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Bioengineering

飛行時間型質量分析法と2Dガスクロマトグラフィーを用いて藻類の水熱液化からの水性画分の質的特性評価

Published: March 6, 2016 doi: 10.3791/53634
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1Chemical & Biological Process Development, Pacific Northwest National Laboratory

Abstract

飛行時間型質量分析と結合した二次元ガスクロマトグラフィーは、複雑な混合物中の化学成分を同定および定量化するための強力なツールです。多くの場合、ガソリン、ジェット燃料、ディーゼル、バイオディーゼル、バイオ原油/バイオオイルの有機画分を分析するために使用されます。これらの分析のほとんどでは、分離の最初の次元は、極性の分離に続いて、非極性です。バイオ燃料の生産からバイオ原油と他の水性サンプルの水性画分を同様のカラムの組み合わせで検討されています。しかしながら、このような誘導体化、溶媒抽出、固相抽出などの試料調製技術が必要でした 分析前に。この研究では、藻類の熱水液化から得られた水性画分を、続いて第一の次元での極性分離を用いた従来の試料調製技術なしで飛行時間型質量分析計と結合した二次元ガスクロマトグラフィーによって特徴付けられました第二の非極性分離による。この分析からの二次元プロットは、より伝統的なカラム構成から得られたものと比較しました。藻類バイオ原油の水性画分の定性的な特性評価の結果を詳細に議論されています。飛行時間型質量分析と結合した二次元ガスクロマトグラフィーによる水性試料中の有機物の特性評価のための非極性の分離に続いて、極性分離を使用することの利点が強調されています。

Introduction

液体燃料の需要の着実な成長、有限の化石燃料資源、化石燃料供給の不確実性、および大気中の温室効果ガスの濃度の増加に対する懸念は、再生可能な資源1のグローバル意識が高まっています。 （太陽光発電と太陽熱を含む）、太陽エネルギー、風力エネルギー、水力、地熱、バイオマスは、潜在的に、化石由来のエネルギー2を置き換えることができ、一次再生可能なエネルギー源です。これらの中で、バイオマスは、液体輸送燃料及び高価値の化学物質3の製造のための唯一の炭素ベースの代替エネルギー資源です。バイオマスは、森林資源、農業残渣、藻類、油糧種子、都市固形廃棄物、および炭素に富んだ産業廃棄物として任意の有機材料を含む（ 例えば 、紙パルプ産業から、または食品加工から）1。 COMに基づいて、リグノセルロース及び非木質原料：バイオマスは2つのカテゴリに分類され、位置特性。非木質原料は、タンパク質、炭水化物および脂質/油4を持っていながら、リグノセルロース系バイオマスは、炭水化物及びリグニンから構成されています。持続可能な栽培と5,6を収穫している場合陸生植物由来リグノセルロース原料は、唯一の現在の液体燃料（ガソリン、ジェット燃料、およびディーゼル）需要の30％を満たすことができます。したがって、このような微細藻類および真菌のような非木質水生微生物は、リグノセルロース資源を補完するために再生可能な液体燃料の生産のための潜在的な原料と考えられています。

微細藻類原料は、現在の液体輸送燃料は7,8を要求満足させる可能性を秘めています。高面積生産性8、低品質、汽水、または海水9で増殖する能力、およびエネルギー密度の高いトリグリセリドまたは炭化水素7,8を蓄積する能力：藻類は多くの利点を持っています。水熱液化（HTL）が実行可能でスケーラブル共同で自然に藻類や水生原料10,11に関連した水を利用してnバージョンのプロセス。これは、燃料ブレンドストック中にアップグレードすることができ、液体製品、またはバイオの粗を生成し、10から25 MPaでの250から400°Cと動作圧力の作動温度で熱化学プロセスです。バイオの粗藻類のHTLから生産は、区別可能と容易に分離有機層と水画分を持っています。バイオ原油の有機画分を効率的に触媒水素化処理プロセス11を介して、製油所レディブレンド株式に転換することができます。バイオ原油の水性画分は〜藻類原料中の全炭素存在の30％が含まれています。数千の化合物は、HTL水流中で同定されているが、主な画分ピロールなどの炭水化物および脂質の分解により形成され、そして窒素複素環（ピリジン（酸、アルコール、ケトン、およびアルデヒドを含む）、低分子量の含酸素化合物から構成され、ピラジンタンパク質分解12由来のES、およびイミダゾール）。全体的なプロセスの経済性を向上させるために水性画分を利用するだけでなく、持続可能性に関する研究が進行中です。合成ガスは、触媒の水熱ガス化10,13、14を介して藻類バイオ原油の水性画分から製造することができます。また、水性画分中の有機物はまた、触媒燃料添加剤と特殊化学品に変換することができます。水性液相中の有機物の変換のための触媒水熱ガス化と触媒スクリーニング研究の最適化に関する研究は、パシフィック・ノースウェスト国立研究所（PNNL）で現在進行中です。この作品、定性的なだけでなく、藻類のバイオ原油の水性画分の定量的な特徴づけのために必要とされます。藻類バイオ原油の水性画分は廃棄物の流れを考えているので、藻類バイオの粗13,15の水性画分を分析した研究はほとんどあります。また、最近の研究では、高付加価値バイオ製品にこのHTL藻水を変換すると、HTLベースのバイオ精製所11の持続可能性だけでなく、経済性を改善するだろうと結論付けました。したがって、この研究は、飛行時間型質量分析（GC-TOF-MS×GC）に結合された二次元ガスクロマトグラフィーによって藻類のHTLから得られた生体粗製の水性画分の定性的特性解析のための方法の開発に焦点を当てました。

GC-TOF-MSは、化合物の同定のための解像度（またはサンプル中の化学化合物の分離）を増加させるための最も有望なクロマトグラフ分析技術、ピーク容量（分解されたピークの、すなわち数）、信号対雑音比である（×GC ）高い信頼度で、化学化合物16の共溶出を回避します。解像度、ピーク容量、及びノイズ信号の比を最大にするために、異なる固定相を有する2つのGCカラムは圧入Cを用いて直列に接続されていますonnectorまたはマイクロユニオン17（本研究で用いたGC-TOF-MSシステム×GCのブロック図である図1を参照）。変調器は再フォーカス、トラップにプレスフィットコネクタと二列の間に位置しており、二次コラム18に第1カラムからの流出物を再注入されます。 図1に示すように、変調は、本研究では二列に起こる。二カラムを次に移送ラインアセンブリを介してTOF-MSに接続されています。

GC-TOF-MS×GCは、原油16,19、ガソリン、ジェット燃料、ディーゼル、バイオディーゼル、バイオ燃料の有機画分として定性的並びに有機試料の定量分析のために以前に使用されました20-熱化学だけでなく、熱触媒変換から生成された22は 23,24を処理します 。 GC-TOF-MS機器、長い​​非極性カラムワット×GCでこれらの有機サンプルの特徴づけのための短い極性カラムは、二列として使用しながら、一次カラムとして使用されます。この従来のカラム構成は、第二次元18で極性が続く最初の次元を超えるボラティリティの差を利用する化学化合物を解決します。準備が17,25-30ステップを通して試料があった後、水または水サンプルの生物学的プロセスから、食品加工、及び環境廃棄物も、同様のプライマリ/セカンダリ列構成を使用して特徴づけました。そのような誘導体化、固相抽出、及び有機溶媒抽出などのサンプル調製技術は、すべてのGC-TOF-MS分析17,27-29,31,32×GCに先立って使用されてきました。これらの技術は、従来のカラム構成33を使用して、分析のために試料中の化合物の極性が減少することを目的としました。代替戦略は、試料の性質に基づいて、本研究で使用した（水中ここで、極性有機化合物）GC-TOF-MS分析×GCのリバースプライマリ/セカンダリカラム構成を利用します。バイオ原油HTLから製造の水性画分ので、極性化合物13を有し、一次極性カラムと第二非極性カラムのカラムの組み合わせは、任意の上流の試料調製なしGC-TOF-MS×GCで使用しました。このプライマリ/セカンダリ列の組み合わせは、二次元の変動が続く最初の次元を超える極性の差に基づいて化学物質を、解決します。制限された分析方法は、前のサンプル処理15することなく、二次元ガスクロマトグラフィーを用いて、水性試料の特徴付けのために、文献中に存在します。

本研究の目的は、藻類バイオ原油の水性画分中に存在する化学化合物を決定することでした。この目的を達成するために、GC-TOF-MSデータ取得方法×GCは、極性の列の列の組み合わせを用いて開発された（プリム進））、非極性（二×。 Klenn ら 。 （2015）は、プライマリ列に対して、第1カラム（特に60メートルGCカラム）と二列のオフセット温度を下げるの長さを増加させると、ピークキャパシティと解像度16-18を最大化することを示唆しました。したがって60 m個のプライマリカラムと5°Cは、本研究で使用した主要なカラムに対して二カラムの温度をオフセット。最適変調周期は、この研究に記載されているプロトコル（セクション4を参照）に従って決定しました。 GCカラム温度の最適ランプ速度は、試行錯誤法によって決定され、文献16〜18に提案された値と同様であるしました。水性サンプルのため、この列の組み合わせの利点を議論するために、我々は、極性、非極性×の従来のカラムの組み合わせでHTL藻類の水試料を分析しました。文献で提案動作パラメータは、水性を分析するために使用しました非極性×極性カラムの組み合わせ18と藻類バイオ原油の分数。

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Protocol

1.試料の調製

  1. 文献10,11に見られる反応器の設計および実験手順に従って、藻類の連続流HTLを経由して混合水溶液/有機生成物の流れを生成します。
  2. 水相と有機相に生成物ストリームを分離するために、重力分離器を使用してください。
  3. GC-TOF-MS分析×GCのために4℃に維持冷蔵庫に0.45μmのシリンジフィルターとストアを使用してHTL水相を10mlのフィルタ。

2.機器のコンポーネント

  1. これらの実験のためのクワッドジェットデュアルステージ冷却系モジュレーター及び飛行時間型（TOF）質量分析計（MS）を備えたガスクロマトグラフ（GC）を使用します。
  2. GCに各サンプルまたは標準の1μLを注入するオートサンプラーを設定します。文献13に記載されているように、オートサンプラのシーケンスのためのサンプルおよび標準注射の無作為化ブロックデザインを使用してください。 randomiZEDブロックの設計は、一般的に機器の動作を制御するために定量的な研究で使用されています。私たちの研究室では、機器の動作を確認することも比較試験において日常的なデザインを採用しています。
  3. 変調器の前にプレスタイトコネクタを使用して、プライマリとセカンダリ列を接続します。プライマリとセカンダリの両方の列の両端をプレスタイトコネクタに接続する前に、シャープなエッジずにまっすぐにカットされていることを確認してください。
  4. GCカラムにフェルールを配置し、その列の5ミリメートルは、インジェクタの内部にあるように、GCインジェクタにプライマリ列を接続します。
  5. GCインジェクタのため、ガラスライナー、ノンスティックライナOリング、セプタムが新しいと汚染の自由であることを確認してください。
  6. 二列および移送ラインを接続するために1月16日×0.5ミリメートルID移送ラインのフェルールを使用してください。移送ラインに二列の0.2メートル部分を配置します。
  7. 二列の0.1メートルの部分が変調器であることを確認してください。
  8. 超高純度ヘリウムを使用します分1.5ミリリットルの流量でGCのためのキャリアガスとしてガス-1。
  9. 変調器内の冷却剤として機能するデュワーに十分な液体窒素があることを確認します。デュワー内の液体窒素のレベルは、その出口に取り付けられた圧力ゲージを使用して予測することができます。 0 kPaのは、それが空であることを示している圧力計69 kPaでの読みは、デュワーがいっぱいであることを示しています。

3.プロトコルサンプルを分析する前に

  1. 楽器には大きな漏れがないことを確認してください。 TOF-MSの真空計の読みを1.5ml分-1 GCカラム流量用以上2.7×10 -5 Paである場合、これは、システムの主要な漏れを示します。
  2. 品質管理（QC）メソッドを-設定し、製造業者のプロトコルを使用して、最大信号応答を達成するために、内蔵 '収集システムの調整」プロトコルを実行します。
  3. シリーズで、内蔵QC法の「楽器の最適化」プロトコルの実行 - filam耳鼻咽喉科フォーカス、イオン光学焦点と製造業者のプロトコルを用いた質量較正試験。質量キャリブレーション・テストに合格していることを確認してください。このQC方法は、機器のすべてのハードウェアパラメータを最適なレベルであることが保証されます。
  4. 製造業者のプロトコルを使用して、 "リークチェック」を実行します。自動的にリークチェックレポートを生成し分析します。相対的な28の濃度（N 2）のことを確認して、32（O 2）と18（水分）イオンはそれぞれ、10％未満、3％と69イオンの内部標準質量スペクトルの5％未満でなければなりません。
  5. 製造業者のプロトコルを使用して曲TOF-MS。
  6. サンプルおよび標準を分析しながらも、前とリークチェック後に品質管理方法と同様にTOF-MSチューンプロトコルを実行します。

変調器の最適な変調周期を決定する4.プロトコル

  1. 任意の長変調周期（ 例えば、10秒または13秒）を選択します。 2.2で説明したようにサンプルを注入します。
    2. 図2は明らかに等高線図の第2次元での保持時間の識別を明らかにする。
  2. ステップ4.1で使用される変調周期を増やして、再度解析を行う「ラップアラウンド」場合は18を観察されます。二次元におけるピークは最初の次元のベースラインより下に溶出する場合はラップアラウンド現象が発生します。 「ラップアラウンド」の例の等高線図は、補足情報図3に示されています。
  3. 最適値が決定されるまで繰り返し、4.2と4.3のステップ。

インストゥルメントセットアップ5.実験パラメータ

  1. プライマリ列と非極性（2.3 MX 0.25ミリメートル×0.5μmの膜厚）カピラなどの極性（60 MX 0.25ミリメートル×0.5μmの膜厚）キャピラリカラムを取り付け二列としてRY列。湿気、空気と新しいGCカラムに関連した汚染物質の痕跡量を除去するために、少なくとも2時間、プライマリとセカンダリの両方の列を焼きます。
  2. 1.5ミリリットル分-1の流量でGC用のキャリアガスとして超高純度のヘリウムガスを使用してください。
  3. 250：260°Cの温度と1のスプリット比にGCインジェクタを設定します。
  4. 5分間、260℃の一定温度に続いて5℃分-1で260℃まで温度上昇が続く0.2分間、40℃の一定温度プライマリカラムの以下の温度プログラムを使用します。
  5. 二列および第1カラムよりも高い5℃での二次カラム温度よりも変調器温度5℃を高く維持します。
  6. ホットパルスの0.8秒と冷たいパルスの1.2秒と4秒の最適な変調周期を使用してください。この値は、宗派に記載のプロトコルに基づいて決定されますイオン4。
  7. 270℃に移送ライン温度を設定します。
  8. 0秒に取得遅延や溶剤の遅延を設定します。
  9. それぞれ、35および800としてのm / zのより低いおよびより高い範囲を設定します。
  10. 400スペクトル/秒でMS検出器取得速度を設定します。
  11. 最適化された値よりも高い150 VでMS検出器の電圧を維持します。
  12. 225℃でのMSイオン源温度を維持します。

6.データ解析

  1. 機器製造業者によって供給されるソフトウェアを用いてデータ処理を行います。
  2. データ解析方法で、次のタスクを選択します - 計算のベースライン、ベースラインより上のピークを見つけ、ライブラリ検索や計算がある/高さ。
  3. データファイルを使用してベースラインを追跡します。 0.5のようにベースラインオフセットを入力します。
    二次元で最初の次元と0.15秒で15秒の予想ピーク幅を入力します。
  4. 5,000として信号対雑音比を設定し、同定のために> 850の類似値化合物のfication。
  5. サンプル中に存在する化学化合物を同定し、転送するようにライブラリ検索モードを設定するには、市販のマススペクトルライブラリを選択します。
  6. 製造業者のプロトコルを使用して、このデータ解析方法を使用してデータファイルを処理します。これは、データ・ファイルを処理するために少なくとも1時間を必要とします。

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Representative Results

国家に対して検索することによって同定される化合物の非極性極性×が図に示されているの列の組み合わせで分析藻類バイオ原油の水性画分について得られた全イオンクロマトグラム（TIC）4。保持時間と類似または一致係数値標準技術研究所（NIST）のライブラリーを、 表1にまとめた。そして（酢酸、プロピオン酸及びブタン酸など）、有機酸（例えばcyclopenatanone、フラン化合物dianhydromannitolなど）含酸素化合物は、HTL藻類水34で観察されました。これらの化学物質は、正孔輸送層13中の藻類炭水化物画分の分解から形成することができます。含酸素化合物に加えて、水相は、例えば、ピリジン、ピラジン、アセトアミド、スクシンイミドおよびそのアルキル誘導体などの窒素含有化合物（N-化合物）を有します。おそらく、これらの化合物は、proteの分解生成物であります藻類バイオマス4,35でイン。

藻類バイオ原油の水性画分のための等高線図で識別された高強度のピークは基準を分析することによって検証されました。有機酸およびN - 化合物を含有する標準を調製し、GC-TOF-MS×GCで分析しました。有機酸標準およびN化合物の規格は、 図5に示されている。保持時間および標準の類似値の全イオンクロマトグラムを表2にまとめ及びHTL藻水中の同定の化合物に対応します。カラムブリードは、高温（> 250℃）での両方の標準および試料について観察されました。このカラムブリードは、以前極性GCカラム18のための文献で ​​報告されています。それは標準では見られなかったのに対し、二酸化炭素（CO 2）HTL藻類水中で観察された（ 図4および図 5参照）。このINDI藻類バイオ原油の水性画分は、藻類原料11のHTLの間に生成することができるCO 2を 、溶解したことをケイツ。

藻類バイオ原油の水性画分はまた、広く文献17で使用した極性非極性×従来のカラムの組合せを用いて分析しました。極性の二次分離に続いて、非極性の一次分離とGC-TOF-MS分析×GCからHTL藻類水のトータルイオンクロマトグラムを図6に示されている。 図6に示すように 、有機酸及びN-化合物は、本複数のピークを有する藻類バイオ粗溶出の水性画分インチ酢酸および他の有機酸は、特に最初の次元で、分析の期間を通じて溶出します。保持時間との類似性は、/ NISTライブラリーに対して検索することにより同定された化合物の信頼値がにまとめました表3参照）（50、 表1を参照のこと ）、非極性、極性倍よりも低いです。ピーク容量、ピーク形状、およびHTL藻類水の分解能は、非極性の一次および極性が二次分離である分析のために不良であったと結論付けることができます。したがって、極性非極性×のこのカラム構成は、従来の試料調製なしの定性的ならびに水性藻類バイオ原油の定量的特性評価には適していません。

長い変調周期は（ 図6の二軸を参照）、非極性×極性設定用の藻類バイオ原油の水性画分を特徴づけるために必要でした。先に図4に示すように、4秒の短い調節時間がcharacterizatioために十分でした非極性極性×の列の組み合わせを使用して、HTL藻水のn個。短い変調時間は、最初の次元で得られた分離を保持するために、GC分析16-18×GCのために推奨されているので、これは、HTL藻の水の特徴付けのために極性×非極性を使用してのもう1つの利点です。

極性×非極性カラム構成の水性藻類バイオ原油のGC-TOF-MS分析×GCは、極性、非極性×従来のカラム構成と比較すると、ピーク容量、高解像度を向上させる、対称的なピーク形状を生成します。したがって、GC×GC-TOF-MS分析は、非極性、極性×を用いて説明した任意のサンプル調製技術なし藻類バイオ原油の水性画分中に存在する化学物質の定量に用いることができます。

図1 図1：GC-TOF-MS×GCのブロックフロー図は、本研究で用いた。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図2
図2：HTL藻類水性画分の等高線プロットは、最適な変調時間を決定するための非極性の極性の倍の列の組み合わせを使用して得られた 10秒をランダムに選択しました。いいえピークは二次元で> 4秒で観察されませんでした。そのため、4秒、最適な変調時間と同定された。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図3
Figure 3：現象「ラップアラウンド」を示しているHTL藻類水性画分の等高線プロットは、現象を包み込む二次元におけるピークは最初の次元のベースラインより下に溶出する場合に発生します。五つ星中3.5 m個の二次列の長さは、この等高線図を得ました。このプロットは明らかに現象の周りにラップを説明するために採取した。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図4
図4：HTL藻類水性画分の等高線プロットは、NIST 2008ライブラリを用いて同定した極性×非極性化合物の列の組み合わせを使用して得られました 。プライマリおよびセカンダリ軸の単位は秒です。同定された化学化合物の類似度値を表1にまとめた。1→1-ヒドロキシ-2-プロパノン; 2→2-シクロペンテン-1-オン、2-メチル; 3→N、N -ジメチルアセトアミド; 4→2-cyclopente-1-1、3-メチル; 5→2-シクロペンテン-1-オン、2,3-ジメチル; 6→3-ペンテン酸、4-メチル。 7→2-ピロリジノン、1-メチル。 8→プロパンアミド; 9 1-メチル-4-ニトロ-1H-イミダゾール、→。 10→N -プロピルコハク酸イミド; 11→グリセリン; 12→3ピリジノール; 13→2,5-ピロリジン; 14→アセトアミド、N - （2-フェニルエチル） 15→N - （2-ヒドロキシエチル）スクシンイミド。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図5
図5の列の組み合わせを使用して、標準含む酢酸、プロパン酸、ブタン酸の（a）は、等高線図、及び2-ブタノン極性×非極性。極性×非極性の列の組み合わせを使用して、（2-ヒドロキシエチル）スクシンイミド-標準含むアセトン、エタノール、ピリジン、ピラジンアセトアミド、Nの -methylsuccinimide、スクシンイミド、及びNの（b）の等高線図。標準の類似性値を表2にまとめた。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図6
図6：極性非極性×の列の組み合わせを使用して得られたHTL藻類水性画分の等高線プロットは、この図は、光有機物、有機酸およびN-化合物の乏しい解像度を示しています。同定された化学化合物の類似度値を表3にまとめました。34fig6large.jpg "ターゲット=" _空白 ">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

</ TR>

表1の列の組み合わせを使用して、HTL藻水中に存在する化学物質の類似性値および保持時間の極性×非極性化合物は、NIST 2008ライブラリを用いて同定しました。類似値のスケールは0〜999です。高い類似度値は、NISTデータベース中の化合物の場合とそのサンプルのために得られたスペクトルのより近いマッチに対応しています。 RTは、化学物質（一次、二次）の保持時間を表します。

名 RT（秒） 類似
二酸化炭素 215、1.64 999
アセトン 347、1.89 967
2-ブタノン 435、2.12 965
エタノール 467、1.75 949
2-ペンタノン 539、2.36 942 3-ペンタノン 539、2.41 940
ピリジン 887、2.11 967
シクロペンタノン 903、2.25 962
ピラジン 939、1.99 945
ピリジン、2-メチル 943、2.28 950
ピラジン、メチル 1035年、2.16 964
ピリジン、3-メチル 1087年、2.25 947
2-プロパノン、1-ヒドロキシ 1107年、1.71 950 </ TD>
ピラジン、2,5-ジメチル 1131年、2.35 950
ピラジン、2,6-ジメチル 1139年、2.33 953
ピラジン、エチル - 1151年、2.34 954
ピラジン、2,3-ジメチル 1171年、2.32 963
2-シクロペンテン-1-オン、2-メチル - 1223年、2.19 960
ピラジン、2-エチル-6-メチル 1235年、2.54 926
ピラジン、トリメチル 1263年、2.49 944
、N、N-ジメチル- 1275年、1.97 957
酢酸 1339年、1.53 963
ピロール 1443年、1.65 970
プロパン酸 1475年、1.55 953
2-シクロペンテン-1-オン、3-メチル - 1475年、2.04 956
2-シクロペンテン-1-オン、2,3-ジメチル 1503年、2.22 884
プロパン酸、2-メチル 1515年、1.58 929
3-ペンテン酸、4-メチル 1583、1.95 897
アセトアミド、N -エチル- の 1603年、1.71 950
ブタン酸 1607年、1.58 941
アセトアミド、Nをメチル- 1615年、1.63 963
プロパンアミド、N -メチル- を 1663年、1.70 956
ブタン酸、3-メチル 1667年、1.60 928
2-ピロリジノン、1-メチル 1703年、1.96 936
3,4- Dimethyldihydrofuran -2,5-ジオン 1759年、2.05 719
アセトアミド 1783年、1.53 976
1,2-シクロペンタンジオン 1819年、1.67 888
プロパン 1847年、1.57 870
-1H-イミダゾール、1-メチル-4-ニトロ 1883年、1.88 671
2,5-ピロリジン、1-エチル 1975年、1.85 936
ピペリジン-2,5-ジオン 1975年、1.98 798
2,5-ピロリジン、1-メチル 2011年、1.76 960
2075年、1.92 861
2-ピロリジノン 2175年、1.65 976
2ピペリジノン 2295年、1.73 959
Dianhydromannitol 2419年、1.70 944
グリセリン 2463年、1.47 888
3ピリジノール 2586年、1.50 921
2,5-ピロリジン 2646年、1.50 923
N - [2-ヒドロキシエチル]スクシンイミド 2902年、1.69 941
名 RT（秒） 類似
アセトン 347、1.89 952
2-ブタノン 435、2.12 934
エタノール 467、1.76 952
ピリジン 887、2.10 947
ピラジン 939、1.99 928
酢酸 1339年、1.53 981
プロパン酸 1471年、1.56 948
ブタン酸 1603年、1.59 935
アセトアミド 1783年、1.54 961
2011年、1.76 957
2,5-ピロリジン 2642年、1.52 940
N - [2-ヒドロキシエチル]スクシンイミド 2902年、1.71 935

表2：標準の保持時間との類似性の値は、非極性、極性×を用いて分析しました。化合物は、NIST 2008ライブラリを用いて同定した。類似度値のスケールは0〜999です。高い類似度値は、NISTデータベース中の化合物の場合と標準のために得られたスペクトルのより近いマッチに対応しています。 RTは、化学物質（一次、二次）の保持時間を表します。

<TR高さ= "21">
名 RT（S） 類似
カルバミン酸、モノアンモニウム塩 234、0.521 999
カルバミン酸、モノアンモニウム塩 234、0.653 981
トリメチルアミン 243、0.​​540 922
アセトン 243、0.​​648 927
ジメチルエーテル 243、0.​​720 932
ジメチルアミン 252、0.578 925
2-ブタノン 261、0.684 933
酢酸 261、3.139 963
メタンチオール 306、0.550 924
ピラジン 333、1.157 949
ピリジン 342、1.063 950
シクロペンタノン 378、1.032 944
ピラジン、メチル 405、1.217 954
アセトアミド、Nをメチル- 414、4.850 887
2-シクロペンテン-1-オン、2-メチル - 504、1.409 951
ピラジン、2,5-ジメチル 513、1.207 919
ピラジン、2,3-ジメチル 522、1.265 905
2,5-ピロリジン、1-メチル 801、4.178 955
キヌクリジン-3-オール 828、2.750 680
2,5-ピロリジン、1-エチル 873、3.058 889
2ピペリジノン 954、5.474 954
カプロラクタム 963、2.458 746
N - [2-ヒドロキシエチル]スクシンイミド 1089年、2.429 857
N - [2-ヒドロキシエチル]スクシンイミド 1260年、2.278 814
1-フェネチル - ピロリジン-2,4-ジオン 1791年、3.742 788
5,10-ジエトキシ2,3,7,8テトラヒドロ-1H、6H-dipyrrolo [1,2-; 1 '、2'-D]ピラジン 2016年、4.608 787

表3：非極性の列の組み合わせを使用して、類似度値とHTL藻類水に同定された化合物の保持時間5;極性。化合物は、NIST 2008ライブラリーを用いて同定しました。類似値のスケールは0〜999です。高い類似度値は、NISTデータベース中の化合物の場合とサンプルのために得られたスペクトルのより近いマッチに対応しています。 RTは、化学物質（一次、二次）の保持時間を表します。

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Discussion

結果は、前のサンプル調製技術なし藻類バイオ原油の水性画分に存在する極性化合物および光揮発性物質を解決するための極性×非極性の列の組み合わせの能力を示しています。非極性×極性カラムの組み合わせを使用しながら、急激なピークテーリングは、有機酸及びN-化合物について観察されました。このピークテーリングは、初期溶出光有機物のために観察されませんでした。楽器を検証する（TOF-MSの真空を1.5ml分-1のGCキャリアガス流量のために2.7×10 -5 Paの下にあった）漏れの自由であると、この現象が再現可能となっています。プレスタイトコネクタ内の場合、またはデッドボリュームに問題があった場合の動作は、クロマトグラム全体に観察されるであろうことを、コールドジェット流量が過剰であることが予想されます。しかし、遅くても溶出化合物（図に識別されない）ではない尾を行います。したがって、我々は、これがaqueの結果であると結論しますOUの試料注入/カラム構成の組合せ。

スプリット比は、スプリットフローに失われた量に対するカラムに入る試料の体積です。高いスプリット比カラムに導入される試料の量が少ないです。一般に、これはピーク容量を改善するより効率的なピークを生成します。サンプルのための適切なスプリット比を決定することは、化合物の検出（スプリット比が高すぎる）でカラムのオーバーロード（スプリット比が低すぎる）や問題から問題を防ぐことができます。したがって、1のスプリット比：250をカラム装填を防止するために、また、ピーク容量を改善するために、両方の列の組合せ用のGC-TOF-MSデータ取得方法×GCで使用しました。

同定された化学物質の類似値は850から999の範囲です。これは、化学化合物が85％以上の信頼度で識別されることを示しています。これは、GC×GCで400スペクトル/秒のMS取得速度を使用することによって達成されました211; TOF-MSデータ取得方法。 400スペクトル/秒の取得速度は、識別された化学化合物17の類似度値を増加させるピークの信号対雑音比を改善します。高い類似度値は、高い信頼度で化学化合物を同定することが可能となります。しかし、長いデータ解析時間で、この高MS取得率をもたらします。そのため、データ解析時間を減少させるこれらのサンプルの定量化のために200スペクトル/秒のMS取得速度を使用することをお勧めします。

極性×非極性で水性藻類バイオ原油を特徴付けるために開発さGC-TOF-MSデータ収集方法は、さらに、二列の長さを増加させることによって改善することができる×GC。二列の長さを増加させることにより、分解能は、試料16,17内に存在する異性体の分離を可能にする二次元で改善することができます。ピーク容量がさらに増加し​​て改善することができ二列の長さ。本論文では特徴HTL藻類水を希釈11です（炭素の約3総重量％を含んでいる）と、長い二列を必要としない場合があります。しかし、この勧告は、複雑で濃縮水性サンプルの特性評価時に有益である可能性があります。

極性カラムの最大プログラム可能な温度は260℃であるので、この方法は、長鎖脂肪酸、モノ-グリセリド、ジ-グリセリド、トリグリセリドおよびアミノ酸のオリゴマーならびに糖16として高沸点の化学化合物を溶出することができません。これらの化合物を含有するサンプルは、分析した場合、GCインジェクタとカラムを汚染する可能性があります。 GCインジェクタとカラムの汚染は、ピークテーリング、化学化合物の保持時間の変化、及び高ノイズまたは定性的ならびに定量的な特徴付けのために望ましくないMS検出器の低い信号対雑音比をもたらします。したがって、時utilizinG適切な品質管理方法を採用すべきである高沸点の化合物のアナリストを含む水性サンプルを分析するために、この列の組み合わせ。

藻類バイオ原油の水性画分で同定された化学化合物は、多種多様な用途を有します。ピリジン、ピラジン及びそのアルキル誘導体は農薬、医薬品36,37を製造するための中間体化学物質であり、かつ均一な触媒38,39における溶媒として広く使用されています。同様に、コハク酸イミドの誘導体はまた、ポリマー中間体、洗剤40、臨床薬物41,42、燃料添加剤および潤滑油添加剤40を含む多種多様な用途を有します。 HTL藻類水中に存在する有機酸は、水相43から容易に分離するケトンまたはエステルを生成する触媒プロセスにおける原料として使用することができます。

目のために開発されたGC-TOF-MS法×GCこの論文で、非極性、極性×のE列の組み合わせはまた、生物学的プロセス、食品加工、および環境廃棄物からの水のサンプルを分析するために使用することができます。研究者らは、有機試料44-47の特徴付けのために、この列の組み合わせを使用しました。脂肪族、芳香族化合物、アルキルベンゼンと二核芳香族化合44-46 -この列の組み合わせが炭 ​​化水素の異なるクラスの効果的な分離のために最善であることが報告されています。したがって、分離の二次元の分離と非極性の最初の次元の極性の分離を利用すると、両方の水の特性に適したカラム構成だけでなく、バ​​イオ、粗バイオマスの水熱液化から生産の有機画分になります。

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Acknowledgments

本稿では、米国エネルギー省との契約番号DE-AC05-76RL01830下バテル記念研究所によって作成されました。米国政府は、保持しており、出版社は、出版物のために記事を受け入れることによって、米国政府が何を他の人に公開したり、この原稿の発行したフォームを再現する、または許可する非独占的、払込、取消不能の、世界的なライセンスを保持していることを認めますそう、米国政府の目的のために。

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

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バイオ号109、バイオ原油、バイオ油、バイオ燃料、水製品、水熱液化、微細藻類バイオマス、水生バイオマス、GC×GC - TOF-MS、触媒の急速熱分解、ピリジン、ピラジン、有機酸、スクシンイミド。
飛行時間型質量分析法と2Dガスクロマトグラフィーを用いて藻類の水熱液化からの水性画分の質的特性評価
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Maddi, B., Panisko, E., Albrecht,… More

Maddi, B., Panisko, E., Albrecht, K., Howe, D. Qualitative Characterization of the Aqueous Fraction from Hydrothermal Liquefaction of Algae Using 2D Gas Chromatography with Time-of-flight Mass Spectrometry. J. Vis. Exp. (109), e53634, doi:10.3791/53634 (2016).

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