Towards the Quantification of FAME in Fuels Using Advanced Infrared Spectroscopy Techniques

Abstract

Die Integration enzymbasierter Biosensoren in die analytische Chemie, hat zu deutlichen Verbesserungen der Selektivität beim Nachweis spezifischer Analyten geführt. In Kombination mit Infrarotspektroskopie (IR), ermöglichen diese Biosensoren die Überwachung des Reaktionsverlaufs, indem der charakteristische spektrale Fingerabdruckbereich des Zielmoleküls genutzt wird. Um dies zu ermöglichen, können bioaktive Materialien wie Enzyme auf kleinen Trägern wie Siliziumdioxidpartikeln oder Glasperlen immobilisiert werden. Diese katalysieren dann Reaktionen, deren einzigartige Signaturen mittels IR-Spektroskopie detektiert werden können. In einem Transmissionsaufbau implementiert, unterstützt diese Methode den effektiven Einsatz von Biosensoren im MIR-Bereich.Dieses Prinzip kann für Anwendungen in der Treibstoffqualitätskontrolle genutzt werden, wo bereits geringe Verunreinigungen zu einer Verminderung der Treibstoffqualität führen können, weshalb die Überwachung und Quantifizierung von Fettsäuremethylestern (FSME) in Kerosin dort eine wichtige Rolle spielt.Der erste Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines ATR-basierten Aufbaus, welcher der Quantifizierung von FSME in Kraftstoff dient. Hierfür musste ein eigens entwickeltes, auf einem ein Mikro-Elektro-Mechanischen-System (MEMS) basierendes Spektrometer charakterisiert, und mit verschiedenen ATR-Kristallen kombiniert werden, um den optimalen experimentellen Aufbau zu ermitteln. Die Nachweisgrenze für den Schlüsselanalyten wurde in der ATR-Konfiguration auf unter ein Gewichtsprozent bestimmt.Im zweiten Teil dieser Arbeit lag der Fokus auf der Weiterentwicklung der Echtzeitüberwachung enzymatischer Reaktionen, insbesondere der Aminolyse, mittels Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FT-IR). Hierfür wurde ein Protokoll zur Funktionalisierung von Silicapartikeln entwickelt, wodurch die Immobilisierung verschiedener Lipase-Enzyme möglich gemacht wird. Die modifizierten Partikel wurden anschließend mithilfe einer kleinen Säule zurückgehalten, welche in ein Transmissions-Messsystem integriert war. Proben mit unterschiedlichen Konzentrationen eines in Heptan gelösten Modell-FAME wurde hergestellt, und im Kreis durch das System geleitet, zuerst durch die partikelgepackte Säule und anschließend weiter zur Transmissionszelle. Nach Zugabe eines Amins erfolgte die enzymatische Reaktion, welche mittels FT-IR-Spektroskopie in Echtzeit verfolgt werden konnte. Dabei konnten Konzentrationen bis hinunter zu 20–40 ppm erfolgreich detektiert werden.

The integration of enzyme-based biosensors into analytical chemistry has greatly enhanced the selectivity for detecting specific analytes. Combined with mid-infrared (MIR) spectroscopy, these biosensors allow for the monitoring of reaction progress by leveraging the distinctive fingerprint region of the target molecule. To enable this, bioactive materials such as enzymes can be immobilized onto small carriers like silica particles or glass beads. These can then be utilized to catalyze reactions, the unique signatures of which can be detected through mid-IR spectroscopy. Implemented within a transmission set-up, this method supports the effective use of biosensors in the mid-IR range.This principle can be used for applications in fuel quality control, where the monitoring and quantification of fatty acid methyl esters (FAME) in kerosene plays an important role, as even small contaminations can lead to a deterioration in fuel quality.The first part of this work was the development of an ATR-based set-up for the quantification of FAME in diesel fuel. For that, a Micro-Electro-Mechanical System (MEMS) based spectrometer developed for this purpose had to be characterized and combined with different internal reflection elements to determine the best set-up. The limit of detection, which had to be determined for the key analyte in the ATR-configuration, was below 1 wt%.The aim of the second part of this work was advancing the real-time monitoring of enzymatic reactions, with a particular focus on aminolysis, using Fourier-Transform infrared (FT-IR) spectroscopy. For that, a protocol for the functionalization of silica particles was developed, allowing for the immobilization of various lipase enzymes. The modified particles were then retained in a small column, which was integrated into a transmission set-up. Samples containing various concentrations of a model FAME dissolved in heptane were prepared and circulated through the system in a loop, starting with the particle-packed column, then to the transmission cell. Upon the addition of an amine, an enzymatic reaction occurred that could be monitored in real time by FT-IR spectroscopy, with successful detection at concentrations as low as 20–40 ppm.Building on these results, future research will focus on retaining the particles directly inside the transmission cell, thus eliminating the need for a separate column. This development of the system, in addition to combining it with the MEMS-based spectrometer, will further advance the miniaturization of the system and enhance the sensitivity. This will bring the system closer to a compact and portable solution for in-situ reaction monitoring via infrared spectroscopy.