使用全面二維液相層析儀，分析木質纖維素生物質 (Lignocellulosic Biomasses) 的熱裂解水相特性

再生能源資源可望成為化石燃料及其衍生物的替代解決方案，其中生質更深具潛力，在全球各地蘊藏豐富。生物質可透過熱化學程序 (350 °C 至 700 °C) 熱裂解，無需空氣，轉化為高附加價值的產品，例如自然界存在的生物分子 (纖維素 (cellulose)、半纖維素 (hemicelluloses)、木質素 (lignin) 等)，可以熱裂解為簡單的有機分子。熱裂解後的液態產物，可依水溶性分為兩種分液：非水溶性分液具有黏性，密度大於水溶性分液 (通常稱為生質油)，由許多含氧官能基組成，包括酸 (acid)、醛 (aldehyde)、酮 (ketone)、酚 (phenol)、呋喃 (furan)、糖類 (sugar)；水溶性分液主要包括低分子量酸和醛、具有高反應性的酮，以及產生煙薰味的酚類化合物。為避免水樣品不適合 GC 應用而需要進行萃取步驟，我們從三種不同生質得到生質油水相，使用全面 LC (LCxLC) 搭配 PDA 及大氣壓力化學電離質譜儀 (APCI-MS) 完成分離。

樣品與樣品製備

椰子纖維、甘蔗秸稈、甘蔗渣的生質，事先於刀片式研磨機研磨，並在烘箱中以 120 °C 乾燥 48 小時。使用的生質油是在固定床反應器中，將生物質快速熱裂解產生。

儀器設備

分析工作以 Shimadzu Prominence 系統 (Shimadzu, Milan, Italy) 進行，系統包含一個 CBM-20A 控制器、兩個 LC-20AD 並聯式雙活塞幫浦 (用於第一維度 ¹D 分離)、一個 LC-20AB 溶媒輸送模組配備兩個並聯式雙活塞幫浦 (用於第二維度 ²D 分離) 、一個 DGU-20A3 線上除氣裝置、一個 CTO-20A 管柱烘箱、一個 SIL-20AC 自動進樣器、一個 SPD-M20A 光電二極體偵測器 (2.5 µL 檢測器樣品槽體積)、一台 LCMS-2020 單一四極桿質譜儀。於管柱烘箱內使用電子控制 2 位 10 通切換閥 (Supelco, Bellefonte, PA, USA) 連接兩個維度，並配備兩個相同 10 µL 樣品環。系統由 LabSolution 軟體 5.41 SP1 版 (Shimadzu, Milan, Italy) 控制，在整個分析期間， 使用 12.5 Hz 及 0.08 秒採樣率，從 200 至 350 nm 收集數據。
以 280 nm 波長擷取層析圖，LCxLC 數據使用 Chromsquare 2.0 版 (Shimadzu, Kyoto, Japan) 繪製二維及三維影像。

LCxLC-MS-MS 分析

¹使用 Ascentis RP-Amide (250 x 1 mm, 5 µm dp) 管柱 (Supelco, Bellefonte, PA, USA) 進行 1D 分離，流速為 10 µL min ^-1，經微量注射器及秒錶進行精確驗證。使用的移動相為 (A) 水及 (B) 乙腈 (acetonitrile)，依以下梯度沖提：0 min，5% B；120 min，100 % B；150 min，100 % B。進樣體積為 2 µL，管柱烘箱溫度為 40 °C。使用 Ascentis Express C8 (30 x 3.0 mm，2.7 µm d.p.) 管柱 (Supelco, Bellefonte, PA, USA) 進行 2D 分離。使用的移動相為 (A) 水及 (B) 乙腈，依以下梯度沖提：(0-80 min) 0 min，2 % B；0.7 min，10 % B；0.79 min，10 % B；0.80 min，2 % B；1.0 min，2 % B；(80-150 min) 0 min，5 %B；0.79 min，15 % B；0.80 min，5 % B；1.0 min，5 % B。流速為 3.0 mL min ^-1，在 MS 檢測前流經 T 型接頭，使流速降至約 1 mL min ^-1，烘箱溫度為 40 °C。在以下條件，使用 APCI 界面於正負電模式進行 MS 擷取：質譜範圍：50-400 m/z；事件時間：0.3 秒；掃描速度：1250 u/s；霧化氣體 (N2)流量： 2.0 L min-1；乾燥氣體 (N2) 流量：10 L min-1；加熱板溫度：200 °C；去溶媒管 (DL) 溫度：250 °C；DL 電壓：-34 V；探針電壓：-4.5 kV；Qarray DC 電壓：1.0 V；Qarray RF 電壓：60 V；檢測增益 (gain)：1.0 kV。

為達到最佳化目的，分離樣品之前先在 LCxLC 系統上分析 14 種化合物的標品準混合物，結果如圖 6.1 所示。

在這項分析中， ¹ D 使用 RP-Amid 管柱 (RPA)， ² D 使用部分多孔的辛基二氧化矽管柱 (C8)。 進行最佳化時，考量注射至次級管柱的每個分液，必須在下一次轉移之前完全沖提，以儘量縮短 ²D 分析時間 (1 min)，同時不影響 1D 達到的分離。因此，在 2D 分析中採用極高的流速 (3 mL min-1)。在 ¹D 及 ²D 維度逐漸增加乙腈，測試在水中的不同梯度。
結果證實，使用分段梯度最為有效，可產生最多的峰容量並增加正交角度。為確保第一維度層析沖提物在 ²D 層析管柱前端聚集，且由於再處理時間較短 (12 s)，因此採用的梯度程序從 98% 濃度的較弱溶劑 (水) 開始，而後應用快速重複梯度 (每 1 分鐘一次)。RP-Amide 管柱 (可能是由於極性嵌入 RP 相) 搭配 C18 管柱，提供足夠的分離選擇性，可有效應用於 RP-LCxRP-LC 分離。事實上，從分析結果可以看到，所有足以代表受測樣品的目標化合物，皆以良好的正交度分離出來。圖 6.2 顯示椰子纖維熱裂解後的水相 LCxLC-PDA-APCI-MS 層析圖，表 6.1 列出三個樣品中確定的化合物，亦即呋喃 (furan)、酮 (ketone)、酚 (phenol)、醇 (alcohol)。

以下報告使用 APCI-MS 檢測，以 LCxLC 分析生質油水相中的極性及低分子量 (m/z ≤ 179) 化合物。由於具有羥基官能基，在 APCI-MS 負電模式下測得的酚及醇為 [MH]-，而在正電模式下，測得的酮及呋喃多數為 [M]+ 或 [M+H]+。
分析結果證實，使用 RP-LCxRP-LC 由於峰容量增加，可有效對木質纖維素生物質的熱解進行水相特性分析。酚、酮、呋喃是已知化合物的主要類別，因此生質油分離後熱解過程中得到的水相，在食品及化學工業可能具有多種用途。