Abstract
Двумерная газовая хроматография в сочетании со временем пролета масс-спектрометрии является мощным средством для идентификации и количественного определения химических компонентов в сложных смесях. Он часто используется для анализа бензин, топливо для реактивных двигателей, дизельное топливо, биодизельное топливо и органическую фракцию био-сырой / биомасло. В большинстве из этих анализов, первое измерение разделения является неполярной, с последующим полярным разделением. Водные фракции био-нефти и других водных образцов от производства биотоплива, были изучены с подобными комбинациями столбцов. Тем не менее, способы подготовки образцов, таких как дериватизации, экстракцию растворителем и твердофазной экстракции были необходимы перед анализом. В этом исследовании, водные фракции, полученные из гидротермального сжижения водорослей характеризовались двумерной газовой хроматографии в сочетании с временем пролета масс-спектрометрии без предварительного методов подготовки образцов с использованием полярного разделения в первом измерении с последующимпутем неполярной разделения во втором. Двумерные участки из этого анализа были сопоставлены с результатами, полученными из более традиционной конфигурации колонки. Результаты качественной характеристики водных фракций водорослевой биологического сырья обсуждены подробно. Преимущества использования полярного разделения с последующим неполярным разделения для характеристики органических соединений в водных образцах с помощью двухмерной газовой хроматографии в сочетании с временем пролета масс-спектрометрии выдвинуты на первый план.
Introduction
Устойчивый рост спроса на жидком топливе, конечных ресурсов ископаемого топлива, неопределенность ископаемого топлива поставок, а также опасения по поводу растущей концентрации парниковых газов в атмосфере, повысили глобальную осведомленность для возобновляемых ресурсов 1. Солнечная энергия (включая фотоэлектрические и солнечно-тепловой), энергии ветра, гидроэнергетика, геотермальная, и биомасса являются основными возобновляемые источники , которые потенциально могут заменить ископаемое происхождения энергии 2. Из них, биомасса является единственным на основе углерода ресурсов альтернативных источников энергии для производства жидких топлив и транспортных высокоценных химических веществ 3. Биомасса включает в себя любые органические материалы , такие как лесные ресурсы, сельскохозяйственных остатков, водоросли, семена масличных культур, твердых бытовых отходов, а также богатых углеродом промышленных отходов (например , от целлюлозно-бумажной промышленности или пищевой промышленности) 1. Биомасса подразделяется на две основные категории: лигноцеллюлозных и не деревянистые используемого сырья на основе композиционные характеристики. Биомассы лигноцеллюлозы состоит из углеводов и лигнина, в то время как не-деревянистые исходное сырье есть белки, углеводы и липиды / масла 4. Лигноцеллюлозного сырья, полученные из наземных растений, могут удовлетворить только 30% от текущего жидкого топлива (бензин, топливо для реактивных двигателей, дизельное топливо) и спроса , если устойчиво культивируют и собирают 5,6. Следовательно, не деревянистые водные микроорганизмы, такие как микроводорослей и грибов, которые считаются потенциальными исходного сырья для производства возобновляемого жидкого топлива в дополнение к лигноцеллюлозных ресурсов.
Микроводорослей исходное сырье имеют потенциал , чтобы удовлетворить текущее жидкое транспортное топливо требуют 7,8. Водоросли имеют много преимуществ: высокая производительность площадной 8, способность к росту в странах с низким качеством, солоноватой или морской воды 9, и способность аккумулировать высококалорийных триглицериды или углеводороды 7,8. Гидротермальный сжижение (HTL) является жизнеспособным и масштабируемым сотрудничествоnversion процесс , который использует воду естественным образом связанную с водорослевых или водных видов сырья 10,11. Это термохимический процесс с рабочей температурой 250-400 ° С и рабочем давлении 10-25 МПа, который производит жидкий продукт, или био-нефть, которая может быть модернизирована в топливной смеси на складе. Био-нефти, добываемой из HTL водорослей имеет различимые и легко отделяемых органической и водной фракции. Органическую фракцию био-нефть может быть эффективно преобразована в нефтеперерабатывающем готовой смеси на складе с помощью каталитических гидроочистки процессов 11. Водную фракцию био-нефть содержит ~ 30% от общего количества углерода, присутствующего в исходном сырье водорослевой. Хотя тысячи соединений были идентифицированы в водном потоке HTL, преобладающие фракции состоят из кислородсодержащих соединений с низкой молекулярной массой (в том числе кислоты, спирты, кетоны и альдегиды), образованные деградации углеводов и липидов, а также азота гетероциклов (в том числе пирролам, пиридины , пиразинэс и имидазолы) , полученные в результате разложения белка 12. Исследования в области использования водной фракции для улучшения общего состояния экономики процесса, а также устойчивости продолжаются. Синтез - газ может быть получен из водной фракции водорослей био-нефти через каталитический гидротермальной газификации 10,13, 14. В качестве альтернативы, органику в водной фракции могут также быть каталитически преобразован в присадках к топливу и специальных химических веществ. Исследования по оптимизации каталитических гидротермальной газификация и скрининговые исследования катализатора для превращения органических веществ в водной жидкой фазе в настоящее время ведется в северо-западной национальной лаборатории (PNNL Тихого океана). Для этой работы, качественной, а также количественной характеристики водной фракции водорослей био-нефти требуется. Так как водная фракция водорослей био-нефть считается поток отходов, существует очень мало исследований , которые проанализировали водную фракцию водорослей био-сырой 13,15. Кроме того, недавниеисследований был сделан вывод , что преобразование этой водоросли воды HTL в высокой стоимости биопродуктов бы повышению устойчивости, а также экономические показатели в HTL на основе био-НПЗ 11. Таким образом, это исследование было сосредоточено на разработке метода для качественной характеристики водной фракции био-нефти, полученной из HTL водорослей с помощью двухмерной газовой хроматографии в сочетании с временем пролета масс-спектрометрии (GC × GC-TOF-MS).
GC × GC-TOF-MS является наиболее перспективным хроматографический аналитический метод для увеличения разрешения (или разделение химических соединений в образце), пиковой мощности (т.е. число разрешенных пиков), отношение сигнал-шум (для идентификации химических соединений , с высокой степенью достоверности), и избежать совместного вымывание химических соединений 16. Для того, чтобы максимально увеличить разрешение, пиковой мощности и коэффициента шума сигнал, два GC колонны с различными неподвижных фаз соединены последовательно с помощью прессовой посадки Connector или микро-объединение 17 (см рисунок 1 , который представляет собой блок - схему GC × системы ГХ-TOF-MS , используемых в данном исследовании). Модулятор расположен между запрессовки соединителем и вторичные столбцы в ловушку, переориентировать, и последующей закачкой сточных водах из основной колонны во вторичную колонну 18. Модуляция происходит на вторичной колонке в настоящем исследовании , как показано на рисунке 1. Вторичный столбец затем соединяется с TOF-MS через узел передачи линии.
GC × GC-TOF-MS ранее использовался для качественного, а также количественного анализа органических образцов , таких как сырая нефть 16,19, бензин, авиатопливо, дизельное топливо, биодизель, и органической фракции биотоплива 20- 22 производится из термохимической, а также термо-каталитического преобразования процессов 23,24. Для характеристики этих органических образцов в GC × GC-TOF-MS инструментов, длинный неполярный колонки шИспользуемый в качестве основного столбца, в то время как короткая полярная колонна использовалась в качестве вторичного столбца. Эта обычная конфигурация колонки решает химические соединения , основанные на различиях в изменчивости по первому измерению, а затем полярности во втором измерении 18. Водные или водные образцы из биологических процессов, пищевой промышленности, а также экологических отходов также характеризовались использованием аналогичных конфигураций / вторичных столбцов первичных после того как образец прошел через подготовку шаги 17,25-30. Примеры методы подготовки , такие как дериватизации, твердофазной экстракции и экстракции органическим растворителем все были использованы до GC × анализа ГХ-TOF-MS 17,27-29,31,32. Эти методы направлены на уменьшение полярности соединений в образце для анализа с использованием обычной конфигурации колонки 33. Альтернативная стратегия была использована в данном исследовании, на основании характера пробы (здесь полярные органические соединения в воде)используя обратную конфигурацию первичных / вторичных колонки для GC × анализа GC-TOF-MS. Поскольку водной фракции био-нефть из HTL имеет полярные соединения 13, комбинация столбцом первичного полярного столбца и вторичного неполярной колонки использовали в GC × GC-TOF-MS без каких - либо выше по потоку подготовки образца. Эта первичная / вторичная комбинация колонки решает химические соединения, основанные на различиях в полярности более первого измерения, а затем волатильности во втором измерении. Ограниченные аналитические методы существуют в литературе для характеристики водных образцов с использованием двухмерной газовой хроматографии без обработки до образца 15.
Целью этого исследования было определить химические соединения, присутствующие в водной фракции водорослей био-нефть. Для достижения этой цели, а GC × метод сбора данных GC-TOF-MS была разработана с комбинацией столбцов полярной колонке (чопорнаяичных) × неполярный (вторичный). Klenn и др. (2015) предположил , что увеличение длины основного столба ( в особенности 60 - м GC колонки) и понижение температуры смещение вторичного столбца по отношению к первичной колонке максимизирующий пиковую мощность и разрешение 16-18. Таким образом, 60 м первичная колонна и 5 ° С температуры вторичной колонны со смещением относительно основного столбца были использованы в этом исследовании. Оптимальный период модуляции был определен следующий протокол, описанный в данном исследовании (см раздел 4). Оптимальная скорость рампа температуры колонки ГХ определяли с помощью метода проб и ошибок , и аналогично значению предложенных в литературе , 16-18. Для того, чтобы обсудить преимущества этой комбинации колонки для водных образцов, мы проанализировали образцы HTL водорослей воды с традиционной комбинацией столбцов неполярных × полярных. Рабочие параметры предложенных в литературе, были использованы для анализа Воднуюдоля водорослей био-нефть с неполярным × комбинации полярная колонке 18.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Подготовка образцов
- Сформировать смешанный водный / органический поток продукта через непрерывного HTL потока водорослей в соответствии с конструкцией реактора и экспериментальной методике , найденной в литературе 10,11.
- Используйте гравитационный сепаратор для разделения потока продукта на водную фазу и органическую фазу.
- Фильтр 10 мл водной фазы HTL с помощью шприца 0,45 мкм фильтр и хранить в холодильнике, поддерживаемой при температуре 4 ° С для GC × ГХ-TOF-MS.
2. Компоненты прибора
- С помощью газового хроматографа (GC), оснащенный четырехъядерным струйного двойной стадии охлаждения на основе модулятора и времени пролета (TOF) масс-спектрометр (MS) для этих экспериментов.
- Настройка автоматического пробоотборника, чтобы впрыснуть 1 мкл каждого образца или стандарта в ГХ. Используйте рандомизированный блок конструкцию образца и стандартных инъекций для последовательности автоматического пробоотборника , как описано в литературе 13. randomiзет дизайн блок обычно используется в количественных исследований для контроля работы прибора. Наша лаборатория использует конструкцию обычно даже в сравнительных исследованиях для проверки работы прибора.
- Подключите первичный и вторичный столбец с помощью разъема пресс-плотно до модулятора. Убедитесь в том, что оба края как первичных, так и вторичных колонн нарезаются под прямым углом без острых кромок перед подключением к разъему пресс-плотно.
- Поместите манжету на колонке GC, а затем подключить основную колонку к ГХ инжектора, так что 5 мм колонны находится внутри инжектора.
- Убедитесь в том, что стекло лайнер, антипригарное лайнер уплотнительное кольцо и перегородками для ГХ инжектора являются новыми и свободными от загрязнения.
- Используйте 1/16 х 0,5 мм наконечниками ID передаточная линия для подключения вторичного столбца и линию передачи. Поместите 0,2 м часть вторичного столбца с в линии передачи.
- Убедитесь, что часть вторичного колонны 0,1 м находится в модуляторе.
- Использование сверхвысокой чистоты гелиягаз в качестве газа - носителя для GC при скорости потока 1,5 мл мин - 1.
- Убедитесь, что имеется достаточно жидкий азот в сосуде Дьюара, который действует в качестве охлаждающей жидкости в модуляторе. Уровень жидкого азота в сосуд Дьюара можно предсказать с помощью манометра, прикрепленную к его выходу. A 69 кПа показание манометра указывает на то, что Дьюара заполнена, в то время как 0 кПа указывает на то, что он пуст.
3. Протоколы До анализа проб
- Убедитесь, что нет никаких серьезных утечек в приборе. Если показание вакуумметра в TOF-MS выше , чем 2,7 × 10 -5 Па в течение 1,5 мл мин -1 GC скорости потока колонка, это указывает на большую утечку в системе.
- Настройка метода контроля качества (КК) и запустить встроенный протокол «системой корректировок приобретения" для достижения максимального отклика сигнала с использованием протокола производителя.
- Запуск встроенной протоколов "оптимизации" приборного метода контроля качества, в серии - filamлор фокус, ионно-оптический фокус и массовые испытания калибровки с использованием протокола производителя. Убедитесь в том, что тест проходит масса калибровки. Этот метод контроля качества гарантирует, что все аппаратные параметры прибора находятся на оптимальном уровне.
- Выполните "утечку" проверку с использованием протокола производителя. Анализ автоматически генерирует отчет утечки проверки. Убедитесь , что относительная концентрация 28 (N 2), 32 (O 2) и 18 (влага) ионы должны быть ниже менее чем 10%, 3% и 5% от внутреннего стандарта масс - спектров ионов 69, соответственно.
- Настройте TOF-MS с использованием протокола производителя.
- Выполнить метод контроля качества, а также протокол мелодия TOF-MS до и после проверки на герметичность, а также при анализе образцов и стандартов.
4. Протокол для определения оптимальной модуляции Период модулятором
- Произвольно выбрать длительный период модуляции (например , 10 сек или 13 сек). Вводят образец, как описано в пункте 2.2.
- Увеличение периода модуляции , используемый на шаге 4.1 и выполнить анализ еще раз , если "обтекать" наблюдается 18. Обтекать явления происходит, если пики во втором измерении вымывается ниже базовой линии первой размерности. Пример контура участка для «опоясывающего» показан в дополнительной информации , на рисунке 3.
- Повторите шаги 4.2 и 4.3, пока оптимальное значение не определено.
5. Экспериментальные параметры инструмента набора параметров
- Установить полярную (60 м х 0,25 мм х мкм толщина пленки 0,5) капиллярная колонка в качестве основного столбца и неполярные (мкм толщина пленки 2,3 м х 0,25 мм х 0,5) CapillaRy столбец в качестве вторичного столбца. Выпекать как первичный и вторичный столбец, по крайней мере, 2 ч, чтобы удалить следовые количества влаги, воздуха и загрязняющих веществ, связанных с новыми колоннами GC.
- Использование сверхвысокого гелия чистоты газа в качестве газа - носителя для GC при скорости потока 1,5 мл мин - 1.
- Установите ГХ инжектор до температуры 260 ° С и соотношении разделенного 1: 250.
- Наймите следующую температурную программу для основного колонки: постоянная температура 40 ° С в течение 0,2 мин , за которым следует режим линейного изменения температуры до 260 ° C при 5 ° С мин -1, а затем при постоянной температуре 260 ° С в течение 5 мин.
- Поддержание модулятор температуры на 5 ° C выше, чем у вторичного столбца и вторичной температуры колонки при 5 ° C выше, чем у основного столбца.
- Используйте оптимальный период модуляции 4 сек 0,8 сек горячего импульса и 1,2 сек холодного импульса. Это значение определяется на основании протокола, описанного в сектеиона 4.
- Заданная температура линии передачи до 270 ° C.
- Установите задержку приобретения или задержку растворителя до 0 сек.
- Установите нижний и верхний диапазон т / г, как 35 и 800, соответственно.
- Установите частоту дискретизации детектора MS при 400 спектров / сек.
- Поддержание напряжения на детекторе MS при 150 V выше, чем оптимизированное значение.
- Поддержание температуры источника ионов MS при 225 ° С.
Анализ 6. Данные
- Выполните обработку данных с использованием программного обеспечения, поставляемого изготовителем прибора.
- Выберите следующие задачи в методе анализа данных - Compute базового уровня, найти пиков выше базовой линии, поиск библиотеки и расчета являются / высота.
- Отслеживание исходных условий через файл данных. Введите смещение базовой линии, как 0,5.
Введите ожидаемую ширину пика 15 сек в первом измерении и 0,15 сек во втором измерении. - Установить отношение сигнал-шум, как 5000 и подобия значения> 850 для идентификаторовфикация соединений.
- Выберите имеющийся в продаже масс-спектрометрический библиотеку для идентификации химических соединений, присутствующих в образцах и установите режим библиотеки поиска вперед.
- Обрабатывать файлы данных с помощью этого метода анализа данных с использованием протокола производителя. Это требует, по крайней мере, 1 час для обработки файла данных.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
В общей сложности ионная хроматограмма (TIC) , полученные для водной фракции водорослей био-сырой анализировали с помощью комбинации столбцов полярная × неполярный показан на рисунке 4. Время удерживания и подобия или фактора совпадают со значениями соединений , определенных с помощью функции поиска в отношении национальных институт стандартов и библиотеки (NIST) Technology приведены в таблице 1. наблюдались оксигенатов (такие как cyclopenatanone, furanic соединений и dianhydromannitol) и органических кислот ( в том числе уксусную кислоту, пропионовую кислоту , и бутановой кислоты) в HTL водорослями воде 34. Эти химические вещества могут быть образованы в результате разложения водорослей углеводной фракции во время HTL 13. В дополнение к кислородсодержащих соединений, водная фаза имеет азотсодержащие соединения (N-соединений), такие, как пиридин, пиразин, ацетамиды, сукцинимида и их алкильных производных. По-видимому, эти соединения являются продукты разложения защины в водорослевой 4,35 биомассы.
Пики высокой интенсивности, идентифицированные в контуре участка для водной фракции водорослей био-нефти были подтверждены путем анализа стандартов. Стандарты, содержащие органические кислоты и N-соединения были получены и проанализированы в GC × GC-TOF-MS. Общая ионная хроматограмма органических кислот стандартных и N-соединения стандартов показаны на рисунке 5. Время удерживания и значения подобия стандартов приведены в таблице 2 и соответствуют выявленным химических соединений в HTL водорослями воде. Колонка отбираемого наблюдалась для обоих стандартов и образцов при высоких температурах (> 250 ° С). Эта колонка кровоточить уже сообщалось ранее в литературе для полярных GC колонн 18. Диоксид углерода (СО 2) наблюдалась в HTL водорослей воды в то время как он не был замечен в стандартах (см рисунки 4 и 5). Это ИндиКейтс , что водная фракция водорослей био-нефть растворится CO 2, которые могут быть получены в ходе HTL водорослевых исходного сырья 11.
Водную фракцию водорослей био-нефть также анализировали с помощью обычной комбинации столбцов неполярных × полярными , который широко использовался в литературе 17. Общая ионная хроматограмма HTL водорослей воды из GC × анализа GC-TOF-MS с неполярным первичного разделения с последующим полярном вторичного разделения показано на рисунке 6. Как показано на рисунке 6, органические кислоты и N-соединений , присутствующих в водной фракции водорослей био-сырой элюата с более чем одним пиком. Уксусная кислота и другие органические кислоты вымывается в течение всего периода анализа, особенно в первом измерении. время удерживания и подобие / доверительные значения соединений, идентифицированных с помощью функции поиска с библиотекой NIST сведены в таблицу
Длительный период модуляции (см вторичную ось Рисунок 6) необходимо характеризовать водную фракцию водорослей био-сырья для неполярных × полярная конфигурации. Как ранее показано на рисунке 4, короткое время модуляции 4 сек было достаточно для characterizatioп HTL водорослей воды с использованием комбинации колонок полярных × неполярных. Так как короткое время модуляции рекомендуется для GC × ГХ анализа 16-18 , чтобы сохранить разделение полученной в первом измерении, это еще одно преимущество использования полярного × неполярный для характеристики HTL водорослей воды.
GC × GC-TOF-MS анализа водных водорослей био-нефть с конфигурацией полярная × неполярный колонке производит симметричную форму пиков, повышает пиковую мощность и высокое разрешение по сравнению с обычной конфигурации колонки неполярных × полярными. Следовательно, ГХ-анализ × GC-TOF-MS описана с использованием полярного × неполярный могут быть использованы для количественного определения химических соединений, присутствующих в водной фракции водорослей био-сырья без каких-либо методов подготовки образца.
Рисунок 1: Блок - схема последовательности операций GC × GC-TOF-MS используется в данном исследовании. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 2: Контур участок HTL водорослей водной фракции , полученной с использованием комбинации столбца полярная × неполярный для определения оптимального времени модуляции 10 секунд был выбран случайным образом .. Нет пиков не наблюдалось> 4 сек во втором измерении. Таким образом, 4 сек был идентифицирован как оптимальное время модуляции. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Figure 3:. Контур участок HTL водорослевого водной фракции , которая показывает "обтекать" явления оборачиваются вокруг явления происходит , если пики во втором измерении вымывается ниже базовой линии первой размерности. 3,5 м длины вторичной колонки использовали для получения этого контур участка. Этот участок был собран , чтобы четко объяснить обертку вокруг явлений. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 4: Контур участок HTL водорослей водной фракции , полученной с использованием комбинации колонок полярных × неполярных химических соединений были идентифицированы с использованием NIST библиотеку 2008.. Единицы первичной и вторичной оси являются секунды. Значения схожести определенных химических соединений , которые приведены в таблице 1. 1 → 1-гидрокси-2пропанона; 2 → 2-циклопентен-1-он, 2-метил; 3 → N, N - диметил ацетамид; 4 → 2-cyclopente-1-он, 3-метил; 5 → 2-циклопентен-1-он, 2,3-диметил; 6 → 3-пентеновую кислоту, 4-метил; 7 → 2-пирролидон, 1-метил; 8 → пропанамид; 9 → 1H-имидазола, 1-метил-4-нитро-; 10 → N -пропил сукцинимида; 11 → глицерином; 12 → 3-пиридинолТемпература; 13 → 2,5-пирролидиндиона; 14 → ацетамид, N - (2-фенилэтил); 15 → N - (2-гидроксиэтил) сукцинимид. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 5: (а) контурный график стандарта , содержащего уксусную кислоту, пропионовую кислоту , масл ную кислоту, и 2-бутанона с использованием колонки комбинации полярная × неполярный. (Б) контурный график стандартной , содержащей ацетон, этанол, пиридин, пиразин ацетамид, N -methylsuccinimide, сукцинимида, и N - (2-гидроксиэтил) сукцинимидом с использованием комбинации колонок полярных × неполярным. Значения подобия стандартов приведены в таблице 2. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рис . 6: Контур участок HTL водорослей водной фракции , полученной с использованием комбинации колонок неполярных × полярных Эта цифра показывает низкое разрешение легких органических веществ , органических кислот и N-соединений. Значения Сходство определенных химических соединений приведены в таблице 3.34fig6large.jpg "целевых =" _blank "> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
| имя | RT (сек) | сходство | |||
| Углекислый газ | 215, 1,64 | 999 | |||
| Ацетон | 347, 1,89 | 967 | |||
| 2-бутанон | 435, 2,12 | 965 | |||
| Спирт этиловый | 467, 1,75 | 949 | |||
| 2-пентанон | 539, 2,36 | 942 | 3-пентанон | 539, 2,41 | 940 |
| пиридин | 887, 2.11 | 967 | |||
| циклопентаноном | 903, 2,25 | 962 | |||
| Пиразин | 939, 1,99 | 945 | |||
| Пиридином, 2-метил- | 943, 2,28 | 950 | |||
| Пиразин, метил- | 1035, 2,16 | 964 | |||
| Пиридин, 3-метил- | 1087, 2,25 | 947 | |||
| 2-пропанол, 1-гидрокси- | 1107, 1,71 | 950 </ TD> | |||
| Пиразин, 2,5-диметил- | 1131, 2,35 | 950 | |||
| Пиразин, 2,6-диметил- | 1139, 2,33 | 953 | |||
| Пиразин, этил- | 1151, 2,34 | 954 | |||
| Пиразин, 2,3-диметил- | 1171, 2,32 | 963 | |||
| 2-циклопентен-1-он, 2-метил- | 1223, 2,19 | 960 | |||
| Пиразин, 2-этил-6-метил- | 1235, 2,54 | 926 | |||
| Пиразин, триметил- | 1263, 2,49 | 944 | |||
| N, N - диметил | 1275, 1,97 | 957 | |||
| Уксусная кислота | 1339, 1,53 | 963 | |||
| пиррола | 1443, 1,65 | 970 | |||
| пропановой кислоты | 1475, 1,55 | 953 | |||
| 2-циклопентен-1-он, 3-метил- | 1475, 2,04 | 956 | |||
| 2-циклопентен-1-он, 2,3-диметил- | 1503, 2,22 | 884 | |||
| Пропановой кислоты, 2-метил- | 1515, 1,58 | 929 | |||
| 3-пентеновая кислота, 4-метил- | 1583, 1,95 | 897 | |||
| Ацетамид, N - этил | 1603, 1,71 | 950 | |||
| бутановая кислота | 1607, 1,58 | 941 | |||
| Ацетамид, N - метил- | 1615, 1,63 | 963 | |||
| Пропанамид, N - метил - | 1663, 1,70 | 956 | |||
| Бутановая кислота, 3-метил- | 1667, 1,60 | 928 | |||
| 2-пирролидон, 1-метил- | 1703, 1,96 | 936 | |||
| 3,4-Dimethyldihydrofuran-2,5-дион | 1759, 2,05 | 719 | </ TR>|||
| ацетамид | 1783, 1,53 | 976 | |||
| 1,2-Cyclopentanedione | 1819, 1,67 | 888 | |||
| пропанамид | 1847, 1,57 | 870 | |||
| 1H-имидазол, 1-метил-4-нитро- | 1883, 1,88 | 671 | |||
| 2,5-пирролидиндиона, 1-этил- | 1975, 1,85 | 936 | |||
| Пиперидин-2,5-дион | 1975, 1,98 | +798 | |||
| 2,5-пирролидиндиона, 1-метил- | 2011, 1,76 | 960 | |||
| 2075, 1,92 | 861 | ||||
| 2-пирролидон | 2175, 1,65 | 976 | |||
| 2-пиперидинон | 2295, 1,73 | 959 | |||
| Dianhydromannitol | 2419, 1,70 | 944 | |||
| Глицерин | 2463, 1,47 | 888 | |||
| 3-пиридинолТемпература | 2586, 1,50 | 921 | |||
| 2,5-пирролидиндиона | 2646, 1,50 | 923 | |||
| N - [2-гидроксиэтил] сукцинимид | 2902, 1,69 | 941 |
| имя | RT (сек) | сходство |
| Ацетон | 347, 1,89 | 952 |
| 2-бутанон | 435, 2,12 | 934 |
| Спирт этиловый | 467, 1,76 | 952 |
| пиридин | 887, 2.10 | 947 |
| Пиразин | 939, 1,99 | 928 |
| Уксусная кислота | 1339, 1,53 | 981 |
| пропановой кислоты | 1471, 1,56 | 948 |
| бутановая кислота | 1603, 1,59 | 935 |
| ацетамид | 1783, 1,54 | 961 |
| 2011, 1,76 | 957 | |
| 2,5-пирролидиндиона | 2642, 1,52 | 940 |
| N - [2-гидроксиэтил] сукцинимид | 2902, 1,71 | 935 |
Таблица 2: время удерживания и подобия значения стандартов проанализированы с использованием полярных × неполярный. Соединения были идентифицированы с использованием библиотеки NIST 2008. Шкала значений подобия является 0-999. Более высокие значения подобия соответствуют более точное соответствие спектров, полученных для стандарта в том, что для соединения в базе данных NIST. RT представляет собой время удерживания химических соединений (первичный, вторичный).
| имя | RT (ы) | сходство |
| Карбаминовой кислоты, соль моноаммония | 234, 0.521 | 999 |
| Карбаминовой кислоты, соль моноаммония | 234, 0,653 | 981 |
| триметиламин | 243, 0.540 | 922 |
| Ацетон | 243, 0,648 | 927 |
| диметиловый эфир | 243, 0.720 | 932 |
| диметиламина | 252, 0,578 | 925 |
| 2-бутанон | 261, 0,684 | 933 |
| Уксусная кислота | 261, 3,139 | 963 |
| Метантиол | 306, 0.550 | 924 |
| Пиразин | 333, 1,157 | 949 |
| пиридин | 342, 1,063 | 950 |
| циклопентаноном | 378, 1,032 | 944 |
| Пиразин, метил- | 405, 1,217 | 954 |
| Ацетамид, N - метил- | 414, 4,850 | 887 |
| 2-циклопентен-1-он, 2-метил- | 504, 1,409 | 951 |
| Пиразин, 2,5-диметил- | 513, 1,207 | 919 |
| Пиразин, 2,3-диметил- | 522, 1,265 | 905 |
| 2,5-пирролидиндиона, 1-метил- | 801, 4.178 | 955 |
| Хинуклидин-3-ола | 828, 2.750 | 680 |
| 2,5-пирролидиндиона, 1-этил- | 873, 3,058 | 889 |
| 2-пиперидинон | 954, 5,474 | 954 | Капролактам | 963, 2,458 | 746 |
| N - [2-гидроксиэтил] сукцинимид | 1089, 2,429 | +857 |
| N - [2-гидроксиэтил] сукцинимид | 1260, 2.278 | 814 |
| 1-фенетил-пирролидин-2,4-дион | 1791, 3,742 | 788 |
| 5,10-диэтокси-2,3,7,8-тетрагидро-1H, 6H-dipyrrolo [1,2-а; 1 ', 2'-d] пиразин | 2016, 4,608 | 787 |
Таблица 3: Значения подобия и время удерживания химических соединений , определенных в HTL водорослями воде с использованием комбинации колонок неполярных5; полярная. Соединения были идентифицированы с использованием библиотеки NIST 2008. Шкала значений подобия 0-999. Более высокие значения подобия соответствуют более точное соответствие спектров, полученных для образца, что для соединения в базе данных NIST. RT представляет собой время удерживания химических соединений (первичный, вторичный).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Результаты четко иллюстрируют способность комбинации столбцов полярная × неполярный разрешить полярные соединения и легкие летучие вещества, присутствующие в водной фракции водорослей био-сырья без методов подготовки до образца. Радикальное пик хвостохранилище наблюдался для органических кислот и N-соединений, в то время как с использованием × полярную сочетание неполярный колонки. Этот пик хвостохранилище не наблюдалось в течение первых элюирующих легких органики. Это поведение было воспроизводимым при проверке прибора свободна от утечек (вакуум в TOF-MS была ниже 2,7 × 10 -5 Па для скорости потока газа - носителя ГХ 1,5 мл мин -1). Можно было бы ожидать, что если есть проблема с мертвого объема в пресс-плотный разъем или если скорость потока холодной струи будет чрезмерным, что поведение будет наблюдаться через хроматограмме. Тем не менее, даже поздние при элюировании соединения (не идентифицированные на рисунке) не хвост. Таким образом, мы приходим к выводу, что это результат AqueOUs впрыска образца / сочетание конфигурации колонки.
Коэффициент распределения является объем образца ввода столбца в зависимости от количества потерянной к потоку разделения. Чем выше Разделенном соотношение, тем меньше количество образца, введенную на колонку. Как правило, это производит более эффективные пики, которые позволят повысить пиковую мощность. Определение правильного отношения разделения для образцов может предотвратить проблемы от перегрузки колонки (отношение разделения слишком низко) или проблемы с обнаружением соединения (отношение разделенного слишком высоко). Таким образом, раскол соотношении 1: 250 был использован в GC × методы сбора данных ГХ-TOF-MS для обеих комбинаций столбцов, чтобы предотвратить колонке нагрузки, а также для повышения пиковой пропускной способности.
Значения подобия для химических соединений, определенных в диапазоне 850-999. Это указывает на то, что химические соединения идентифицированы с более чем 85% доверительным интервалом. Это было достигнуто с помощью скорости поступлени MS 400 Спектра / секунду в GC × GC211; TOF-MS методов сбора данных. A / вторая скорость сбора данных 400 спектров улучшает отношение сигнал-шум пиков , что увеличивает значения схожести определенных химических соединений 17. Более высокие значения подобия позволяют идентифицировать химические соединения с высокой степенью достоверности. Тем не менее, это высокие результаты скорости сбора данных MS в течение длительного времени данных анализа. Поэтому, рекомендуется использовать 200 Спектра / сек MS скорость сбора для количественного определения этих образцов, что уменьшает время проведения анализа данных.
ГХ × метод сбора данных ГХ-TOF-MS разработан для определения характеристик водной водорослей био сырую нефть с полярным × неполярный может быть дополнительно улучшена за счет увеличения длины средней колонке. За счет увеличения длины средней колонке, разрешающая способность может быть улучшена во втором измерении , которое обеспечивает разделение изомеров , присутствующих в образце 16,17. Пиковая мощность может также быть дополнительно улучшены с увеличениемдлина средней колонны. HTL водорослей воды , характеризующиеся в этой статье, разбавленного 11 (содержат приблизительно 3% мас общего углерода) и может не требовать больше вторичного столбца. Тем не менее, эта рекомендация может быть полезным во время определения характеристик сложных и концентрированных водных образцов.
Так как максимальная программируемая температура полярной колонны составляет 260 ° С, этот метод не может элюции высокой температурой кипения химических соединений , таких как жирные кислоты с длинной цепью, моноглицеридов, диглицеридов, триглицеридов и олигомеров аминокислот, а также сахара , 16. Образцы, содержащие эти соединения, при анализе, могут загрязнить ГХ инжектора и колонки. Заражение ГХ инжектора и колонн приводит к пику хвостохранилищ, изменение времени удерживания химических соединений, а также высокий уровень шума или низкое отношение сигнал-шум детектора MS, которые являются нежелательными для качественного, а также количественной характеристики. Следовательно, когда utilizinг в этой колонке комбинация для анализа водных проб, содержащих с высокой температурой кипения химических соединений аналитики должны использовать соответствующие методы контроля качества.
Химические соединения, идентифицированные в водной фракции водорослей био нефти имеют широкий спектр применений. Пиридин, пиразина и их алкильные производные являются промежуточными химикаты для производства агрохимикатов, наркотики 36,37, и широко используются в качестве растворителей в гомогенном катализе 38,39. Аналогичным образом , производные сукцинимида также имеют широкий спектр применений , включая полимерные промежуточные продукты , моющие средства 40, клинических препаратов 41,42, топливных присадок и присадки к смазочным маслам 40. Органические кислоты , присутствующие в HTL водоросли воды могут быть использованы в качестве сырья в каталитических процессах с образованием кетонов или сложных эфиров для легкого отделения от водной фазы 43.
ГХ × методом ГХ-TOF-MS разработан для гое колонки сочетание полярных × неполярных в данной работе, могут быть также использованы для анализа пробы воды из биологического процесса, переработки пищевых продуктов, а также окружающей среды отходами. Исследователи использовали эту комбинацию столбцов для характеристики органических образцов 44-47. Сообщается , что эта комбинация колонки лучше всего подходит для эффективного разделения различных классов углеводородов - алифатических, ароматических соединений, алкилбензолов и двуядерных ароматических соединений 44-46. Таким образом, с использованием полярного разделения для первого измерения разделения и неполярные для второго аспекта разделения бы подходящие конфигурации колонок для определения характеристик как водных, а также органическую фракцию био-нефти, добываемой из гидротермального разжижению биомассы.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
Эта рукопись была автором Battelle Memorial Institute по договору № DE-AC05-76RL01830 с Департаментом энергетики США. Правительство США сохраняет и издатель, приняв статью для публикации, признает, что правительство США сохраняет за собой неисключительное, оплаченный, безотзывное, всемирную лицензию публиковать или воспроизводить опубликованную форму этой рукописи, или позволить другим делать таким образом, для целей правительства США.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| GC × GC–TOF/MS | Leco | PEG4D11DLN15 | Commercial Pegasus 4D |
| ChromaTOF version 4.50 | Leco | Data analysis software | |
| Rxi-5MS GC column | Restek | 13420 | 2.3 m column was used from this column. |
| Stabilwax GC column | Restek | 10626 | |
| HP-5 GC column | Agilent | 19091J-416 | |
| Stabilwax GC column | Restek | 15121 | |
| Presstight Connector | Restek | 20430 | |
| GC injector liner | Restek | 23305.5 | |
| GC Injector ferrules | Agilent | 5181-3323 | |
| Non-stick liner O-rings | Agilent | 5188-5365 | |
| Transfer line ferrules | Restek | 20212 | |
| Ethanol | Sigma-Aldrich | 459844 | Chromatography grade |
| Acetone | Sigma-Aldrich | 414689 | Chromatography grade |
| Acetic acid | Sigma-Aldrich | 320099 | Chromatography grade |
| 2-butanone | Sigma-Aldrich | 360473 | Chromatography grade |
| Propanoic acid | Sigma-Aldrich | 402907 | Chromatography grade |
| Butanoic acid | Sigma-Aldrich | 19215 | Chromatography grade |
| Pyridine | Sigma-Aldrich | 270970 | Chromatography grade |
| Pyrazine | Sigma-Aldrich | 65693 | Chromatography grade |
| Acetamide | Sigma-Aldrich | 695122 | Chromatography grade |
| 2,5-pyrrolididione | Sigma-Aldrich | S9381 | Chromatography grade |
| N-methylsuccinimide | Sigma-Aldrich | 325384 | Chromatography grade |
| N-(2-hydroxyethyl)succinimide | Sigma-Aldrich | 444073 | Chromatography grade |
References
- Huber, G. W., Iborra, S., Corma, A. Synthesis of Transportation Fuels from Biomass: Chemistry, Catalysts, and Engineering. Chem. Rev. 106, 4044-4098 (2006).
- Mata, T. M., Martins, A. A., Caetano, N. S. Microalgae for biodiesel production and other applications: A review. Renew. Sustain. Energy Rev. 14, 217-232 (2010).
- Vispute, T. P., Zhang, H., Sanna, A., Xiao, R., Huber, G. W. Renewable Chemical Commodity Feedstocks from Integrated Catalytic Processing of Pyrolysis Oils. Science. 330, 1222-1227 (2010).
- Maddi, B., Viamajala, S., Varanasi, S. Comparative study of pyrolysis of algal biomass from natural lake blooms with lignocellulosic biomass. Bioresour. Technol. 102, 11018-11026 (2011).
- Kim, S., Dale, B. E. Global potential bioethanol production from wasted crops and crop residues. Biomass Bioenergy. 26, 361-375 (2004).
- von Blottnitz, H., Curran, M. A. A review of assessments conducted on bio-ethanol as a transportation fuel from a net energy, greenhouse gas, and environmental life cycle perspective. J. Clean. Prod. 15, 607-619 (2007).
- Hu, Q., et al. Microalgal triacylglycerols as feedstocks for biofuel production: perspectives and advances. Plant J. 54, 621-639 (2008).
- Georgianna, D. R., Mayfield, S. P. Exploiting diversity and synthetic biology for the production of algal biofuels. Nature. 488, 329-335 (2012).
- Amaro, H. M., Guedes, A. C., Malcata, F. X. Advances and perspectives in using microalgae to produce biodiesel. Appl. Energy. 88, 3402-3410 (2011).
- Elliott, D. C., Biller, P., Ross, A. B., Schmidt, A. J., Jones, S. B. Hydrothermal liquefaction of biomass: Developments from batch to continuous process. Bioresour. Technol. 178, 147-156 (2015).
- Elliott, D. C., et al. Process development for hydrothermal liquefaction of algae feedstocks in a continuous-flow reactor. Algal Res. 2, 445-454 (2013).
- Sudasinghe, N., et al. High resolution FT-ICR mass spectral analysis of bio-oil and residual water soluble organics produced by hydrothermal liquefaction of the marine microalga Nannochloropsis salina. Fuel. 119, 47-56 (2014).
- Panisko, E., Wietsma, T., Lemmon, T., Albrecht, K., Howe, D. Characterization of the aqueous fractions from hydrotreatment and hydrothermal liquefaction of lignocellulosic feedstocks. Biomass Bioenergy. 74, 162-171 (2015).
- Onwudili, J. A., Lea-Langton, A. R., Ross, A. B., Williams, P. T. Catalytic hydrothermal gasification of algae for hydrogen production: Composition of reaction products and potential for nutrient recycling. Bioresour. Technol. 127, 72-80 (2013).
- Villadsen, S. R., et al. Development and Application of Chemical Analysis Methods for Investigation of Bio-Oils and Aqueous Phase from Hydrothermal Liquefaction of Biomass. Energy Fuels. 26, 6988-6998 (2012).
- Klee, M. S., Cochran, J., Merrick, M., Blumberg, L. M. Evaluation of conditions of comprehensive two-dimensional gas chromatography that yield a near-theoretical maximum in peak capacity gain. J. Chromatogr. A. 1383, 151-159 (2015).
- Seeley, J. V., Seeley, S. K. Multidimensional Gas Chromatography: Fundamental Advances and New Applications. Anal. Chem. 85, 557-578 (2013).
- Mostafa, A., Edwards, M., Gòrecki, T. Optimization aspects of comprehensive two-dimensional gas chromatography. J. Chromatogr. A. 1255, 38-55 (2012).
- Zhu, S., et al. A simple model for separation prediction of comprehensive two-dimensional gas chromatography and its applications in petroleum analysis. Anal. Methods. 6, 2608-2620 (2014).
- Almeida, T. M., et al. Preliminary Studies of Bio-oil from Fast Pyrolysis of Coconut Fibers. J. Agric. Food Chem. 61, 6812-6821 (2013).
- Rathsack, P., et al. Analysis of pyrolysis liquids from scrap tires using comprehensive gas chromatography-mass spectrometry and unsupervised learning. J. Anal. Appl. Pyrolysis. 109, 234-243 (2014).
- Tessarolo, N. S., et al. Assessing the chemical composition of bio-oils using FT-ICR mass spectrometry and comprehensive two-dimensional gas chromatography with time-of-flight mass spectrometry. Microchem. J. 117, 68-76 (2014).
- Djokic, M. R., Dijkmans, T., Yildiz, G., Prins, W., Van Geem, K. M. Quantitative analysis of crude and stabilized bio-oils by comprehensive two-dimensional gas-chromatography. J. Chromatogr. A. 1257, 131-140 (2012).
- Vendeuvre, C., Ruiz-Guerrero, R., Bertoncini, F., Duval, L., Thiebaut, D. Comprehensive two-dimensional gas chromatography for detailed characterisation of petroleum products. Oil Gas Sci. Technol. 62, 43-55 (2007).
- Guo, Q., et al. Comprehensive two-dimensional gas chromatography with time-of-flight mass spectrometry for the screening of potent swampy/septic odor-causing compounds in two drinking water sources in China. Anal. Methods. 7, 2458-2468 (2015).
- Ma, H., et al. Analysis of human breath samples of lung cancer patients and healthy controls with solid-phase microextraction (SPME) and flow-modulated comprehensive two-dimensional gas chromatography (GC [times] GC). Anal. Methods. 6, 6841-6849 (2014).
- Lamani, X., Horst, S., Zimmermann, T., Schmidt, T. Determination of aromatic amines in human urine using comprehensive multi-dimensional gas chromatography mass spectrometry (GCxGC-qMS). Anal. and Bioanal. Chem. 407, 241-252 (2015).
- Skoczynska, E., Leonards, P., de Boer, J. Identification and quantification of methylated PAHs in sediment by two-dimensional gas chromatography/mass spectrometry. Anal. Methods. 5, 213-218 (2013).
- Tobiszewski, M., Bigus, P., Namiesnik, J. Determination of parent and methylated polycyclic aromatic hydrocarbons in water samples by dispersive liquid-liquid microextraction-two dimensional gas chromatography-time-of-flight mass spectrometry. Anal. Methods. 6, 6678-6687 (2014).
- Freitas, L. S., et al. Analysis of organic compounds of water-in-crude oil emulsions separated by microwave heating using comprehensive two-dimensional gas chromatography and time-of-flight mass spectrometry. J. Chromatogr. A. 1216, 2860-2865 (2009).
- Gunatilake, S. R., Clark, T. L., Rodriguez, J. M., Mlsna, T. E. Determination of five estrogens in wastewater using a comprehensive two-dimensional gas chromatograph. Anal. Methods. 6, 5652-5658 (2014).
- Ljungkvist, G., Larstad, M., Mathiasson, L. Determination of low concentrations of benzene in urine using multi-dimensional gas chromatography. Analyst. 126, 41-45 (2001).
- Schummer, C., Delhomme, O., Appenzeller, B. M. R., Wennig, R., Millet, M. Comparison of MTBSTFA and BSTFA in derivatization reactions of polar compounds prior to GC/MS analysis. Talanta. 77, 1473-1482 (2009).
- Yang, H. P., Yan, R., Chen, H. P., Lee, D. H., Zheng, C. G. Characteristics of hemicellulose, cellulose and lignin pyrolysis. Fuel. 86, 1781-1788 (2007).
- Du, Z., et al. Microwave-assisted pyrolysis of microalgae for biofuel production. Bioresour. Technol. 102, 4890-4896 (2011).
- Scriven, E. F. V., Murugan, R. in Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. , John Wiley & Sons, Inc. (2000).
- Higashio, Y., Shoji, T. Heterocyclic compounds such as pyrrole, pyridines, pyrrolidine, piperidine, indole, imidazol and pyrazines. Appl. Catal. A: Gen. 260, 251-259 (2004).
- Ndaji, F. E., Thomas, K. M. The kinetics of coal solvent swelling using pyridine as solvent. Fuel. 72, 1525-1530 (1993).
- Fillon, H., Gosmini, C., Nédélec, J. -Y., Périchon, J. Electrosynthesis of functionalized organodizinc compounds from aromatic dihalides via a cobalt catalysis in acetonitrile/pyridine as solvent. Tetrahedron Lett. 42, 3843-3846 (2001).
- Silin, M. A., Ivanova, L. V., Burov, E. A., Koshelev, V. N., Bordubanova, E. G. Synthesis and testing of polyalkenyl succinimides as components of detergent additives for motor fuels. Pet. Chem. 52, 272-277 (2012).
- Bialer, M. Chemical properties of antiepileptic drugs (AEDs). Adv. Drug Deliv. Rev. 64, 887-895 (2012).
- Bellina, F., Rossi, R. Synthesis and biological activity of pyrrole, pyrroline and pyrrolidine derivatives with two aryl groups on adjacent positions. Tetrahedron. 62, 7213-7256 (2006).
- Snell, R. W., Shanks, B. H. CeMOx-Promoted Ketonization of Biomass-Derived Carboxylic Acids in the Condensed Phase. ACS Catal. 4, 512-518 (2014).
- Manzano, C., Hoh, E., Simonich, S. L. M. Improved Separation of Complex Polycyclic Aromatic Hydrocarbon Mixtures Using Novel Column Combinations in GC × GC/ToF-MS. Environ. Sci. Technol. 46, 7677-7684 (2012).
- van der Westhuizen, R., et al. Comprehensive two-dimensional gas chromatography for the analysis of synthetic and crude-derived jet fuels. J. Chromatogr. A. 1218, 4478-4486 (2011).
- Omais, B., et al. Investigating comprehensive two-dimensional gas chromatography conditions to optimize the separation of oxygenated compounds in a direct coal liquefaction middle distillate. J. Chromatogr. A. 1218, 3233-3240 (2011).
- Wildschut, J., Mahfud, F. H., Venderbosch, R. H., Heeres, H. J. Hydrotreatment of Fast Pyrolysis Oil Using Heterogeneous Noble-Metal Catalysts. Ind. Eng. Chem. Res. 48, 10324-10334 (2009).
Tags
Биоинженерии выпуск 109 Био-сырой био-масло биотопливо водный продукт гидротермальный сжижение микроводоросли биомасса водной биомассы GC × GC - TOF-MS каталитический быстрый пиролиз пиридин пиразин органические кислоты сукцинимид , View Video
Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.
