eseguire nuovamente l'analisi se si osserva un wrap-around.

I fenomeni di avvolgimento si verificano se i picchi nella seconda dimensione eluiscono al di sotto della linea di base della prima dimensione, come mostrato in questo grafico di contorno. Ripetere questi passaggi fino a determinare il valore ottimale. La configurazione utilizzata in questo studio è unica e importante.

Questa combinazione non era stata precedentemente utilizzata per analizzare le frazioni acquose derivanti dalle conversioni di biomassa. Installare una colonna capillare polare come colonna primaria. Installare una colonna capillare non polare come colonna secondaria.

Utilizzare gas elio ad altissima purezza come gas di trasporto per GC a una portata di 1,5 millilitri al minuto. Impostare l'iniettore GC su una temperatura di 260 gradi Celsius e un rapporto di divisione da uno a 250. Impostare un programma di temperatura per la colonna primaria che inizia con una temperatura costante di 40 gradi Celsius per 0,2 minuti, seguita da una rampa di temperatura a 260 gradi Celsius a cinque gradi Celsius al minuto, seguita da una temperatura costante di 260 gradi Celsius per cinque minuti.

Mantenere la temperatura del modulatore di cinque gradi Celsius superiore a quella della colonna secondaria e la temperatura della colonna secondaria a cinque gradi Celsius superiore a quella della colonna primaria. Utilizzare un periodo di modulazione ottimale di quattro secondi con 0,8 secondi di impulso caldo e 1,2 secondi di impulso freddo, come determinato in precedenza. Quindi, impostare la temperatura della linea di trasferimento a 270 gradi Celsius.

Quindi, impostare il ritardo di acquisizione o il ritardo del solvente su zero secondi. Impostare l'intervallo inferiore e superiore di sovraccarico di massa su 35 e 800, quindi impostare la velocità di acquisizione del rivelatore MS su 400 spettri al secondo. Mantenere la tensione del rivelatore MS a 150 volt superiore al valore ottimizzato.

Infine, mantenere la temperatura della sorgente di ioni MS a 225 gradi Celsius. Eseguire l'elaborazione dei dati utilizzando il software fornito dal produttore dello strumento. Nel metodo di analisi dei dati, selezionare Calcola linea di base, Trova picchi al di sopra della linea di base, Cerca nella libreria e Calcola l'area e l'altezza.

Tenere traccia della linea di base attraverso il file di dati. Immettete l'offset della linea di base come 0.5, quindi immettete la larghezza di picco prevista di 15 secondi nella prima quota e di 0.15 secondi nella seconda dimensione. Impostare il rapporto segnale/rumore su 5000 e valori di somiglianza superiori a 850 per l'identificazione dei composti.

Selezionare una libreria spettrale di massa disponibile in commercio per identificare i composti chimici presenti nei campioni e impostare la modalità di ricerca della libreria su inoltro. Elaborare i file di dati con questo metodo di analisi dei dati utilizzando il protocollo del produttore. L'elaborazione del file di dati richiede almeno un'ora.

Qui è mostrato un cromatogramma ionico totale ottenuto per la frazione acquosa di alghe bio-grezze, analizzato con una combinazione di colonne polari e non polari. Nell'acqua delle alghe HTL sono stati osservati ossigenati e acidi organici. Oltre agli ossigenati, la fase acquosa contiene composti contenenti azoto, come piridina, pirazina, acetammidi, succinimide e i loro derivati alchilici.

Presumibilmente, questi composti sono i prodotti di degradazione delle proteine e dei carboidrati nella biomassa algale. Di seguito sono mostrati i valori di somiglianza e il tempo di ritenzione dei composti chimici presenti nell'acqua delle alghe HTL, utilizzando la combinazione di colonne polari e non polari in forma di tabella. I picchi di alta intensità identificati nel grafico di contorno per la frazione acquosa di alghe bio-greggio sono stati convalidati mediante standard di analisi.

Gli standard contenenti acidi organici e composti finali sono stati preparati e analizzati in gascromatografia 2D con spettrometria di massa a tempo di volo. La frazione acquosa delle alghe bio-grezze è stata analizzata anche con la combinazione convenzionale di colonna non polare e polare, che è stata ampiamente utilizzata in letteratura. Come mostrato qui, gli acidi organici e i composti finali presenti nella frazione acquosa delle alghe bio-grezze eluiscono con più di un picco.

I valori di somiglianza e il tempo di ritenzione di questi composti chimici sono elencati sotto forma di tabella. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come analizzare i campioni acquosi utilizzando la gascromatografia bidimensionale dotata di spettrometria di massa. Dopo il suo sviluppo, questa tecnica ha aperto la strada ai ricercatori nel campo dei biocarburanti per analizzare il flusso acquoso di sottoprodotti ottenuti da conversioni biochimiche, termochimiche e termocatalitiche di biomassa.

Seguendo questa procedura, è possibile eseguire altri metodi come la gascromatografia unidimensionale e la cromatografia liquida per rispondere a ulteriori domande, come la determinazione quantitativa della concentrazione di composti chimici non identificati. Durante il tentativo di questa procedura, è importante ricordare che i sali non volatili, ad alto contenuto di composti e inorganici non possono essere analizzati utilizzando questa configurazione dello strumento.