• Facebook
  • LinkedIn
  • KONTAKT
  • ANNONCERING
  • OM KEMIFOKUS
  • PARTNERLOGIN

KemiFOKUS

Fokus på kemi

  • Analytisk kemi
  • Arbejdsmiljø/Indeklima
  • Biokemi
  • Biologi
  • Bioteknologi
  • Branchenyt
  • Energi
  • Fødevarekemi
  • Historisk kemi
  • Kemiteknik
  • Kemometri
  • Klikkemi
  • Klima og miljø
  • Lovgivning og patenter
  • Medicinalkemi
  • Nanoteknologi
  • Organisk kemi
  • Artikler fra Dansk Kemi

Analytisk kemi01. 02. 2018 | Katrine Meyn

GC-analyse af komplekse, vandholdige prøver

Analytisk kemi01. 02. 2018 By Katrine Meyn

Automatiseret prøveforberedelse til ekstensiv karakterisering.
Vandige prøver er problematiske for gaskromatografi, fordi de ofte kræver manuel prøveforberedelse med behov for ekstrahering eller brug af reagenser. Fully evaporative dynamic headspace kombineret med pH-ændringer, esterificering og silylering muliggør en ekstensiv automatiseret karakterisering af vandige prøver.

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 1, 2018 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder.

Læs originalartiklen her

Af René Bjerregaard Madsen og Marianne Glasius, Institut for Kemi, Aarhus Universitet og Rikke Bendixen og Jens Glastrup, MSCi

De senere års udvikling af automatiserede injektionssystemer og prøveforberedelsesstationer til gaskromatografi (GC) har betydet, at et stort antal prøver kan analyseres på kort tid. Samtidig stiger kravene og ønsket om overvågning af processer via kromatografiske analyser. Skift af kolonner for at separere komponenter med forskellige funktionelle grupper er således nødvendigt, hvilket nedsætter produktiviteten. Analyser af vandige prøver er særligt problematiske, da gentagen injektion af vandige prøver nedsætter kolonnelevetiden og øger vedligeholdelsesfrekvensen af massespektrometeret. Væske- eller fastfaseekstraktion er ofte nødvendig til denne type analyser, men er meget afhængig af solventet eller egenskaber af den faste fase og af faktorer som pH og ionstyrke af prøven.
Derivatiseringsreagenser har i årtier været anvendt for at kunne foretage alle analyser på standard apolære kolonner samt for at kunne analysere komponenter, der ellers ikke er GC-egnede (pga. deres polaritet og/eller flygtighed).
Disse reagenser kan være mere eller mindre selektive med silyleringsreagenser som de mindst selektive. Silyleringsreagenser reagerer dog med vand, og komplet inddampning af prøven er nødvendig inden tilsætning af reagens. Således vil flygtige stoffer fordampe, og der er risiko for kondenseringsreaktioner i prøven. Samtidig øger silyleringsreagenser behovet for vedligeholdelse af GC-MS systemet.
Methylering har ligeledes været en meget anvendt derivatiseringsmetode til analyse af carboxylsyrer med enten BF3, svovlsyre, eller kaliumhydroxid som katalysator. Dette involverer imidlertid lange reaktionstider og omstændelig ekstrahering i større mængder organisk solvent.
En kombination af selektivitet fra væskeekstraktion, renhed fra fast-faseekstraktion, samt øget flygtighed, termisk stabilitet og sensitivitet af analytter fra derivatisering vil således mindske behovet for kolonneskift og vedligeholdelse. I det følgende viser vi, hvordan dette kan opnås ved hjælp af standard GC-MS koblet med ”fully evaporative dynamic headspace” (FEDHS). For at demonstrere metodens anvendelighed har vi her analyseret komplekse vandprøver fra hydrotermisk omdannelse (HTL) af biomasse.

Hydrotermisk omdannelse af biomasse
HTL foretages på en vandig opløsning af biomasse, som udsættes for høj temperatur (250-370°C) og tryk (100-250 bar), altså i subkritisk tilstand. Formålet er at skabe en oliefase, der enten kan bruges som brændstof eller til værdifulde kemikalier, og processen er yderst lovende. Imidlertid dannes der store mængder spildevand, som skal udnyttes for at gøre processen rentabel. Spildevandet kan eventuelt recirkuleres som procesvand, omdannes til værdifulde kemikalier eller til kultivering af mikroalger, men der er behov for detaljeret karakterisering af spildevandet for at klarlægge anvendelsesmulighederne.

FEDHS
FEDHS er en dynamisk headspace-metode, som udnytter, at mange organiske forbindelser, også de mere polære, har et damptryk inden for et område, hvor de fordamper, når der blæses nitrogen over dem tilstrækkeligt længe. Overgangen til gasform vil selvfølgelig være hurtigere ved højere temperatur. Nitrogen og organiske gasser kan dernæst ledes gennem en adsorbent, der fanger analytterne ved lavere temperatur. Dette opnås ved et to-nåls-system, som først leder gasflowet over prøven, og herefter gennem et rør pakket med Tenax adsorbent.
Tenax kan adsorbere en lang række organiske forbindelser (f.eks. alle alkaner > C6), hvorimod vand og methanol ikke opsamles. Røret kan herefter overføres til en termisk desorptionsenhed (TDU), hvor analytterne desorberes ved opvarmning og højt flow af bæregas. Analytterne fokuseres igen i et afkølet injektionssystem (CIS) ved 10°C, som efterfølgende ”injicerer” analytterne på kolonnen. Det samlede automatiserede system tillader desorption fra flere vials, samt opsamling og desorption på flere adsorbenter, og sluttelig en samlet injektion på GC-systemet.

Fremgangsmåde
FEDHS blev her foretaget på HTL-vandprøver fra Chlorella vulgaris (mikroalge), Laminaria hyperborea (makroalge) og Miscanthus x giganteus (eksempel på lignocellulose). Biomasser har ofte et højt mineralindhold og i HTL bruges desuden alkalisalte til at øge omdannelsen, hvilket giver pH-værdier i vandprøven fra 5-9 afhængig af biomassen. Vandprøverne blev fortyndet 1:9 med methanol inden 3 µl blev overført til en 20 ml headspace vial. Der blev anvendt et GERSTEL-DHS system til ekstraktion og injektion, figur 1. Vialen blev inkuberet ved 80°C i den dynamiske headspace enhed (DHS) i 1 min., inden vialen blev flushet med 2 L nitrogen, og analytterne blev fanget på Tenax-adsorbenten i TDU-røret ved 30°C.
Røret blev overført til TDU-enheden, hvor temperaturen blev øget til 280°C samtidig med et desorptionsflow på 20 ml/min. Analytterne blev fokuseret på en Tenax-liner i CIS-enheden, som blev afkølet med carbondioxid til 10°C. Efter endt desorption blev analytterne frigivet fra CIS-enheden og injiceret på kolonnen (HP-5 ms, 30 m x 0,25 mm x 0,25 µm). Indstillingerne for DHS, TDU, CIS og GC-MS var de samme i alle forsøg og kun tilsætningen af reagenser blev ændret.

Resultater
Kromatogrammerne viser, at ved svagt sur, neutral eller svagt basisk pH kan en lang række analytter i form af aminer, pyraziner, pyrroler, pyrrolidiner, phenoler og cykliske ketoner detekteres, figur 2. Det er imidlertid velkendt, at vandfasen indeholder en stor mængde af forskellige små carboxylsyrer, enkelte glykoler, glycerol og en række forskellige fedtsyrer og hydroxypyridiner [1]. Ved neutral pH vil disse analytter udfælde med kationerne under inddampning.

Ved at sænke pH til < 4 kan vi holde carboxylsyrerne protonerede, så de ikke fælder ud. Adskillige små carboxylsyrer kan således observeres fra vandfasen af C. vulgaris efter inddampning ved pH 1, figur 3. Der er dog flere begrænsninger ved den sure inddampning:

1) de nitrogenholdige forbindelser såsom pyrroler og pyraziner protoneres og udfældes i opløsningen, så to forskellige analyser er derfor nødvendige,
2) organiske syrer viser kraftig ”fronting” og en anden kolonne med mere polær stationær fase bør anvendes,
3) glykoler detekteres ikke, fordi de co-eluerer med carboxylsyrerne og ligeledes har tendens til ”tailing”. Enkelte er så polære (f.eks. glycerol, hydroxy- og oxo-syrer), at de ikke kromatograferer.

For at undgå kolonneskift og gøre fedtsyrerne mere flygtige valgte vi at udføre en methylesterificering. Vandprøven fra C. vulgaris blev valgt, fordi den indeholder den største variation af carboxylsyrer. Vi sænkede pH til 1 og tilsatte 50 µl methanol. Prøven blev rystet i 30 min. i en agitator ved 30°C, imens den foregående prøve blev analyseret. Prøven blev overført til DHS og inddampet uden videre prøveforberedelse. En stor mængde methylerede små organiske syrer i form af eddikesyre, propionsyre, glykolsyre, mælkesyre (2-hydroxypropansyre) og smørsyre (butansyre) blev detekteret sammen med methylerede dicarboxylsyrer i form af ravsyre (butandisyre), methylravsyre og glutarsyre (pentandisyre). Adipinsyre (hexandisyre) og azelainsyre (nonandisyre) var til stede i små mængder. Til trods for kogepunkter over 300°C blev der detekteret adskillige methylestre af hovedsageligt myristinsyre (C14), palmitinsyre (C16) og stearinsyre (C18). Dette viser således, at analysen af fedtsyremethylestre (FAMEs) kan ske helt uden brug af ekstraheringssolventer.

Metodeoptimering til analyse af alkoholer
Imidlertid detekterede vi ingen glykoler eller glycerol, selvom det er velkendt, at HTL-processen frigiver glycerol fra triglycerider, som i øvrigt heller ikke blev detekteret [2]. Vandprøven fra L. hyperborea indeholder den største mængde alkoholer og er derfor illustreret her. For at detektere alkoholer totalinddampede vi først prøven på TDU-røret, hvilket betyder, at alle forbindelser, der fordamper, overføres til TDU-røret. Herefter tilsatte vi 1 µl N-methyl-N-(trimethylsilyl) trifluoroacetamid (MSTFA) til den samme vial og inddampede på det samme TDU-rør. Herved vil silyleringsreagensen adsorberes til Tenax. Silylering vil således ske enten på TDU-røret (online) eller det vil ske i gasfase, når røret opvarmes i TDU-enheden (in-situ).
Kromatogrammet i figur 4 viser, at vi var i stand til at detektere ethylenglykol, tetramethylenglykol, glycerol og en række forskellige alkylerede 3-hydroxypyridiner. Det er imidlertid kun få 3-hydroxypyridiner, der findes i NIST-biblioteket over massespektre. Derfor er identifikation foretaget ved manuel fortolkning af massespektrene. Behovet for et længere solvent delay ved denne analyse betyder, at de mere flygtige stoffer ikke detekteres og yderligere optimering er nødvendig.

Konklusion
Ved hjælp af simple pH-ændringer og effektive derivatiseringer kan vi målrette vores analyse til specifikke forbindelser i en yderst kompleks matrice.
Den fuldt automatiserede metode gør brug af et minimum af organiske solventer og overflødiggør manuelt ekstraheringsarbejde og tidskrævende kolonneskift. Den store styrke ved FEDHS er muligheden for at lave sporanalyser især i vandige prøver, hvor der kan anvendes et større volumen eller laves sekventiel prøveopsamling.
Endvidere viser FEDHS, at der kan analyseres overraskende store molekyler ved denne metode (ved 80°C har vi set op til C24), og der er mulighed for at øge inkuberingstemperaturen yderligere til 200°C.
Metoderne anvendt i denne artikel kan overføres til analyse af aromastoffer (pyrroler, pyraziner, indoler), metabolitter (eddikesyre, glykolsyre, mælkesyre), forbindelser i atmosfæriske partikler (ravsyre, glutarsyre, adipinsyre, azelainsyre), urenheder (glykoler), solventrester og FAMEs i en række forskellige matricer.

Referencer
1. R.B. Madsen, P. Biller, M.M. Jensen, J. Becker, B.B. Iversen, M. Glasius (2016) Predicting the chemical composition of aqueous phase from hydrothermal liquefaction of model compounds and biomasses. Energy & Fuels, 30, 10470-10483.
2. R.B. Madsen, R. Bernberg, P. Biller, J. Becker, B.B. Iversen, M. Glasius (2017) Hydrothermal Co-liquefaction of Biomasses – Quantitative Analysis of Bio-crude and Aqueous Phase Composition. Sustainable Energy & Fuels, 1, 789-805.

 

Skrevet i: Analytisk kemi

Seneste nyt fra redaktionen

Chemical ionization mass spectrometry in atmospheric studies

Analytisk kemiArtikler fra Dansk KemiTop19. 05. 2025

Advances in chemical ionization mass spectrometry can improve our understanding of atmospheric composition. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Varun Kumar, Institut for

Gamle processer, nye muligheder: Nyt kemisk-biologisk koncept til CO2-fangst og omdannelse

AktueltArtikler fra Dansk KemiBioteknologi14. 05. 2025

Oldgamle CO2-ædende mikroorganismer kan fange CO2 direkte fra skorstensrøg og omdanne kulstoffet til grønne molekyler. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Mads Ujarak Sieborg1 og

Centrotherm clean solutions bliver til Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions

AktueltBranchenyt14. 05. 2025

Busch Group annoncerer, at deres brand centrotherm clean solutions bliver en del af Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions. Fra september 2025 vil gasreduktionssystemerne til Semicon-industrien, som tidligere blev tilbudt under dette mærke, blive integreret i Pfeiffer-porteføljen og fremover være

I dag får professor Per Halkjær Nielsen Videnskabernes Selskabs Guldmedalje

Branchenyt14. 05. 2025

For blot fjerde gang i dette årtusinde uddeles Videnskabernes Selskabs Guldmedalje. Det sker i dag, hvor bakterieforsker Per Halkjær Nielsen, professor ved Institut for Kemi og Biovidenskab ved Aalborg Universitet, får den fine hæder for sit livsværk og sin holdånd. Han er manden, der kortlægger

Atmosfærisk transport af PFAS til Højarktis

AktueltArtikler fra Dansk KemiKlima og miljø28. 04. 2025

Tilstedeværelsen af PFAS-forbindelser skyldes ikke kun lokale kilder, men de kan langtransporteres i luften til selv meget fjerntliggende arktiske egne. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen

Biotek-firma bag fedme-medicin på tabletform har lagt en klar plan om samarbejde eller opkøb

AktueltMedicinalkemi21. 04. 2025

I dag er det frem med nålen, hvis man er i behandling med diverse former for fedme-medicin. Det hæmmer imidlertid udbredelsen på specielt asiatiske og afrikanske markeder, hvor der er en udtalt nålefobi. Derfor arbejder det danskstiftede biotekselskab Pila Pharma med at få udvikle deres

Dansk virksomhed vil vende produktionen af ammoniak på hovedet – ned i en lille container

AktueltBioteknologiFødevarekemi07. 04. 2025

NitroVolt, en dansk biotech-virksomhed, vil vende produktionen af ammoniak på hovedet. I stedet for den velkendte løsning, der bygger på den energitunge Haber-Bosch-proces, vil produktionen nu foregå i en container, der fx kan stå direkte ude hos en landmand. Ammoniak til kunstgødning er en slags

En EU-historie om nomenklatur – og ginseng til hunde, katte og heste!

AktueltArtikler fra Dansk KemiHistorisk kemi01. 04. 2025

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 6, 2024 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder. Læs originalartiklen her Nomenklaturudvalget får indimellem henvendelser om dansk kemisk nomenklatur fra de oversættere i EU, hvis opgave det er at oversætte EU-lovgivning på

Tysk elektrolyseanlæg er som det første i verden blevet integreret direkte i kemisk produktion

AktueltEnergi31. 03. 2025

Efter en byggeperiode på omkring to år, er BASF nye 54 megawatt elektrolyseanlæg blevet indviet. Udover at være Tyskland største, med en kapacitet til at producere op til 8.000 ton grøn brint årligt, skriver det også historie på et andet område. Brinten skal primært anvendes som råmateriale i

Dansk innovation blander sig i toppen over lande med de fleste patentansøgninger

AktueltBranchenyt31. 03. 2025

Danske virksomheder er fortsat nogle af de mest aktive i Europa til at innovere. Det viser nye tal fra Den Europæiske Patentmyndighed, EPO, som udsteder patenter, der kan dække i op til 45 lande. Vestas, Novozymes og Danmarks Tekniske Universitet har leveret de største bidrag til, at Danmark kan

Tilmeld Nyhedsbrev

Tilmeld dig til dit online branchemagasin/avis





Få fuld adgang til indlægning af egne pressemeddelelser...
Læs mere her

/Nyheder

  • DENIOS ApS

    Sådan transporterer du lithiumbatterier sikkert

  • Kem-En-Tec Nordic

    Opnå rent DNA/RNA på få minutter og på bæredygtig vis!

  • Kem-En-Tec Nordic

    Sikker gelfarvning på kun 15 minutter?

  • DENIOS ApS

    Her er den oversete vej til et sundere arbejdsmiljø

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions lancerer den nye HiCube Neo RGA

  • Busch Vakuumteknik A/S

    centrotherm clean solutions bliver til Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions

  • DENIOS ApS

    Ved du, hvornår det er tid til at vedligeholde, udskifte eller flytte dit opsamlingskar?

  • DENIOS ApS

    3 sikkerhedsfunktioner, du skal kigge efter på dit opsamlingskar

  • Holm & Halby

    VidensDage 2025: To dage i videnskabens og fremtidens tegn

  • Holm & Halby

    Holm & Halby deltager i Europe Biobank Week 2025

Vis alle nyheder fra vores FOKUSpartnere ›

Seneste Nyheder

  • Chemical ionization mass spectrometry in atmospheric studies

    19.05.2025

  • Gamle processer, nye muligheder: Nyt kemisk-biologisk koncept til CO2-fangst og omdannelse

    14.05.2025

  • Centrotherm clean solutions bliver til Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions

    14.05.2025

  • I dag får professor Per Halkjær Nielsen Videnskabernes Selskabs Guldmedalje

    14.05.2025

  • Atmosfærisk transport af PFAS til Højarktis

    28.04.2025

  • Biotek-firma bag fedme-medicin på tabletform har lagt en klar plan om samarbejde eller opkøb

    21.04.2025

  • Dansk virksomhed vil vende produktionen af ammoniak på hovedet – ned i en lille container

    07.04.2025

  • En EU-historie om nomenklatur – og ginseng til hunde, katte og heste!

    01.04.2025

  • Tysk elektrolyseanlæg er som det første i verden blevet integreret direkte i kemisk produktion

    31.03.2025

  • Dansk innovation blander sig i toppen over lande med de fleste patentansøgninger

    31.03.2025

  • Ny grundbog tager studerende på videregående uddannelser ind i den basale kemi

    26.03.2025

  • Nedrivningsarbejdere i kontakt med PCB slipper med skrækken – kun lave niveauer i blodet

    25.03.2025

  • Styrkelse af nyfundet gen kan gøre kartoflen resistent over for svampeangreb

    24.03.2025

  • Fra forskning i nanosikkerhed til mere sikker håndtering af nanomaterialer i det danske arbejdsmiljø

    21.03.2025

  • Dansk forbud mod PFAS er lige på trapperne – indsigelsesfrist mod 2024-aftale er overskredet

    20.03.2025

Alle nyheder ›

Læs Dansk Kemi online

Annoncering i Dansk Kemi

KONTAKT

TechMedia A/S
Naverland 35
DK - 2600 Glostrup
www.techmedia.dk
Telefon: +45 43 24 26 28
E-mail: info@techmedia.dk
Privatlivspolitik
Cookiepolitik