Name: Charakterystyka jakościowa frakcji wodnej z hydrotermalnego skraplania glonów przy użyciu chromatografii gazowej 2D ze spektrometrią mas czasu przelotu (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-03-06T15:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 44 s
Description: Poznaj metodę dwuwymiarowej chromatografii gazowej ze spektrometrią mas czasu przelotu do charakterystyki frakcji wodnej z hydrotermalnego skraplania glonów. Technika ta poprawia rozdzielczość i pojemność pikową, dostarczając cennych danych dla biorefinerii.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Ten manuskrypt został napisany przez Battelle Memorial Institute na podstawie umowy nr. DE-AC05-76RL01830 z Departamentem Energii Stanów Zjednoczonych. Rząd Stanów Zjednoczonych zachowuje, a wydawca, przyjmując artykuł do publikacji, przyjmuje do wiadomości, że rząd Stanów Zjednoczonych zachowuje niewyłączną, opłaconą, nieodwołalną, ogólnoświatową licencję na publikację lub powielanie opublikowanej formy tego manuskryptu lub zezwalanie na to innym osobom do celów rządu Stanów Zjednoczonych.

1. Przygotowanie próbki
<ol>
	<li>Wytworzyć mieszany strumień produktu wodnego/organicznego poprzez ciągły przepływ HTL glonów zgodnie z projektem reaktora i procedurą doświadczalną znalezioną w literaturze10,11.</li>
	<li>Użyj separatora grawitacyjnego, aby oddzielić strumień produktu na fazę wodną i fazę organiczną.</li>
	<li>Przefiltrować 10 ml fazy wodnej HTL za pomocą filtra strzykawkowego 0,45 μm i przechowywać w lodówce utrzymywanej w temperaturze 4 °C do analizy GC × GC–TOF-MS.</li>
</ol>
2. Komponenty instrumentu
<ol>
	<li>Do tych eksperymentów należy użyć chromatografu gazowego (GC) wyposażonego w dwustopniowy modulator oparty na chłodzeniu z czterema strumieniami i spektrometr masowy (MS) czasu przelotu (MS).</li>
	<li>Skonfiguruj automatyczny próbnik tak, aby wstrzykiwał 1 μl każdej próbki lub wzorca do GC. Dla sekwencji automatycznego pobierania próbek należy stosować losowy projekt blokowy próbek i standardowych wstrzyknięć, jak opisano w literaturze13. Randomizowany projekt blokowy jest powszechnie stosowany w badaniach ilościowych do kontroli działania urządzenia. Nasze laboratorium rutynowo wykorzystuje ten projekt nawet w badaniach porównawczych w celu sprawdzenia działania urządzenia.</li>
	<li>Podłącz kolumnę pierwotną i wtórną za pomocą złącza zaciskowego przed modulatorem. Upewnij się, że obie krawędzie zarówno kolumny głównej, jak i wtórnej są przycięte prosto, bez ostrych krawędzi przed podłączeniem do łącznika zaciskowego.</li>
	<li>Umieść tuleję na kolumnie GC, a następnie podłącz kolumnę pierwotną do wtryskiwacza GC tak, aby 5 mm kolumny znalazło się wewnątrz wtryskiwacza.</li>
	<li>Upewnij się, że szklana wkładka, nieprzywierająca wkładka, O-ring i przegroda do wtryskiwacza GC są nowe i wolne od zanieczyszczeń.</li>
	<li>Użyj tulejek linii przesyłowej ID 1/16 x 0.5 mm, aby połączyć kolumnę wtórną i linię przesyłową. Umieść 0,2 m część kolumny pomocniczej w linii przesyłowej.</li>
	<li>Upewnij się, że w modulatorze znajduje się część kolumny wtórnej o długości 0.1 m.</li>
	<li>Stosować hel gazowy o ultrawysokiej czystości jako gaz nośny do GC przy natężeniu przepływu 1,5 ml min-1.</li>
	<li>Upewnij się, że w Dewarze jest wystarczająca ilość ciekłego azotu, który działa jak chłodziwo w modulatorze. Poziom ciekłego azotu w Dewarze można przewidzieć za pomocą manometru przymocowanego do jego wylotu. Odczyt manometru 69 kPa wskazuje, że Dewar jest pełny, a 0 kPa wskazuje, że jest pusty.</li>
</ol>
3. Protokoły przed analizą próbek
<ol>
	<li>Upewnij się, że w przyrządzie nie ma większych wycieków. Jeśli odczyt wakuometru TOF-MS jest wyższy niż 2.7 × 10-5 Pa dla natężenia przepływu w kolumnie 1.5 ml min-1 GC, oznacza to poważny wyciek w systemie.</li>
	<li>Skonfiguruj metodę kontroli jakości (QC) i uruchom wbudowany protokół "korekt systemu akwizycji", aby osiągnąć maksymalną odpowiedź sygnału przy użyciu protokołu producenta.</li>
	<li>Uruchom wbudowane protokoły "optymalizacji instrumentu" metodą QC, szeregowo - ogniskowanie żarnika, ogniskowanie optyki jonowej i testy kalibracji masy przy użyciu protokołu producenta. Upewnij się, że test wzorcowania masy zakończył się pomyślnie. Ta metoda kontroli jakości zapewnia, że wszystkie parametry sprzętowe urządzenia są na optymalnym poziomie.</li>
	<li>Przeprowadź "kontrolę szczelności" zgodnie z protokołem producenta. Analiza automatycznie generuje raport z kontroli szczelności. Upewnić się, że względne stężenie jonów 28 (N2), 32 (O2) i 18 (wilgotność) musi być niższe niż mniej niż 10%, 3% i 5% widm masowych wzorca wewnętrznego wynoszących odpowiednio 69 jonów.</li>
	<li>Dostrój TOF-MS za pomocą protokołu producenta.</li>
	<li>Uruchom metodę kontroli jakości, a także protokół dostrajania TOF-MS przed i po kontroli szczelności, a także podczas analizy próbek i wzorców.</li>
</ol>
4. Protokół określający optymalny okres modulacji modulatora
<ol>
	<li>Dowolnie wybierz długi okres modulacji (np. 10 sekund lub 13 sekund). Wstrzyknąć próbkę zgodnie z opisem w ppkt 2.2.</li>
	<li>Określić czas retencji w drugim wymiarze wykresu konturowego, po upływie którego nie dochodzi do elucji pików. Wybierz zidentyfikowany czas retencji drugiego wymiaru jako optymalny okres modulacji. Rysunek 2 wyraźnie wyjaśnia sposób określania czasu retencji w drugim wymiarze wykresu konturowego.</li>
	<li>Zwiększ okres modulacji zastosowany w kroku 4.1 i ponownie przeprowadź analizę, jeśli zaobserwowano "zawijanie"18. Zjawisko zawijania występuje, gdy piki w drugim wymiarze eluują poniżej linii bazowej pierwszego wymiaru. Przykładowy wykres konturowy dla "zawijania" przedstawiono na rysunku 3 w informacjach uzupełniających.</li>
	<li>Powtarzaj kroki 4.2 i 4.3, aż do określenia wartości optymalnej.</li>
</ol>
5. Eksperymentalne parametry ustawienia przyrządu
<ol>
	<li>Zainstaluj polarną kolumnę kapilarną (60 m x 0,25 mm x 0,5 μm grubości folii) jako kolumnę pierwotną i niepolarną (2,3 m x 0,25 mm x 0,5 μm grubości folii) jako kolumnę wtórną. Piecz zarówno kolumnę pierwotną, jak i wtórną przez co najmniej 2 godziny, aby usunąć śladowe ilości wilgoci, powietrza i zanieczyszczeń związanych z nowymi kolumnami GC.</li>
	<li>Stosować hel gazowy o ultrawysokiej czystości jako gaz nośny do GC przy natężeniu przepływu 1,5 ml min-1.</li>
	<li>Ustaw wtryskiwacz GC na temperaturę 260 °C i współczynnik podziału 1:250.</li>
	<li>Zastosować następujący program temperatury dla kolumny pierwotnej: stała temperatura 40 °C przez 0,2 minuty, następnie wzrost temperatury do 260 °C przy 5 °C min-1, a następnie stała temperatura 260 °C przez 5 minut.</li>
	<li>Utrzymywać temperaturę modulatora o 5 °C wyższą niż temperatura kolumny wtórnej, a temperaturę kolumny wtórnej o 5 °C wyższą niż temperatura kolumny pierwotnej.</li>
	<li>Użyj optymalnego okresu modulacji wynoszącego 4 sekundy z 0,8 sekundy gorącego impulsu i 1,2 sekundy zimnego impulsu. Wartość ta jest określana na podstawie protokołu opisanego w punkcie 4.</li>
	<li>Ustaw temperaturę linii przesyłowej na 270 °C.</li>
	<li>Ustaw opóźnienie nabycia lub opóźnienie rozpuszczalnika na 0 sek.</li>
	<li>Ustaw dolny i górny zakres m/z odpowiednio na 35 i 800.</li>
	<li>Ustaw szybkość akwizycji detektora MS na 400 widm/sek.</li>
	<li>Utrzymuj napięcie detektora MS na poziomie 150 V wyższym niż wartość zoptymalizowana.</li>
	<li>Utrzymuj temperaturę źródła jonów MS na poziomie 225 °C.</li>
</ol>
6. Analiza danych
<ol>
	<li>Przetwarzanie danych należy wykonać za pomocą oprogramowania dostarczonego przez producenta urządzenia.</li>
	<li>W metodzie analizy danych wybierz następujące zadania — Oblicz linię bazową, znajdź szczyty powyżej linii bazowej, wyszukiwanie w bibliotece i oblicz wysokość.</li>
	<li>Śledź linię bazową w pliku danych. Wprowadź odsunięcie linii bazowej jako 0.5. 
	Wprowadź oczekiwaną szerokość piku wynoszącą 15 sekund w pierwszym wymiarze i 0,15 sekundy w drugim wymiarze.</li>
	<li>Ustaw stosunek sygnału do szumu na 5 000 i wartości podobieństwa >850 w celu identyfikacji związków.</li>
	<li>Wybierz dostępną na rynku bibliotekę widm masowych, aby zidentyfikować związki chemiczne obecne w próbkach i ustaw tryb wyszukiwania w bibliotece na przekazywanie.</li>
	<li>Przetwarzaj pliki danych przy użyciu tej metody analizy danych przy użyciu protokołu producenta. Przetworzenie pliku danych zajmuje co najmniej 1 godzinę.</li>
</ol>

Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.

Wyniki wyraźnie ilustrują zdolność kombinacji kolumnowej polarnej × niepolarnej do rozdzielania związków polarnych i lekkich substancji lotnych obecnych we frakcji wodnej biosurowca z alg bez wcześniejszych technik przygotowania próbek. Drastyczne ogonowanie pików zaobserwowano dla kwasów organicznych i związków N przy użyciu niepolarnej× polarnej kombinacji kolumn. Tego pikowego ogonowania nie zaobserwowano dla wczesnych eluujących lekkich substancji organicznych. Zachowanie to było powtarzalne podczas sprawdzania, czy ...

Stały wzrost popytu na paliwa płynne, ograniczone zasoby paliw kopalnych, niepewność co do dostaw paliw kopalnych oraz obawy związane z rosnącym stężeniem gazów cieplarnianych w atmosferze zwiększyły globalną świadomość na temat odnawialnych źródeł energii1. Energia słoneczna (w tym fotowoltaika i energia słoneczna termiczna), energia wiatrowa, energia wodna, geotermalna i biomasa są głównymi źródłami odnawialnymi, które mogą potencjalnie zastąpić energię pochodzącą z paliw kopalnych2. Spośród nich biomasa jest jedynym alternatywnym zasobem energii opartym na węglu do produkcji płynnych paliw transportowych i wysokowartościowych chemikaliów3. Biomasa obejmuje wszelkie materiały organiczne, takie jak zasoby leśne, pozostałości rolnicze, algi, nasiona oleiste, stałe odpady komunalne i bogate w węgiel odpady przemysłowe (np. z przemysłu celulozowo-papierniczego lub z przetwórstwa spożywczego)1. Biomasa dzieli się na dwie szerokie kategorie: surowce lignocelulozowe i niedrzewne w zależności od cech składu. Biomasa lignocelulozowa składa się z węglowodanów i ligniny, podczas gdy surowce niezdrewniałe zawierają białka, węglowodany i lipidy/oleje4. Surowce lignocelulozowe, pochodzące z roślin lądowych, mogą zaspokoić tylko 30% obecnego zapotrzebowania na paliwa płynne (benzynę, paliwo lotnicze i olej napędowy), jeśli są uprawiane i zbierane w sposób zrównoważony5,6. W związku z tym niezdrewniałe mikroorganizmy wodne, takie jak mikroalgi i grzyby, są uważane za potencjalne surowce do produkcji odnawialnych paliw ciekłych uzupełniających zasoby lignocelulozowe.
Surowce do produkcji mikroalg mają potencjał, aby zaspokoić obecny popyt na płynne paliwa transportowe7,8. Glony mają wiele zalet: wysoką produktywność powierzchniową8, zdolność do wzrostu w wodzie słonawej lub morskiejniskiej jakości 9 oraz zdolność do akumulacji wysokoenergetycznych trójglicerydów lub węglowodorów7,8. Skraplanie hydrotermalne (HTL) jest opłacalnym i skalowalnym procesem konwersji, w którym wykorzystuje się wodę naturalnie związaną z algami lub surowcami wodnymi10,11. Jest to proces termochemiczny o temperaturach roboczych 250-400 °C i ciśnieniu roboczym 10-25 MPa, w wyniku którego powstaje produkt płynny lub bioropa, którą można przekształcić w mieszankę paliwową. Bioropa produkowana z HTL alg ma rozróżnialne i łatwo oddzielające się frakcje organiczne i wodne. Frakcja organiczna bioropy naftowej może być skutecznie przekształcana w gotową do rafinacji mieszankę w procesach katalitycznego hydrorafinacji11. Wodna frakcja biosury zawiera ~30% całkowitego węgla obecnego w surowcu do produkcji glonów. Chociaż w strumieniu wodnym HTL zidentyfikowano tysiące związków, dominujące frakcje składają się z natlenień o niskiej masie cząsteczkowej (w tym kwasów, alkoholi, ketonów i aldehydów) powstałych w wyniku degradacji węglowodanów i lipidów oraz heterocyklicznych związków azotu (w tym piroli, pirydyn, pirazyn i imidazoli) pochodzących z rozkładu białek12. Trwają badania nad wykorzystaniem frakcji wodnej w celu poprawy ogólnej ekonomiki procesu, a także zrównoważonego rozwoju. Gaz syntezowy może być wytwarzany z wodnej frakcji biosury z alg w procesie katalitycznego zgazowania hydrotermalnego10,13,14. Alternatywnie, substancje organiczne we frakcji wodnej mogą być również przekształcane katalitycznie w dodatki do paliw i specjalistyczne chemikalia. W Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) prowadzone są obecnie badania nad optymalizacją katalitycznego zgazowania hydrotermalnego oraz badań przesiewowych katalizatorów pod kątem konwersji substancji organicznych w wodnej fazie ciekłej. Do tej pracy wymagana jest jakościowa i ilościowa charakterystyka wodnej frakcji biosury z alg. Ponieważ wodna frakcja biosury z alg jest uważana za strumień odpadów, istnieje bardzo niewiele badań, w których analizowano wodną frakcję biosury z alg13,15. Co więcej, w ostatnich badaniach stwierdzono, że przekształcenie wody z alg HTL w wysokowartościowe bioprodukty poprawiłoby zrównoważony rozwój, a także ekonomikę biorafinerii opartej na HTL11. W związku z tym w niniejszym badaniu skoncentrowano się na opracowaniu metody jakościowej charakterystyki wodnej frakcji biosury otrzymanej z HTL glonów za pomocą dwuwymiarowej chromatografii gazowej sprzężonej ze spektrometrią mas czasu przelotu (GC × GC–TOF-MS).
GC × GC–TOF-MS to najbardziej obiecująca chromatograficzna technika analityczna pozwalająca zwiększyć rozdzielczość (lub separację związków chemicznych w próbce), pojemność pików (tj. liczbę rozpoznanych pików), stosunek sygnału do szumu (do identyfikacji związków chemicznych z dużą pewnością) oraz uniknąć koelucji związków chemicznych16. W celu maksymalizacji rozdzielczości, pojemności szczytowej i stosunku sygnału do szumu, dwie kolumny GC o różnych fazach stacjonarnych są połączone szeregowo za pomocą złącza wciskanego lub mikrozłącza17 (patrz rysunek 1, który jest schematem blokowym systemu GC × GC-TOF-MS użytego w tym badaniu). Modulator znajduje się między złączem wciskanym a kolumnami wtórnymi, aby wychwytywać, ponownie skupiać i ponownie wstrzykiwać ścieki z kolumny pierwotnej do kolumny wtórnej18. W niniejszym badaniu modulacja zachodzi na kolumnie wtórnej, jak pokazano na rysunku 1. Kolumna wtórna jest następnie podłączana do TOF-MS za pomocą zespołu linii przesyłowej.
GC × GC–TOF-MS był wcześniej używany do jakościowej i ilościowej analizy próbek organicznych, takich jak ropa naftowa16,19, benzyna, paliwo odrzutowe, olej napędowy, biodiesel oraz frakcja organiczna biopaliwa20-22 wytwarzanego w procesach konwersji termochemicznej i termokatalitycznej23,24. Do scharakteryzowania tych próbek organicznych w instrumentach GC × GC-TOF-MS użyto długiej kolumny niepolarnej jako kolumny pierwotnej, podczas gdy krótka kolumna biegunowa została użyta jako kolumny wtórnej. Ta konwencjonalna konfiguracja kolumn rozwiązuje związki chemiczne na podstawie różnic w lotności w pierwszym wymiarze, a następnie polarności w drugim wymiarze18. Próbki wodne lub wodne z procesów biologicznych, przetwórstwa spożywczego i odpadów środowiskowych scharakteryzowano również przy użyciu podobnych konfiguracji kolumn pierwotnych/wtórnych po przejściu przez etapy przygotowaniapróbki 17,25-30. Techniki przygotowania próbek, takie jak derywatyzacja, ekstrakcja do fazy stałej i ekstrakcja rozpuszczalnikiem organicznym, zostały wykorzystane przed analizą GC × GC-TOF-MS17,27-29,31,32. Techniki te miały na celu zmniejszenie polarności związków w próbce do analizy przy użyciu konwencjonalnej konfiguracji kolumn33. W tym badaniu zastosowano alternatywną strategię opartą na charakterze próbki (w tym przypadku polarne związki organiczne w wodzie), wykorzystując odwrotną konfigurację kolumny pierwotnej/wtórnej do analizy GC × GC-TOF-MS. Ponieważ wodna frakcja bioropy naftowej wytwarzanej z HTL zawiera związki polarne13, w GC × GC–TOF-MS zastosowano kombinację kolumnową pierwotnej kolumny polarnej i wtórnej kolumny niepolarnej bez przygotowania próbki przed nią. Ta kombinacja kolumny podstawowej/wtórnej rozwiązuje związki chemiczne na podstawie różnic w polarności w pierwszym wymiarze, a następnie lotności w drugim wymiarze. W literaturze istnieje ograniczona liczba metod analitycznych służących do charakteryzowania próbek wodnych przy użyciu dwuwymiarowej chromatografii gazowej bez uprzedniego przetwarzania próbki15.
Celem tego badania było określenie związków chemicznych obecnych w wodnej frakcji alg bio-surowych. Aby osiągnąć ten cel, opracowano metodę pozyskiwania danych GC × GC–TOF-MS z kombinacją kolumn biegunowych (pierwotnych) × niepolarnych (wtórnych). Klenn i wsp. (2015) zasugerował, że zwiększenie długości kolumny głównej (zwłaszcza kolumn GC 60 m) i obniżenie temperatury przesunięcia kolumny wtórnej w stosunku do kolumny pierwotnej zmaksymalizuje pojemność szczytową i rozdzielczość16-18. W związku z tym w pracy zastosowano kolumnę pierwotną o 60 m i temperaturę przesunięcia kolumny wtórnej o 5 °C w stosunku do kolumny pierwotnej. Optymalny okres modulacji określono zgodnie z protokołem opisanym w tym badaniu (patrz punkt 4). Optymalna szybkość narastania temperatury kolumny GC została określona metodą prób i błędów i jest zbliżona do wartości sugerowanej w literaturze16-18. Aby omówić zalety tej kombinacji kolumn dla próbek wodnych, przeanalizowaliśmy próbki wody z glonów HTL za pomocą konwencjonalnej kombinacji kolumn niepolarnych × polarnych. Parametry operacyjne sugerowane w literaturze wykorzystano do analizy wodnej frakcji biosury z glonów z kombinacją kolumn niepolarnych × biegunowych18.

<table><tbody><tr><td>GC & czasy; GC&#8211; TOF/MS</td><td>Leco</td><td>PEG4D11DLN15</td><td>Commercial Pegasus 4D</td></tr><tr><td>ChromaTOF wersja 4.50&nbsp;</td>Z tej kolumny użyto <td>oprogramowania do analizy danych</td> <td>Leco</td><td></td></tr><tr><td>Rxi-5MS GC kolumny</td><td>Restek</td><td>13420</td><td>o długości 2,3 m.</td></tr><tr><td>Kolumna Stabilwax GC</td><td>Restek</td><td>10626</td><td></td></tr><tr><td>HP-5 Kolumna GC</td><td>Agilent</td><td>19091J-416</td><td></td></tr><tr><td>Kolumna Stabilwax GC</td><td>Restek</td><td>15121</td><td></td></tr><tr><td>Łącznik wciskany</td><td>Restek</td><td>20430</td><td></td></tr><tr><td>GC Wkładka wtryskiwacza</td><td>Restek</td><td>23305.5</td><td></td></tr><tr><td>GC Tuleje wtryskiwaczy</td><td>Agilent</td><td>5181-3323</td><td></td></tr><tr><td>Nieprzywierająca wkładka O-ringi</td><td>Agilent</td><td>5188-5365</td><td></td></tr><tr><td>Tuleje linii przesyłowej</td><td>Restek</td><td>20212</td><td></td></tr><tr><td>Etanol</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>459844</td><td>Klasa chromatograficzna</td></tr><tr><td>Aceton</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>414689</td><td>Klasa chromatograficzna</td></tr><tr><td>Kwas octowy</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>320099</td><td>Klasa chromatograficzna</td></tr><tr><td>2-butanon</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>360473</td><td>Klasa chromatograficzna</td></tr><tr><td>Kwas propanowy</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>402907</td><td>Klasa chromatograficzna</td></tr><tr><td>Kwas butanowy</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>19215</td><td>Klasa chromatograficzna</td></tr><tr><td>Pirydyna</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>270970</td><td>Klasa chromatograficzna</td></tr><tr><td>Pirazyna</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>65693</td><td>Klasa</td></tr> <tr>chromatograficzna<td>Acetamid</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>695122</td><td>Klasa chromatograficzna</td></tr><tr><td>2,5-pirolidydu</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>S9381</td><td>Klasa chromatograficzna</td></tr><tr><td>N-metylosukcynimid</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>325384</td><td>Klasa chromatograficzna</td></tr><tr><td>N-(2-hydroksyetylo)sukcynimid</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>444073</td><td>Klasa chromatograficzna</td></tr></tbody></table>

charakterystyka jakościowa frakcji wodnej z hydrotermalnego skraplania glonów przy użyciu chromatografii gazowej 2d ze spektrometrią mas czasu przelotu

Qualitative Characterization of the Aqueous Fraction from Hydrothermal Liquefaction of Algae Using 2D Gas Chromatography with Time-of-flight Mass Spectrometry

Dwuwymiarowa chromatografia gazowa w połączeniu ze spektrometrią mas czasu przelotu jest potężnym narzędziem do identyfikacji i ilościowego określania składników chemicznych w złożonych mieszaninach. Jest często używany do analizy benzyny, paliwa lotniczego, oleju napędowego, biodiesla i frakcji organicznej bioropy/biooleju. W większości tych analiz pierwszy wymiar separacji jest niepolarny, a następnie separacja biegunowa. Frakcje wodne bioropy naftowej i innych próbek wodnych pochodzących z produkcji biopaliw badano przy użyciu podobnych kombinacji kolumn. Jednak przed analizą konieczne były techniki przygotowania próbki, takie jak derywatyzacja, ekstrakcja rozpuszczalnikiem i ekstrakcja do fazy stałej. W tym badaniu frakcje wodne otrzymane z hydrotermalnego upłynniania glonów scharakteryzowano za pomocą dwuwymiarowej chromatografii gazowej sprzężonej ze spektrometrią mas czasu przelotu bez wcześniejszych technik przygotowania próbek z zastosowaniem separacji biegunowej w pierwszym wymiarze, a następnie separacji niepolarnej w drugim. Wykresy dwuwymiarowe z tej analizy porównano z wykresami uzyskanymi z bardziej tradycyjnej konfiguracji kolumn. Szczegółowo omówiono wyniki charakterystyki jakościowej wodnych frakcji biosury z glonów. Podkreślono zalety stosowania separacji polarnej, po której następuje separacja niepolarna do charakteryzowania substancji organicznych w próbkach wodnych za pomocą dwuwymiarowej chromatografii gazowej sprzężonej ze spektrometrią mas czasu przelotu.

Całkowity chromatogram jonowy (TIC) uzyskany dla frakcji wodnej bio-ropy z alg analizowanej za pomocą kombinacji kolumn polarnej × niepolarnej przedstawiono na Rysunku 4. Czasy retencji oraz wartości czynnika podobieństwa lub dopasowania związków zidentyfikowanych poprzez wyszukiwanie w bibliotece National Institute of Standards and Technology (NIST) zestawiono w Tabeli 1. W wodzie po procesie HTL z alg zaobserwowano związki tlenowe (takie jak cyklopentan...

Dwuwymiarowa metoda chromatografii gazowej z czasem przelotu jest opisana do charakterystyki wodnej frakcji bioropy powstałej w wyniku hydrotermalnego upłynniania glonów. Protokół ten może być również stosowany do analizy frakcji wodnej produktów ciekłych z szybkiej pirolizy, szybkiej pirolizy katalitycznej, katalitycznego odtleniania i hydrorafinacji.

Charakterystyka jakościowa frakcji wodnej z hydrotermalnego skraplania glonów przy użyciu chromatografii gazowej 2D ze spektrometrią mas czasu przelotu

Two-dimensional gas chromatography coupled with time-of-flight mass spectrometry is a powerful tool for identifying and quantifying chemical components in ...

Ogólnym celem tej metody pozyskiwania danych z chromatografii gazowej 2D jest scharakteryzowanie wodnych produktów ubocznych otrzymywanych w wyniku hydrotermalnego skraplania glonów (HTL). Metoda ta może pomóc w znalezieniu odpowiedzi na kluczowe pytania w dziedzinie biopaliw, takie jak identyfikacja gatunków organicznych, które zgłaszają się do fazy wodnej podczas hydrodynamicznego procesu rozwoju glonów. Główną zaletą tej techniki jest to, że poprawia ona pojemność szczytową, rozdzielczość i szerokie zestawienie związków chemicznych.Metoda ta jest ważna dla generowania danych dla biorafinerii, które wytwarzają znaczne ilości ścieków, które muszą być albo oczyszczane, albo dalej przetwarzane na paliwa i chemikalia. Metoda ta może dostarczyć danych charakterystycznych, których nie można uzyskać za pomocą innych technik analitycznych, takich jak jednowymiarowa chromatografia gazowa lub chromatografia cieczowa. Na pomysł tej metody po raz pierwszy zrodził się rok, gdy analizowaliśmy bardzo złożone mieszanki organiczne z procesów produkcji biopaliw.Do tych eksperymentów należy użyć chromatografu gazowego wyposażonego w dwustopniowy modulator chłodzący z czterema dyszami i spektrometr masowy czasu przelotu. Skonfigurować automatyczny próbnik tak, aby wstrzykiwał jeden mikrolitr każdej próbki lub wzorca do chromatografu gazowego lub GC. Dla sekwencji automatycznego pobierania próbek należy stosować losowy projekt blokowy próbek i standardowych wstrzyknięć, zgodnie z opisem w literaturze. Upewnij się, że obie krawędzie zarówno słupa głównego, jak i pomocniczego są przycięte prosto, bez ostrych krawędzi.Następnie należy połączyć kolumnę pierwotną i wtórną za pomocą złącza zaciskowego przed modulatorem. Upewnij się, że szklana wkładka, nieprzywierająca wkładka, O-ring, cewka rozprężna wtryskiwacza GC są nowe i wolne od zanieczyszczeń. Następnie umieść dzikus na kolumnie GC i podłącz kolumnę pierwotną do wtryskiwacza GC tak, aby pięć milimetrów kolumny znalazło się wewnątrz wtryskiwacza.Użyj dzikich linii przesyłowych o średnicy szesnastej cala i średnicy wewnętrznej 0,5 milimetra, aby połączyć kolumnę wtórną i linię przesyłową. Umieść 0,2-metrową część kolumny pomocniczej w linii przesyłowej. Upewnij się, że w modulatorze znajduje się część kolumny wtórnej o długości 0.1 metra.Używaj helu o ultrawysokiej czystości jako gazu nośnego do GC przy natężeniu przepływu 1,5 mililitra na minutę. Upewnij się, że w dewarze jest wystarczająca ilość ciekłego azotu, który działa jak chłodziwo w modulatorze, odczytując poziom ciekłego azotu za pomocą manometru przymocowanego do wylotu dewara. Odczyt manometru 69 kilopaskali wskazuje, że dewar jest pełny, podczas gdy zero kilopaskali oznacza, że jest pusty.Upewnij się, że w przyrządzie nie ma większych wycieków. Jeśli odczyt próżniometru TOF-MS jest wyższy niż 2,7 razy 10 do ujemnej kwinty paskali dla natężenia przepływu w kolumnie GC 1,5 mililitra na minutę, oznacza to poważny wyciek w systemie. Skonfiguruj metodę kontroli jakości lub kontroli jakości i uruchom wbudowany protokół regulacji systemu akwizycji, aby uzyskać maksymalną odpowiedź sygnału przy użyciu protokołu producenta.Następnie uruchom wbudowane protokoły optymalizacji urządzeń metodą kontroli jakości. Szeregowo przeprowadź testy ostrości żarnika, ostrości jonowej optyki i kalibracji masy przy użyciu protokołu producenta. Upewnij się, że test wzorcowania wzorcowania masy zakończył się pomyślnie.Ta metoda kontroli jakości zapewnia, że wszystkie parametry sprzętowe urządzenia są na optymalnym poziomie. Przyrząd powinien być wolny od wycieków. Jest to ważny aspekt tej procedury.Ponowną kontrolę należy przeprowadzić przy użyciu protokołu producenta. Przeanalizuj wygenerowany raport z kontroli szczelności, sprawdzając względne stężenie określonych jonów w stosunku do wzorca wewnętrznego. Aby określić optymalny okres modulacji modulatora, dowolnie wybierz długi okres modulacji i wstrzyknij próbkę jak poprzednio.Zidentyfikuj czas retencji w drugim wymiarze wykresu konturowego, po upływie którego nie dochodzi do elucji pików. Wybierz zidentyfikowany czas retencji drugiego wymiaru jako optymalny okres modulacji. Wydłuż okres modulacji i ponownie przeprowadź analizę, jeśli zaobserwuje się zawijanie.Zjawiska zawijania występują, gdy piki w drugim wymiarze eluują poniżej linii bazowej pierwszego wymiaru, jak pokazano na tym wykresie konturu. Powtarzaj te kroki, aż zostanie określona optymalna wartość. Konfiguracja zastosowana w tym badaniu jest unikalna i ważna.Ta kombinacja nie była wcześniej używana do analizy frakcji wodnych pochodzących z konwersji biomasy. Zainstaluj biegunową kolumnę kapilarną jako kolumnę podstawową. Zainstaluj niepolarną kolumnę kapilarną jako kolumnę drugorzędną.Używaj helu o ultrawysokiej czystości jako gazu nośnego dla GC o natężeniu przepływu 1,5 mililitra na minutę. Ustaw wtryskiwacz GC na temperaturę 260 stopni Celsjusza i współczynnik podziału jeden do 250. Skonfiguruj program temperatury dla kolumny podstawowej, który zaczyna się od stałej temperatury 40 stopni Celsjusza przez 0,2 minuty, po której następuje wzrost temperatury do 260 stopni Celsjusza przy pięciu stopniach Celsjusza na minutę, a następnie stała temperatura 260 stopni Celsjusza przez pięć minut.Utrzymuj temperaturę modulatora o pięć stopni Celsjusza wyższą niż temperatura kolumny wtórnej, a temperaturę kolumny wtórnej o pięć stopni Celsjusza wyższą niż temperatura kolumny pierwotnej. Użyj optymalnego okresu modulacji wynoszącego cztery sekundy z 0,8 sekundy gorącego impulsu i 1,2 sekundy zimnego impulsu, jak określono wcześniej. Następnie ustaw temperaturę linii przesyłowej na 270 stopni Celsjusza.Następnie ustaw opóźnienie akwizycji lub opóźnienie rozpuszczalnika na zero sekund. Ustaw dolny i górny zakres masy nad ładunkiem na 35 i 800, a następnie ustaw szybkość akwizycji detektora MS na 400 widm na sekundę. Utrzymuj napięcie detektora MS na poziomie 150 woltów wyższym niż wartość zoptymalizowana.Na koniec utrzymuj temperaturę źródła jonów MS na poziomie 225 stopni Celsjusza. Przetwarzanie danych należy wykonać za pomocą oprogramowania dostarczonego przez producenta urządzenia. W metodzie analizy danych wybierz opcję Oblicz linię bazową, znajdź szczyty powyżej linii bazowej, przeszukaj bibliotekę oraz oblicz powierzchnię i wysokość.Śledź linię bazową w pliku danych. Wprowadź odsunięcie linii bazowej jako 0,5, a następnie wprowadź oczekiwaną szerokość piku wynoszącą 15 sekund w pierwszym wymiarze i 0,15 sekundy w drugim wymiarze. Ustaw stosunek sygnału do szumu na 5000 i wartości podobieństwa większe niż 850 w celu identyfikacji związków.Wybierz dostępną na rynku bibliotekę widm masowych, aby zidentyfikować związki chemiczne obecne w próbkach, a następnie ustaw tryb wyszukiwania w bibliotece na przekazywanie. Przetwarzaj pliki danych za pomocą tej metody analizy danych przy użyciu protokołu producenta. Przetworzenie pliku danych zajmuje co najmniej godzinę.Pokazano tutaj chromatogram jonów całkowitych uzyskany dla wodnej frakcji biosury alg, analizowany za pomocą kombinacji kolumn polarnych i niepolarnych. W wodzie z algami HTL zaobserwowano natlenienia i kwasy organiczne. Oprócz natleniaczy w fazie wodnej znajdują się związki zawierające azot, takie jak pirydyna, pirazyna, acetamidy, sukcynimid i ich pochodne alkilowe.Przypuszczalnie związki te są produktami rozkładu białek i węglowodanów w biomasie glonów. Przedstawiono tutaj wartości podobieństwa i czas retencji związków chemicznych obecnych w wodzie z alg HTL, przy użyciu kombinacji kolumn polarnych i niepolarnych w formie tabeli. Piki o wysokiej intensywności zidentyfikowane na wykresie konturowym dla wodnej frakcji biosury z alg zostały zweryfikowane za pomocą analizy standardów.Wzorce zawierające kwasy organiczne i związki końcowe przygotowano i przeanalizowano w chromatografii gazowej 2D ze spektrometrią mas czasu przelotu. Wodna frakcja biosury z alg była również analizowana za pomocą konwencjonalnej kombinacji kolumnowej niepolarnej i polarnej, która była szeroko stosowana w literaturze. Jak pokazano tutaj, kwasy organiczne i związki końcowe obecne we frakcji wodnej biosurowej glonów eluują się z więcej niż jednym pikiem.Wartości podobieństwa i czas retencji tych związków chemicznych są wymienione w formie tabeli. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak analizować próbki wodne za pomocą dwuwymiarowej chromatografii gazowej wyposażonej w spektrometrię mas. Po opracowaniu technika ta utorowała drogę naukowcom zajmującym się biopaliwami do analizy wodnego strumienia produktów ubocznych uzyskanych w wyniku biochemicznych, termochemicznych i termokatalitycznych konwersji biomasy.Po tej procedurze można przeprowadzić inne metody, takie jak jednowymiarowa chromatografia gazowa i chromatografia cieczowa, aby odpowiedzieć na dodatkowe pytania, takie jak ilościowe określanie stężenia niezidentyfikowanych związków chemicznych. Próbując wykonać tę procedurę, należy pamiętać, że nie można analizować soli nielotnych, wysoko-chemicznych i nieorganicznych przy użyciu tej konfiguracji urządzenia.

qualitative-characterization-aqueous-fraction-from-hydrothermal

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioinżynieria

Skład ekstraktów lipidów polarnych oraz skład kwasów tłuszczowych poszczególnych gliceryolipidów są określane w prostym i niezawodnym eksperymencie profilowania lipidów. W tym celu gliceryolipidy są izolowane za pomocą chromatografii cienkowarstwowej, a następnie poddawane transmetylacji ich grup acylowych. Estry metylowe kwasów tłuszczowych są oznaczane ilościowo za pomocą chromatografii gazowo-cieczowej.

Profilowanie polarnych glicerolipidów Arabidopsis thaliana za pomocą chromatografii cienkowarstwowej (TLC) sprzężonej z chromatografią gazowo-cieczową (GLC)

Opisano metodę oznaczania zawartości i składu kwasów tłuszczowych w mikroalgach na podstawie mechanicznego rozbijania komórek, ekstrakcji lipidów na bazie rozpuszczalnika, transestryfikacji oraz kwantyfikacji i identyfikacji kwasów tłuszczowych za pomocą chromatografii gazowej. Wewnętrzny wzorzec tripentadekaniny służy do kompensacji ewentualnych strat podczas ekstrakcji i niepełnej transestryfikacji.

Analiza zawartości i składu kwasów tłuszczowych w mikroalgach

Opisujemy protokół katalizowanego światłem wytwarzania nadtlenku wodoru — kofaktora przemian oksydacyjnych.

Dekarboksylacja enzymatyczna sterowana światłem

Precyzyjne określenie szybkości przepływu wydzielanych gazów jest kluczowe do badania szczegółów reakcji. Zapewniamy nowatorską metodę analizy ilościowej równoważnej analizy widma charakterystyki dla termograwimetrycznej analizy widma masowego poprzez ustanowienie systemu kalibracji widma charakterystycznego i czułości względnej w celu uzyskania natężenia przepływu.

Analiza ilościowa za pomocą termograwimetrii-analiza widma mas dla reakcji z wydzielającymi się gazami

Ten protokół opisuje pojedynczą przepustowość dla uzupełniających technik analitycznych i omicznych, której kulminacją jest w pełni sparowana charakterystyka naturalnej materii organicznej i proteomiki mikrobiologicznej w różnych ekosystemach. Podejście to pozwala na solidne porównania w celu identyfikacji szlaków i przemian metabolicznych ważnych dla opisu produkcji gazów cieplarnianych i przewidywania reakcji na zmiany środowiskowe.

Jednoprzepustowe komplementarne techniki analityczne o wysokiej rozdzielczości do charakteryzowania złożonych mieszanin naturalnej materii organicznej

Analiza wielu biomolekuł w całym systemie jest kluczowa dla uzyskania funkcjonalnego i mechanistycznego wglądu w procesy biologiczne. W niniejszym opisano obszerny protokół wysokoprzepustowej ekstrakcji lipidów, metabolitów, białek i skrobi z pojedynczej próbki pobranej z zsynchronizowanej kultury Chlamydomonas.

Multiomiczna metoda ekstrakcji do dogłębnej analizy zsynchronizowanych kultur zielonej algi Chlamydomonas reinhardtii

Opisano protokół wykorzystania dwutlenku węgla z gazów spalinowych elektrowni na gaz ziemny do hodowli mikroalg w otwartych stawach torowych. Wtryskiwanie spalin jest kontrolowane za pomocą czujnika pH, a wzrost mikroalg jest monitorowany za pomocą pomiarów gęstości optycznej w czasie rzeczywistym.

Sprzężenie wychwytywania dwutlenku węgla z elektrowni z półautomatycznymi otwartymi stawami torowymi do uprawy mikroalg

Tutaj prezentujemy ekstrakcję i przygotowanie polarnych i półpolarnych metabolitów z holobiontu koralowca, a także wydzielonych tkanek gospodarza koralowców i frakcji komórek Symbiodiniaceae, do analizy metodą chromatografii gazowej i spektrometrii mas.

Ukierunkowana metabolomika próbek koralowców twardych oparta na chromatografii gazowej i spektrometrii mas

Zanieczyszczenie powietrza wpływa na jakość życia wszystkich organizmów. W tym miejscu opisujemy zastosowanie biotechnologii mikroalg do oczyszczania biogazu (jednoczesne usuwanie dwutlenku węgla i siarkowodoru) oraz produkcji biometanu poprzez półprzemysłowe otwarte stawy glonów o wysokiej szybkości, a następnie analizę skuteczności oczyszczania, pH, rozpuszczonego tlenu i wzrostu mikroalg.

Oczyszczanie biogazu poprzez zastosowanie systemu mikroalgo-bakteryjnego w półprzemysłowych stawach z glonami o wysokiej zawartości

Przedstawiono metodę analizy metabolomicznej jęczmienia. Metoda obejmuje frakcjonowanie i derywatyzację metabolitów oraz ich analizę za pomocą chromatografii gazowej/spektrometrii mas (GC/MS). Analiza metabolomiczna może być wykorzystana do określenia wpływu międzyplonów i stresu suszy na ziarno.

Analiza metabolomiczna jęczmienia metodą chromatografii gazowej/spektrometrii mas

Poznaj metodę dwuwymiarowej chromatografii gazowej ze spektrometrią mas czasu przelotu do charakterystyki frakcji wodnej z hydrotermalnego skraplania glonów. Technika ta poprawia rozdzielczość i pojemność pikową, dostarczając cennych danych dla biorefinerii.

Charakterystyka jakościowa frakcji wodnej z hydrotermalnego skraplania glonów przy użyciu chromatografii gazowej 2D ze spektrometrią mas czasu przelotu (Wideo) | JoVE Journal

Charakterystyka jakościowa frakcji wodnej z hydrotermalnego skraplania glonów przy użyciu chromatografii gazowej 2D ze spektrometrią mas czasu przelotu

Przeglądaj więcej filmów