基于同位素示踪和气相色谱‑质谱选择性离子扫描的生物质热解分析方法

摘要

本发明提供一种基于同位素示踪和气相色谱‑质谱选择性离子扫描的生物质热解分析方法：1)生物质样品及示踪剂的选择和制备；2)确定PY‑GC/MS的热解、色谱及质谱条件；3)数据分析及同位素标记产物的定性和定量分析。本发明对研究生物质的快速热解，有产物直观、说服力强的特点，特别适用于多羟基化合物及其氘取代化合物等的检测，并可对不同热解条件下的氢/氘产物进行定量分析和比较，应用性更广，为生物质能在科研实验、工业应用及综合开发中对热解过程和机制的研究提供新的思路和方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种在线热解-气相色谱-质谱(PY-GC/MS)联合同位素示踪和选择性离子扫描技术研究生物质热解过程和机制的方法，属于生物质综合利用技术领域。

背景技术

生物质资源，亦指可再生的有机物质资源，包括农作物、树木等植物及其残体、畜禽粪便、有机废弃物等，该类资源通过工业加工转化，产生生物燃料(Biofuels)、生物质能(Bioenergy)、生物油(bio-oil)和生物精细化学品(bio-chemicals)等。根据生物质资源的特点，目前，燃料乙醇、生物柴油以及生物精细化学品将成为重点发展的领域。其中，以生物质为源头几乎可以生产出所有的基础有机化工原料和精细化学品。如以生物质热解为主要技术的轻质酚类化合物及其下游酚醛树脂的工业化应用，已经实现了小规模的生产。

在生物质转化为生物精细化学品的过程中，低温热裂解技术耗能少、产值高，能够保留丰富的化学结构信息，目前仍然是最具有发展潜力的生物质利用技术之一。但是热解产物的复杂性和热解过程的复杂性制约了低温热解技术的发展和应用。针对于此，许多先进的分析技术和研究方法都积极的应用于该领域，如GC/MS、LC/MS、TG/DTG、LC-NMR、TG/IR等等。在这些方法中，在线热解气质联用分析技术(PY-GC/MS)具有高升温速率、热裂解温度和时间可调、挥发性组分快速转移或冷却等技术优势，在生物质、煤等的热解研究中应用迅速。

同位素示踪法(isotopic tracer method)是利用放射性核素作为示踪剂对研究对象进行标记的微量分析方法，放射性核素的原子、分子及其化合物，与普通物质的相应原子、分子及其化合物具有相同的化学、生物学性质，因此与研究对象的无选择性和能够被高灵敏度仪器检测的特殊性质，使得该方法在研究化学、生物等过程中应用广泛。

目前，尚未见到联合同位素示踪以及PY-GC/MS研究生物质热解过程和机制的方法报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于同位素示踪和气相色谱-质谱选择性离子扫描的生物质热解分析方法。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

1)将生物质依次进行干燥、破碎和过筛，得到生物质样品；

2)将生物质样品与共热解反应物以及共热解反应物的单同位素取代化合物分别组成双组分热解物料，将每个双组分热解物料单独加入热解杯中，然后采用在线热解-气相色谱-质谱联用仪对热解杯中的双组分热解物料进行热解并对热解产物进行检测；检测时采用选择性离子扫描模式对全扫描模式下具有相同保留时间的同位素取代和非取代热解产物进行定量分析，得到所述同位素取代和非取代热解产物各自的相对含量；

3)计算所述单同位素取代化合物对应的双组分热解物料的同位素取代和非取代热解产物的相对含量的比值；

4)计算共热解反应物对应的双组分热解物料的同位素取代和非取代热解产物的相对含量的比值；

5)将步骤3)计算的比值与步骤4)计算的比值进行比较。

所述生物质选自纤维素、半纤维素、木糖醇、木质素或作物秸秆(如葵花杆、玉米杆、高粱杆或麦秆)。

所述共热解反应物为H₂O，所述单同位素取代化合物为D₂O或H₂O¹⁸。

所述热解杯中生物质样品的加入量为0.1-10mg，H₂O、D₂O或H₂O¹⁸的加入量为10-50μL。

所述步骤1)具体包括以下步骤：将生物质在60-80℃下干燥0.5-3h，破碎，过80目筛。

所述在线热解的工作条件为：热解温度为200-700℃，热解时间为0.1-5min。

所述气相色谱的工作条件为：载气为流速0.1-1.0mL/min的氦气，分流比为0:1-400:1，升温程序为：初始温度为40-60℃，保持1-5min，然后以4-6℃/min升至150-180℃，然后以4-10℃/min升至260-300℃，保持2-6min，再以8-20℃/min升至310-315℃，保持2-6min。

所述质谱的工作条件为：采用EI源、正离子检测，电子能量为40-100eV，离子源温度为230-250℃，单四级杆温度为150-180℃，扫描模式为全扫描模式并结合选择性离子扫描模式(SIM)，电子倍增器电压为1070-3120V，溶剂延迟为0-3.75min。

所述同位素取代和非取代热解产物的相对含量的比值采用选择性离子扫描模式下相应色谱峰的面积比值进行计算。

本发明的有益效果体现在：

本发明在PY-GC/MS技术的基础上，加入了同位素示踪剂，从而更加真实的还原热解过程，并且能够直观的观测到热解过程中的自由基(如氢自由基和羟基自由基)的最终去处。本发明在充分利用在线热解的高温环境和精确控温的性质上，结合色谱对同位素取代和非取代热解产物有相同保留能力和质谱对同位素取代和非取代热解产物有强大分辨能力的基础上，结合各自的优点，提供一种研究热解过程强有力的分析方法。可以用于简单、快速的研究生物质热解过程和机制，特别适合对各类生物质或其主组分中相互影响及其耦合作用的研究。

本发明在PY-GC/MS技术常用的全扫描模式(TIC)的基础上，考虑到同位素交换反应的速率较快但程度较低，其同位素取代产物的丰度较低，在TIC模式下，MS信号重叠严重，难以分离，对定量研究十分不利；因此，在参考同位素取代和非取代热解产物的保留时间下，采用选择性离子扫描模式(SIM)提高信噪比，对干扰的MS信号进行屏蔽，从而满足定量研究的需要。

附图说明

图1为木质素样品在250℃、1min热解，分别加入5μL H₂O、D₂O或H₂O¹⁸时苯酚及其同位素取代化合物(保留时间为t_R＝12.17)的SIM图(m/z＝94)。

图2为木质素样品在250℃、1min热解，分别加入5μL H₂O、D₂O或H₂O¹⁸时苯酚及其同位素取代化合物(保留时间为t_R＝12.17)的SIM图(m/z＝95)。

图3为木质素样品在250℃、1min热解，分别加入5μL H₂O、D₂O或H₂O¹⁸时苯酚及其同位素取代化合物(保留时间为t_R＝12.17)的SIM图(m/z＝96)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

热解过程中产生大量的各种自由基，其中氢自由基和羟基自由基的浓度最大，且参与各类热分解和热聚合反应最多，是热解过程中研究最多的两类自由基。以生物质和H₂O、D₂O或H₂O¹⁸(均购于青岛腾龙有限公司)的共热解为例，实施例不是对本发明保护范围的限定。

本发明中，基于生物质热解产物定性及定量研究的方法，并根据研究需要，同时考虑检测的灵敏度及放射性核污染等因素，采取氘、氧18等作为示踪剂，利用原子量的区别，用MS系统进行检测。此外，考虑到同位素交换反应的速率和程度，一般情况下，同位素取代产物的丰度较低；因此，采用选择性离子扫描模式(SIM)对相同保留时间下的同位素取代和非取代热解产物进行分析，以满足定量研究的需要。

实施例1

本实施例提供了一种在线热解-气相色谱-质谱联合同位素示踪和选择性离子扫描技术研究生物质热解过程和机制的方法，具体步骤如下：

一、样品准备

将木质素(购于华燕化工有限公司)于80℃鼓风干燥2h，破碎，过80目筛后，将粒径均一的木质素粉末密封保存。

二、示踪剂的选择：采用D₂O和H₂O¹⁸为示踪剂，分别替换H₂O中的H和O，因此，一个D取代H的产物，其分子量增加1；一个O¹⁸取代O的产物，其分子量增加2。

三、热解、分离及检测

分别进行以下三个热解：

(1)采用Frontiers的PY-2020is快速裂解仪，将准确称量的1.00mg(±0.02mg)木质素粉末和5μL H₂O装于热解小杯(标准100μL)中；安置在热裂解仪的挂钩处，设置热解条件：热解温度250℃和热解时间1min；

(2)同样，将准确称量的1.00mg(±0.02mg)木质素粉末和5μL D₂O装于热解小杯，按照上述热解条件进行热解；

(3)同样，将准确称量的1.00mg(±0.02mg)木质素粉末和5μL H₂O¹⁸装于热解小杯，按照上述热解条件进行热解；

色谱：

检测采用安捷伦7890A/5975C，在线连接PY-2020is快速裂解仪；

①分析柱是HP-5MS弹性石英毛细管柱(30m*0.25id*0.25um)；

②载气：高纯氦气，流速为1.0mL/min；

③分流比：50:1；

④进样口温度290℃，传输线温度290℃；

⑤程序升温：初始温度为40℃，保持3min，然后以4℃/min升至180℃，然后以10℃/min升至280℃，保持4min，再以10℃/min升至310℃，保持4min；

质谱：

①EI源，正离子检测，电子能量为70eV；

②离子源温度为230℃，单四级杆温度为150℃，电子倍增器电压为1070V，溶剂延迟为3.5min；

③全扫描模式(TIC)对热解产物进行初步筛选，质量范围m/z：20～400amu；

④选择性离子扫描模式(SIM)同时对苯酚(m/z＝94)、D-苯酚(m/z＝95)和O¹⁸-苯酚(m/z＝96)进行定量分析。

四、数据分析及处理

①全扫描模式(TIC)色谱图的保留时间和积分面积由安捷伦Chemstation工作站自动完成，利用NIST08谱库定性色谱峰。

对于苯酚(保留时间t_R＝12.17)、邻甲氧基-对乙烯基-苯酚(保留时间t_R＝22.94min)、2,6-二甲氧基苯酚(保留时间t_R＝25.09min)、2,6-二甲氧基-4-丙烯基-苯酚(保留时间t_R＝35.41min)，这四个化合物则进一步通过与标准物质的色谱保留时间及质谱数据来确认。

②选择性离子扫描模式(SIM)。

本实施例中选择苯酚(m/z＝94)、D-苯酚(m/z＝95)和O¹⁸-苯酚(m/z＝96)为定量研究对象。

③定量研究

对不同提取离子下的SIM图做定量积分，用积分面积的比值来定量描述同位素取代产物的含量变化。参见图1～图3，结果表明：在设定的250℃热解温度和1min热解时间下，木质素和水(H₂O、D₂O或H₂O¹⁸)共热解的产物中，D-苯酚(第二个热解)和O¹⁸-苯酚(第三个热解)的相对含量与对应热解中苯酚的相对含量的比值比第一个热解中相应的比值，分别上升了34倍和1.6倍，这一结果也提示，在热解反应中，氢自由基的浓度和反应速度要远高于羟基自由基，氢自由基相对于羟基自由基来说，其在设定条件下对反应的影响为羟基自由基的21倍左右。

实施例2

除以下不同外，其他条件与实施例1相同：

热解条件为350℃、0.2min，分流比为100：1，示踪剂用量为50μL H₂O、D₂O或H₂O¹⁸，定量研究对象为邻甲氧基-对乙烯基-苯酚(m/z＝150)、D-邻甲氧基-对乙烯基-苯酚(m/z＝151)和O¹⁸-邻甲氧基-对乙烯基-苯酚(m/z＝152)。

结果表明：D-邻甲氧基-对乙烯基-苯酚(第二个热解)和O¹⁸-邻甲氧基-对乙烯基-苯酚(第三个热解)的相对含量与对应热解中邻甲氧基-对乙烯基-苯酚的相对含量的比值比第一个热解中相应的比值分别上升了646倍和1.33倍。氢自由基相对于羟基自由基来说，其在设定条件下对反应的影响为羟基自由基的485倍左右。

实施例3

除以下不同外，其他条件与实施例1相同：

生物质为葵花杆，H₂O、D₂O或H₂O¹⁸用量为10μL，热解条件为450℃、0.1min，定量研究对象为2,6-二甲氧基苯酚(m/z＝154)、D-2,6-二甲氧基苯酚(m/z＝155)和O¹⁸-2,6-二甲氧基苯酚(m/z＝156)。

结果表明：D-2,6-二甲氧基苯酚(第二个热解)和O¹⁸-2,6-二甲氧基苯酚(第三个热解)的相对含量与对应热解中2,6-二甲氧基苯酚的相对含量的比值比第一个热解中相应的比值分别上升了15.5倍和1.23倍。氢自由基相对于羟基自由基来说，其在设定条件下对反应的影响为羟基自由基的12.6倍左右。

实施例4

除以下不同外，其他条件与实施例1相同：生物质为麦秆，H₂O、D₂O或H₂O¹⁸用量为20μL，热解条件为650℃、0.5min，定量研究对象为2,6-二甲氧基-4-丙烯基-苯酚(m/z＝194)、D-2,6-二甲氧基-4-丙烯基-苯酚(m/z＝195)和O¹⁸-2,6-二甲氧基-4-丙烯基-苯酚(m/z＝196)。

结果表明：D-2,6-二甲氧基-4-丙烯基-苯酚(第二个热解)和O¹⁸-2,6-二甲氧基-4-丙烯基-苯酚(第三个热解)的相对含量与对应热解中2,6-二甲氧基-4-丙烯基-苯酚的相对含量的比值比第一个热解中相应的比值分别上升了113倍和2.22倍。氢自由基相对于羟基自由基来说，其在设定条件下对反应的影响为羟基自由基的51倍左右。

本发明对研究生物质的快速热解，有产物直观、说服力强的特点，特别适用于多羟基化合物及其氘取代化合物等的检测，并可对不同热解条件下的氢/氘产物和O/O¹⁸产物进行定量分析和比较，应用性更广，为生物质能在科研实验、工业应用及综合开发中对热解过程和机制的研究提供新的思路和方法。若结合同位素取代产物浓度与热解条件的关系，本发明可进一步研究热解动力学的各个影响因素在热分解和热聚合过程中的相互关系。