A spektroszkópiai technikák alkalmazásának fejlődése a bioüzemanyagok területén az elmúlt évtizedekben

Hirdetés

Vibrációs spektroszkópia: infravörös és Raman spektroszkópia a bioüzemanyagok értékeléséhez

A vibrációs spektroszkópiával magyarázható az az elképzelés, hogy a molekulákból álló rendszerek rezgési mozgást végezhetnek, amelyben az atomok állandó mozgásban vannak az egyensúlyi helyzetük körül. Minden molekula tartalmaz egy alapállapot energiát (beleértve a rezgési energiát is), amely különböző komponensek összegeként írható le. Ez az energia határozza meg azt a minimális energiát, amellyel a molekulában lévő atomok periodikus mozgást végezhetnek, amelyet főként a 2. ábrán látható hat mozgás ír le.

Ez a spektroszkópiatípus alapelve, hogy az elektromágneses sugárzás kölcsönhatásba léphet a molekulákkal, és alapállapotuk energiájából egy olyan rezgési gerjesztett állapot energiájába vezetheti őket, amelyben az atomok mozgása nagyobb energiájú. Az állapotátmenet kvantummechanikai szabályokat követ, és kvantált energiaszinteknek engedelmeskedik; a rezgés harmonikus oszcillátoros szemlélete esetén az energia, amely a molekulát egy rezgési állapotból egy közvetlenül magasabb állapotba viszi, (12hv), ahol his a Planck-állandó és vis a rezgés frekvenciája. Ezért a molekulával kölcsönhatásba lépni képes fotonnak olyan energiával kell rendelkeznie, amely megegyezik ezzel az értékkel ahhoz, hogy a molekula rezgési állapotát megváltoztassa; ellenkező esetben az átmenet nem jön létre. Az elektromágneses spektrumnak az a része, amely ilyen átmenetekhez vezethet, az infravörös tartomány. Ezt a tartományt három különböző részre lehet osztani, amelyek spektroszkópiai vizsgálatára különbözőképpen alkalmazhatók: a közeli infravörös (NIR), 14 000-4000 cm-1, lehetővé teszi a felhangok és a harmonikus vagy kombinált rezgések vizsgálatát; a középső infravörös (MIR), 4000-400 cm-1, lehetővé teszi az alaprezgések és a kis molekulák forgásrezgési szerkezetének vizsgálatát; és a távoli infravörös (FIR), 400-10 cm-1, lehetővé teszi a kis súlyú atomok rezgéseinek vizsgálatát . Egy többatomos molekula az atomok számától és szabadságfokától függően többféle rezgésen mehet keresztül. A nemlineáris molekulák esetében a lehetséges rezgések száma a 3N- 6 szabállyal határozható meg, ahol Naz atomok teljes száma. Ezért a különböző molekulák különböző típusú rezgéseken mennek keresztül, ami az infravörös sugárzás elnyelésével különböző lehetséges átmenetekhez vezet. Ez az előfeltétele az ilyen típusú spektroszkópiának, mivel az ilyen technikával elért spektrum egy molekula ujjlenyomatának tekinthető, és kifejezetten funkciós csoportelemzésre használható .

A rezgések vizsgálatára szolgáló két fő technika az infravörös és a Raman spektroszkópia, és a huszadik század közepe óta a többi technikánál nagyobb mértékben tanulmányozzák őket alkalmazások céljából. Bár az elméleti ismereteket az előző évszázadban fejlesztették ki, az infravörös spektroszkópia csak a második világháború előtt ért el áttörést: a háború előtti kevesebb mint 20 műszerről 1947-re 700-ra nőtt a műszerek száma. Valójában a háború alatt számos brit/amerikai program ösztönözte a korai, kereskedelmi forgalomban kapható infravörös műszerek kutatását és fejlesztését, például a kőolajelemzésben (pl. a német légierő által használt benzin eredetének nyomon követésére), a szintetikus gumi gyártásának minőségellenőrzésében és a penicillin szerkezetének felbontásában. A korai publikációk példái az ipari alkalmazásoktól a tudományosabb tanulmányokig terjednek Például Downing és munkatársai infravörös spektroszkópiát használtak a diklór-difenil-triklór-etán molekula izomerjeinek megkülönböztetésére és a szennyeződések jelenlétének minőségi kimutatására a mintákban, Pfann és munkatársai pedig infravörös spektroszkópiát használtak a polimerizációs reakció katalizálásához használt iniciátorok molekuláris fragmentumainak jelenlétének értékelésére a végső polimer szerkezetében. Ami a bioüzemanyagok területét illeti, mivel ez egy újabb keletű téma, az infravörös spektroszkópia első leírt alkalmazásai csak az 1990-es évek végén kezdtek megjelenni. Adjaye és munkatársai 1996-ban szilícium-dioxid-alumínium-dioxid és HZSM-5 különböző keverékeinek jellemzésére használták, mint katalizátorokat a juharfa termikus feldolgozásából származó bioüzemanyag folyékony szénhidrogénekké történő katalitikus átalakításához; ugyanebben az évben Sanderson és munkatársai a technikát biomassza alapanyagok összetételének elemzésére használták. A Raman-spektroszkópiát viszont csaknem egy évtizeddel később alkalmazták bioüzemanyag-vizsgálatokra, mint az infravörös spektroszkópiát, például Oliveira és munkatársai munkájában. Ők a technikát a dízel/biodízel keverékek növényi olaj hozzáadásával történő hamisításának meghatározására használták. Ebben a tanulmányban mind a Raman-, mind a közeli infravörös spektroszkópiát alkalmazták a meghatározáshoz, és mindkettő hasonló pontosságú végeredményt adott a hamisítás mennyiségi meghatározására, a számításhoz használt algoritmustól függően.

A két technika, bár a molekulák rezgési módusaihoz kapcsolódik, eltérő elvű és egymást kiegészítő. Az infravörös spektroszkópia a sugárzás abszorpcióján, míg a Raman-spektroszkópia az inelasztikus ütközéseken keresztüli kölcsönhatáson alapul. Az infravörös spektroszkópiában egy bizonyos energiájú (v frekvenciájú) infravörös fotont akkor képes elnyelni egy molekula, ha ez az energia pontosan megegyezik egy rezgési alapállapot és egy rezgési gerjesztett állapot közötti energiakülönbséggel; egy egyszerűsített harmonikus modellt használva a két állapot közötti energiakülönbség (12hv), amint azt a szövegben már említettük. Ennélfogva az ahhoz szükséges fotonenergia (Ep), hogy egy átmenet lehetséges legyen, a következőképpen definiálható:

Ha azonban egy foton rendelkezik is ilyen energiával, ez az állapotátmenet az infravörös spektroszkópia fő szelekciós szabálya miatt nem feltétlenül létezik: az abszorpció (tehát az átmenet) bekövetkezéséhez a rezgésnek a dipólusmomentum változásához kell vezetnie. Ha nem következik be változás, akkor ez az átmenet “infravörösben tiltottnak” minősül. Az intenzitás, amelyben az átmenetek bekövetkeznek, a rezgéshez kapcsolódó molekuláris kötésektől is függ, mivel arányos ennek a dipólusmomentumnak a négyzetével .

A Raman-spektroszkópia esetében a rezgés általi dipólusmomentum-változás nem vágási szabály, és az infravörös spektroszkópiában nem megengedett rezgési átmenetek a Raman-spektroszkópiában megengedettek lehetnek. Ennek oka az ebben a spektroszkópiában lejátszódó eltérő jelenségek; mint említettük, a technika kihasználja a foton és a molekula közötti rugalmatlan ütközést, ami a besugárzottól eltérő hullámhosszú elektromágneses sugárzás szóródásához vezet. Az elektromágneses sugárzás elektromos mezeje kölcsönhatásba léphet a molekulával, ami a mezővel ellentétes irányban mozgó elektronok és atommagok válaszaként egy további indukált dipólusmomentumot hoz létre, a Coulomb-törvénynek megfelelően. A függőség ebben az esetben a molekula polarizálhatóságával, azaz a molekula körüli elektronfelhő külső elektromos tér hatására történő deformálhatóságával mért polarizálhatósággal függ össze. Valójában a Raman-spektroszkópiában a rezgésátmenet kiválasztási szabálya az, hogy az a molekula polarizálhatóságának változását okozza. A beeső fotont ekkor a molekula pillanatnyilag elnyeli, ami az alapállapotból egy virtuális állapotba való átmenethez vezet; egy új foton jön létre és szóródik ebből a virtuális állapotból egy alacsonyabb energiájú rezgési állapotba való átmenet révén, amint az a 3. ábrán látható. A szórt fény nagy része ugyanolyan frekvenciájú, mint a kiindulási fény, ahogyan azt a Rayleigh-szórás leírja, amely nem tartalmaz semmilyen információt a molekulára vonatkozóan. Az információ a Stokes- és az anti-Stokes-szórásból származik, amikor a molekula alapállapotból virtuális állapotba vagy gerjesztett állapotból virtuális állapotba kerül; az első esetben a szórt fény frekvenciája kisebb, mint a kiindulási fényé, míg a második esetben a szórt fény frekvenciája nagyobb, mint a kiindulási fényé. A Raman-spektrum tehát mindkét típusú szórási spektrummal felosztható, és a frekvenciakülönbség megegyezik az infravörös spektroszkópia frekvenciakülönbségével.

Mindkét technika esetében a jellemzés az egyik fő lehetőség, mivel a molekuláris rezgések frekvenciái az atomok tömegétől, geometriai elrendeződésétől és a kémiai kötések erősségétől függnek. A spektrumok információt szolgáltatnak a molekulák szerkezetéről, dinamikájáról és környezetéről .

Az alkalmazás szempontjából mindkét technikának különböző apparátusi sémái vannak, amelyekkel a szerzők itt nem foglalkoznak, de máshol könnyen megtalálhatók. Ami a technikák közötti különbséget illeti összehasonlítási céllal, Peter Larkin az “Infravörös és Raman spektroszkópia: Principles and Spectral Interpretation” (Alapelvek és spektrális értelmezés), amint az a 2. táblázatban látható.

A minták infravörös spektroszkópiával és Raman spektroszkópiával elért spektrumai közötti különbséget szemlélteti Corsetti et al. tanulmánya , amelyben mindkét technikát etanol és egy benzin szisztematikusan variált keverékeiben végzett mennyiségi mérésekhez használták, ami a bioetanol előállítása miatt érdekes téma. A 4. ábra a két technika összehasonlítását mutatja a keverék, valamint a tiszta etanol és a benzin esetében.

A spektrumok közötti összehasonlítás nagyon közvetlen lehet, amelyben az IR-spektroszkópia esetében nagyon intenzív sávok a Raman-spektroszkópiában alacsony intenzitásúak, és fordítva. Az alkoholmolekulákhoz kapcsolódó rezgési sávok, amelyek az O─H (3600-3000 cm-1) és a C─O (1000-1100 cm-1) sávok nyúlásai, az IR-spektrumokban intenzívek a dipólusmomentum nagy változását okozó elektronegativitás miatt, azonban ezek a rezgések nem nagyon polarizálhatók, így a Raman-spektrumokban alacsony intenzitással jelennek meg. Másrészt a C─H sávok nyújtásához és hajlításához kapcsolódó sávok (3000-2800 cm-1 és 1600-1200 cm-1) nem okoznak nagy változást a dipólusmomentumban, és nem túl intenzívek az IR-spektrumokban, míg a Raman-spektrumokban általában jobban polarizálhatók és nagyobb intenzitással jelennek meg.

Amint korábban említettük, a két technika első alkalmazása a bioüzemanyagok területén a bioüzemanyagok összetevőinek/tulajdonságainak jellemzésére és mennyiségi meghatározására irányult. Az ilyen típusú alkalmazások nagyon gyakoriak, és az elmúlt két évtizedből rengeteg munka található az irodalomban ezzel kapcsolatban. A jellemzés a fő jellemzője ezeknek a technikáknak, amelyeket különböző helyzetekben alkalmaztak. Az egyik ilyen a katalizátorok értékelése, mint például a Wembabazi et al. által a biodízel előállításához szacharózból, fűrészporból és csirketojáshéjból előállított heterogén biokatalizátorok vizsgálata. Egy másik tanulmány szénhidrogén bioüzemanyagok előállítását vizsgálta carinata olaj hidrogénezésével , míg más tanulmány bioadalék üzemanyagok előállítását vizsgálta bioglicerinből környezetbarát körülmények között . Számos más munka is található, amely ezzel a témával foglalkozik A jellemzést nemcsak a bioüzemanyag-folyamatokhoz használt katalizátorokra, hanem magára a bioüzemanyagra is alkalmazták, mint például egy törökországi növény szubkritikus és szuperkritikus hidrotermikus cseppfolyósításából származó bioolajok szerkezeti elemzése Durak és Aysu tanulmányában , vagy a kolumbiai pálmaolaj biodízelből izolált oldhatatlan anyag jellemzése Plata et al . Továbbá Nanda et al. a lótrágyát katalitikus szuperkritikus vizes elgázosítással értékelte, mint a bioüzemanyag-előállítás lehetséges következő generációs alapanyagát . Sokan mások is alkalmazták ezt a megközelítést .

Ezeknek a technikáknak egy másik nagyszerű tulajdonsága a koncentrációfüggőségük. A jelek intenzitása a sávrezgés jellemzőjével és az állapotátmenethez szükséges molekulák számával (azaz a molekulakoncentrációval) függ össze. Ez a függőség a Lambert-Beer-törvénnyel határozható meg, amely kimondja, hogy a jel és a koncentráció között lineáris kapcsolat van. Ezért ez felhasználható a keverékekben jelen lévő komponensek koncentrációjának becslésére vagy más tulajdonságok becslésére különböző rendszerekben. Amint azt korábban megjegyeztük, az egyik első infravörös spektroszkópiát alkalmazó cikk a biomassza alapanyagok összetételének elemzését célozta, ahol több fás és lágyszárú alapanyag (összesen 121 minta) kémiai összetételét határozták meg NIR spektroszkópia segítségével. A mintákban elemezték az etanol-kivonatokat, hamut, lignint, uronsavakat, arabinózt, xilózt, mannózt, galaktózt, glükózt, valamint C, H, N és O-t, és mindezen válaszokat spektroszkópia segítségével számszerűsítették. Az eredmények nagy korrelációt mutattak a legtöbb válasz esetében, amint azt az 5. ábra is mutatja, ami arra utal, hogy az infravörös spektroszkópia képes volt a biomassza alapanyagokhoz kapcsolódó komponensek nagy pontosságú válaszokkal történő számszerűsítésére.

Kvantitatív vagy osztályozási célokra számos kemometriai algoritmus alkalmazható a rezgési adatokra, hogy az adatokat relevánsabb mennyiségi információvá alakítsák át. A Sanderson fent bemutatott munkája esetében a spektrumadatok válaszokká történő átalakítására a parciális legkisebb négyzetek regresszióját (PLSR) alkalmazták. A bioüzemanyagok területén számos más munka is használt különböző algoritmusokat a különböző válaszok mennyiségi értékelésére vagy minőségellenőrzésre és osztályozásra, mint például a többváltozós lineáris regresszió (MLR), a főkomponens-regresszió (PCR), a támogató vektor gépek (SVM), mesterséges neurális hálózat (ANN), részleges legkisebb négyzetek diszkriminanciaanalízise (PLS-DA), főkomponens-analízis (PCA), K-közelebbi szomszédok (KNN), lineáris diszkriminanciaanalízis (LDA), kvadratikus diszkriminanciaanalízis (QDA), regularizált diszkriminanciaanalízis (RDA), többek között (lásd a 6. ábrát).

A vibrációs technikákat alkalmazó terület további alkalmazási területei a bioüzemanyagok lebomlásának értékelése és a folyamatok értékelése . Ami az utóbbi témát illeti, az elmúlt évtizedben a folyamatoptimalizálás és -szabályozás új stratégiája jelent meg, nevezetesen a folyamatanalitikai technológia (PAT) kezdeményezés . A PAT a technológiák optimális alkalmazásaként definiálható a visszacsatolási folyamat-ellenőrzési stratégiákban, az információkezelési eszközökben és/vagy a termék-folyamat optimalizálási stratégiákban, ahogyan azt Chadwick és társai leírták . Céljainak elérése érdekében valós idejű érzékelési technikákat alkalmaznak a paraméterek ellenőrzésére és nyomon követésére a teljes feldolgozási láncban, nagy mennyiségű adatot elérve. A szakirodalomban a PAT-ot a reakcióutak követésére, az időbeli konverzió nyomon követésére, sőt a biodízelgyártás katalizátorhatékonyságának kvantitatív értékelésére is alkalmazták . Példaként a mi kutatócsoportunkból Kartnaller és munkatársai infravörös spektroszkópiát és kemometriát használtak egy szabad zsírsav biodízellé történő észteresítési reakciójának követésére, az elegyben lévő minden egyes komponens számszerűsítésére és a különböző enzimatikus katalizátorok értékelésére . A 7a. ábra a reakcióelegy spektrumának változását mutatja, amelyben a különböző komponensekhez tartozó sávok a reakció előrehaladtával változnak. Mint már említettük, a spektroszkópiai jel a Lambert-Beer-törvény szerint koncentrációfüggő; ezért ha egy elegyben lévő termék koncentrációja változik, akkor a sávjainak intenzitása is változik. A technológia fejlődésével az infravörös berendezések az elmúlt évtizedekben megváltoztak, és új típusok jelentek meg a piacon. Ez lehetővé tette, hogy a berendezések kevesebb idő alatt és automatizált módon több információt szerezzenek, ami sok információt generálhat, és lehetővé teszi a reakcióutak egyszerű nyomon követését, amint az a 7b. ábrán látható.

Ezekből könnyen megállapítható, hogy a rezgésspektroszkópia általában véve széleskörűen alkalmazható, és a bioüzemanyagok területén az elmúlt években sokféle cél érdekében alkalmazták. A technológiai fejlődés növekedésével, mind műszaki szempontból, mind a bioüzemanyag-kutatásban, a technika alkalmazása minden bizonnyal még inkább növekedni fog.