Development of online coupling between supercritical fluid chromatography and 18 T FTICR MS for the molecular characterization of wood bio-oil

Význam tématu

Bio-oleje z pyrolýzy dřevní hmoty představují komplexní směsi se širokým spektrem polárních i nepolárních sloučenin, vysokým obsahem kyslíku a značným počtem izobarických a izomerních forem. Detailní molekulární charakterizace těchto směsí je klíčová pro pochopení jejich vlastností, optimalizaci zpracování a výrobních postupů a pro řízení kvality v biopalivovém a chemickém průmyslu. Spojení rychlé chromatografie schopné rozdělit izomery s ultravysoce rozlišovací hmotnostní spektrometrií umožňuje získat hlubší a kvantitativně i kvalitativně bohatší informace o složení bio-olejů.

Cíle a přehled studie

Cílem práce bylo vyvinout a optimalizovat online propojení superkritické fluidní chromatografie (SFC) s 18 T FTICR MS tak, aby bylo možné efektivně separovat a přesně identifikovat molekulární druhy v bio-oleji z odpadního dřeva. Studie zahrnovala sestavení sady standardů reprezentujících hlavní rodiny sloučenin v bio-olejích, optimalizaci chromatografických a spektrometrických parametrů a aplikaci metody na reálný borovicový (pine) bio-olej s cílem dosáhnout co nejvyššího počtu přiřazených molekulárních formulí a schopnosti rozlišit izomery.

Použitá instrumentace

• Supercritical Fluid Chromatography: Waters Acquity UPC2 s kolonkou BEH 100 x 3.0 mm, 1.7 µm; provozní tlak ABPR nastaven na 150 bar.
• Mass spectrometry: 18-Tesla Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometer (18 T FTICR MS) s možností vysokého rozlišení (tims-MRMS zmíněno ve studii).
• Make-up a ionizační podmínky: ESI v režimu negativní ionizace (ESI −) s rozsahy m/z 120–1500.

Použitá metodika

• Standarty: Sestava 24 standardů pokrývajících široké spektrum polárností a chemických tříd (mastné kyseliny, polyfenoly, cukry, atd.).
• Chromatografické podmínky: mobilní fáze CO2 s ko-solventem MeOH/ACN (90/10), průtok 0,7 mL/min, ABPR 150 bar; make-up řešení MeOH/water + 0,2 % NH4OH, průtok 0,3 mL/min. Vzorkování 10 µL v acetonitrilu.
• Spectrometrické parametry: akumulační čas 450 ms, délka FID 1,677 s zaznamenaná s 16M datovými body, čas letu (Tof) ~0,8 ms; dosažené rozlišení až ~1 400 000 při m/z 400 v optimalizovaných podmínkách.
• Optimalizace: ladění injekčního rozpouštědla a objemu, volby ko-solventu, délky FID a akumulačního času, stejně jako kompromisu mezi rychlostí skenování a průtokem tak, aby SFC a FTICR pracovaly v kompatibilním režimu (experimentálně dosažená doba zpracování ~2,4 s/scan pro analýzu bio-oleje).

Hlavní výsledky a diskuse

• Metoda umožnila podstatně zlepšit molekulární pokrytí bio-oleje: bylo přiřazeno 12 434 molekulárních formulí, přičemž v režimu ESI (−) identifikovali více než 10 000 vzorků/formulí.
• Dosažené rozlišení FTICR (přibližně 1,4 milionu při m/z 400) dovolilo rozlišit četné izobary a tím zvýšit jistotu elementárního přiřazení i v přítomnosti hustě osázených izotopických a homologických řad.
• SFC poskytla účinnou separaci izomerů; experimentální sada 24 standardů potvrdila schopnost metody dělit typické třídy sloučenin v bio-olejích (např. polyfenoly, mastné kyseliny, cukry). V reálném borovicovém bio-oleji byly detekovány a chromatograficky rozlišené komponety jako 2,6-di-tert-butyl-4-methylfenol, palmitová kyselina, acetosyringon, vanilová a ferulová kyselina, levoglukosan, taxifolin, phloretin a jednoduché cukry (xylose, glucose/mannose).
• Optimalizace parametrů (průtok, čas skenování, akumulace) byla klíčová pro dosažení kompromisu mezi chromatografickou efektivitou a požadavky FTICR na dobu akvizice, což umožnilo jak kvalitní separaci, tak vysokou přesnost hmotnostního určení (< 0,1 ppm cílově).

Přínosy a praktické využití metody

• Metoda představuje robustní přístup pro hloubkovou molekulární charakterizaci komplexních bio-olejů, umožňující rozlišit izomery a přiřadit vysoký počet molekulárních formulí.
• Užití online SFC‑FTICR kombinace nabízí výhodu rychlé chromatografické separace při minimálním ředění vzorku a vysoké selektivity, což je užitečné pro výzkum mechanizmů pyrolýzy, optimalizaci rafinačních postupů a kontrolu kvality produktů z biomasy.
• Výsledky umožňují identifikovat cílové molekuly pro následné kvantitativní metody, sledování transformačních produktů nebo design katalyzátorů a procesů pro deoxygenaci a upgradování bio-olejů.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Rozšíření metody o multidimenzionální separace (např. kombinace SFC s dalšími chromatografickými režimy) by mohlo dále zlepšit rozlišitelnost velmi blízkých izomerů.
• Integrace s cílenými kvantitativními technikami nebo vysokorychlostními datovými analýzami a strojovým učením by umožnila rychlejší interpretaci rozsáhlých datových souborů a identifikaci vzorců v různých typech biomasy.
• Širší aplikace v průmyslové kontrole kvality a vývoji biopaliv: metoda může být adaptována pro screening surovin, sledování variability dávky a optimalizaci technologických parametrů pyrolýzy a rafinace.

Závěr

Vyvinuté online propojení SFC s 18 T FTICR MS představuje významný pokrok v analytice komplexních bio-olejů. Díky optimalizaci chromatografických a spektrometrických parametrů bylo možné dosáhnout velmi vysokého rozlišení a rozsáhlého přiřazení molekulárních formulí, současně s účinnou separací izomerů. Metoda má jasné využití ve výzkumu a průmyslové analýze biomasy a otevírá cestu pro další rozšíření směrem k vysokoprůchodným a více-dimenzionálním analytickým strategiím.

Reference

1. Hertzog J., et al. Energy & Fuels, 2016, 30(7), 5729–5739.
2. Devaux J., et al. Analytical Chemistry, 2024, 96, 15134–15141.
3. Krankr P., Damour, Journey to the center of the magnet, 2025.
4. Taguchi K., et al. Journal of Chromatography A, 2014, 1362, 270–277.