沃特世讓生物柴油的“引擎”轉(zhuǎn)得更快

　　【中國化工儀器網(wǎng) 名企動態(tài)】2018年6月1日，上海市人民政府辦公廳關(guān)于印發(fā)的《上海市支持餐廚廢棄油脂制生物柴油推廣應(yīng)用暫行管理辦法》正式開始實施，規(guī)范落實了由餐余油脂到生物柴油的全閉環(huán)管理，并提供政府資金優(yōu)惠補(bǔ)貼。
 

　　生物柴油好處多
 

　　近年來，隨著石油價格上漲，生物柴油作為其環(huán)保型替代品受到廣泛關(guān)注，這是一種更加清潔的可再生燃料。生物柴油采用可再生資源，通過植物油(如芥花籽油和菜籽油)中的甘油三酯(TG)發(fā)生酯交換反應(yīng)生成脂肪酸甲酯(FAME)而制得。此外，生物柴油的理化特性與傳統(tǒng)的石油基柴油相近，因此無需經(jīng)過任何改性即可直接用于柴油汽車，并且所有使用0#柴油的車皆可使用生物柴油。使用生物柴油可以防止地溝油回流餐桌、提升餐廚廢棄油脂資源化利用水平，并促進(jìn)資源綜合利用。
 

　　可靠的分析方法仍然必不可少
 

　　然而，生物柴油本身所含的某些未轉(zhuǎn)化油類化合物(如TG、甘油二酯(DG)、甘油單酯(MG)和甘油)可能會在發(fā)動機(jī)中沉積、堵塞濾清器、引起燃料劣化或形成有毒排放物，進(jìn)而影響發(fā)動機(jī)性能1-3。 因此， 開發(fā)出靈敏且可靠的分析方法以便在各個生產(chǎn)階段(尤其是生成最終的生物柴油產(chǎn)品時)監(jiān)測和定量這些甘油酯類的濃度非常重要。對生物柴油生產(chǎn)商來說，理想情況是達(dá)到最高的FAME收率，同時最大程度減少M(fèi)G、DG、TG和甘油等污染物。目前，各監(jiān)管機(jī)構(gòu)已針對生物柴油產(chǎn)品制定了不少標(biāo)準(zhǔn)，包括ASTM(美國材料和試驗協(xié)會)標(biāo)準(zhǔn)D67514以及歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN141055和EN5906，旨在控制和限制上述污染物。GC和HPLC都被用于分析生物柴油及其污染物。然而，表征這些化合物需要在不同實驗條件下多次進(jìn)樣。在GC分析之前，分析人員需要進(jìn)行繁瑣的甘油酯衍生化處理，而傳統(tǒng)的HPLC方法則需要較長的分析時間(30～80 min)。
 

　　沃特世ACQUITY UPLC和Xevo G2 QTof 15分鐘內(nèi)完成多類別甘油酯分離
 

　　• 方案優(yōu)勢：
 

　　- 在生物柴油生產(chǎn)的各個階段提供用于監(jiān)測甘油酯化合物的有用信息。
 

　　- 快速分離和確認(rèn)不同類別的甘油酯。
 

　　- 同時采集關(guān)鍵數(shù)據(jù)，包括低能量母離子數(shù)據(jù)(MS)和高能量碎片離子數(shù)據(jù)(MSE)。
 

　　- 使用Xevo G2 QTof同時進(jìn)行甘油酯的定性和定量分析。
 

　　- 通過單次運(yùn)行即可同時完成FAMEs(脂肪酸甲酯)和甘油酯的分析，無需衍生化或多次運(yùn)行。
 

　　

 

　　沃特世ACQUITY UPLC-Xevo G2 QTof解決方案
 

　　• 實驗
 

　　- LC條件

 

　　進(jìn)樣UPLC梯度詳見表1
 

　　 

 

　　表1. 15 min生物柴油分析方法的ACQUITY UPLC梯度。
 

　　- MS條件

 

　　- MSE條件

 

 

　　- LockSprayTM條件

 

 

　　• 結(jié)果與討論
 

　　本研究采用簡單的五步分析工作流程(如圖1所示)鑒定生物柴油樣品中的化合物。在進(jìn)樣至ACQUITY UPLC-Xevo G2 QTof MS聯(lián)用系統(tǒng)中進(jìn)行分析之前，用乙腈將生物柴油稀釋100倍。
 

　　

　　圖1. 用于生物柴油分析的TOF篩查工作流程。

 

　　上述UPLC方法成功實現(xiàn)了不同類別甘油酯(包括FAME、MG、DG和TG)的色譜分離，結(jié)果如圖2所示。
 

　　

　　圖2. 生物柴油樣品中不同類別甘油酯(FAME、MG、DG和TG)的UPLC色譜圖

 

　　所有分析均采用MSE模式，也就是在單次進(jìn)樣中使用并行的低碰撞能量和高碰撞能量MS模式采集分子數(shù)據(jù)(碎片離子、母離子和中性丟失)，分別采集低能量母離子數(shù)據(jù)和高能量碎片離子數(shù)據(jù)。
 

　　得益于Xevo G2 QTof的高質(zhì)量精度，元素組成軟件能夠以更高的可信度和精密度確定未知化合物母離子和碎片離子的分子式。我們對保留時間7.49 min處的譜峰進(jìn)行了元素組成分析，該峰由三個共流出峰組成，結(jié)果如圖3所示。結(jié)合脂質(zhì)數(shù)據(jù)庫(www.lipidmaps.org)，分析人員可推測化合物鑒定結(jié)果及其結(jié)構(gòu)，并開展深入分析。
 

　　

　　圖3. 7.49 min處的峰m/z 299.2953的元素組成。推測的元素組成為C19H39O2，即硬脂酸甲酯(MeS)。
 

　　根據(jù)推測的化合物結(jié)構(gòu)和Xevo G2 QTof采集到的MSE數(shù)據(jù)，使用MassFragment結(jié)構(gòu)解析軟件自動確認(rèn)并關(guān)聯(lián)推測的子離子。MassFragment能夠使用一系列創(chuàng)新的化學(xué)智能算法自動鑒定子離子碎片。這大幅提高了鑒定推測化合物的可信度，如圖4所示。使用該方法鑒定出的化合物列于表2中。
 

　　

　　圖4. 使用MassFragment軟件分配硬脂酸甲酯的MSE子離子所得的結(jié)果。

 

　　

表2. Xevo G2 QTof采集到的各種甘油酯的解析結(jié)果，包括保留時間、質(zhì)量、分子式和質(zhì)量精度。

 

　　* Me：指脂肪酸甲基酯。
 

　　St：十八碳四烯酸；Ln：亞麻酸；L：亞油酸；G：鱈油酸；P：棕櫚酸；O：油酸；S：硬脂酸；Po：棕櫚油酸。
 

　　+是指結(jié)合到甘油骨架(C3H5(OH)3)上的不同類型的脂肪酸。例如，LLn是指一分子亞油酸和一分子亞麻酸結(jié)合到甘油骨架上。
 

　　本研究使用市售標(biāo)準(zhǔn)品進(jìn)一步確認(rèn)了幾種FAME化合物的鑒定結(jié)果。亞麻酸甲酯(MeLn)、亞油酸甲酯(MeL)、油酸甲酯(MeO)、棕櫚酸甲酯(MeP)和硬脂酸甲酯(MeS)標(biāo)準(zhǔn)品與生物柴油樣品的保留時間和MS/MS譜圖均成功匹配。圖5為該工作流程的一個例子，其中MeS標(biāo)準(zhǔn)品的保留時間與生物柴油樣品中的保留時間相同。我們隨后對這些峰進(jìn)行了MS/MS分析，以提高保留時間7.49 min處的化合物鑒定結(jié)果(硬脂酸甲酯)的可信度。
 

　　

　　圖5. MeS標(biāo)準(zhǔn)品和生物柴油樣品中MeS(7.49 min處)的提取離子流圖(XIC)和MS/MS譜圖(CE 20 V)。
 

　　通過使用TargetLynx應(yīng)用管理軟件從MS數(shù)據(jù)中提取MeS峰(299.295 m/z)的離子信息，我們進(jìn)一步完成了MeS的定量分析。所得校準(zhǔn)曲線的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.99，如圖6所示。生物柴油樣品中的MeS濃度為4.28 mg/mL。
 

　　

　　圖6. MeS標(biāo)準(zhǔn)品的校準(zhǔn)曲線。

 

　　• 結(jié)論
 

　　在實驗中，ACQUITY UPLC與Xevo G2 QTof的組合為分離和鑒定各種甲酯和甘油酯類(如MG、DG和TG)提供了一款出色的工具。
 

　　- 通過單次運(yùn)行即可同時完成FAME和甘油酯的分析，無需衍生化或多次運(yùn)行。
 

　　- Xevo G2 QTof的MSE功能可通過單次快速篩查運(yùn)行同時采集低能量母離子(MS)和高能量碎片離子(MSE)數(shù)據(jù)。
 

　　- ACQUITY UPLC的保留時間重現(xiàn)性極高，與市售標(biāo)準(zhǔn)品相結(jié)合，可提高化合物鑒定的可信度。
 

　　- 使用一套系統(tǒng)即可完成甘油酯的定性和定量分析。
 

　　- 該方法在15 min內(nèi)即可完成樣品分析，能夠在生物柴油生產(chǎn)的各個階段提供用于監(jiān)測甘油酯的有用信息。
 

　　• 參考文獻(xiàn)
 

　　1. G Knothe. Analyzing biodiesel: Standards and other methods. JAOCS. 83:823-833, 2006.
 

　　2. G Knothe. Analytical methods used in the production and fuel quality assessment of biodiesel. ASAE.44: 193-200, 2001.
 

　　3. M Holcapek, P Jandera, J Fischer. Analysis of acylglycerols and methy esters of fatty acids in vegetable oils and in biodiesel. Crit Rev Anal Chem. 31:53-56, 2001.
 

　　4. American Society for Testing and Materials (ASTM) standard D6751. Standard specification for biodiesel fuel blend stock (B100) for middle distillate fuels.
 

　　5. European Committee for Standardisation. Standard EN 14105. Fat and oil derivatives - Fatty acid methyl esters (FAME) – Determination of free and total glycerol and mono-, di-triglyceride content.
 

　　6. European Committee for Standardization. Standard EN 590. Automotive fuels – diesel – requirements and test methods.
 

　　• 致謝：
 

　　感謝臺灣電力公司綜合研究所(中國臺灣)提供生物柴油樣品。