Automation of the picoSpin 80 1H NMR benchtop spectrometer for high-throughput determination of the research octane number of fuels

Význam tématu

Rychlé a spolehlivé stanovení výzkumného oktanového čísla (RON) je klíčové pro kontrolu kvality motorových paliv. Tradiční metody založené na CFR motoru nebo plynové chromatografii jsou časově náročné. Low-field 1H NMR ve spojení s plně automatizovaným vzorkovačem umožňuje výrazné zkrácení doby analýzy a zvýšení propustnosti laboratoře bez ztráty přesnosti.

Cíle a přehled studie

Cílem studie bylo navrhnout a ověřit plně automatizované řešení pro vysokopropustné stanovení RON paliv za použití benchtop spektrometru picoSpin 80 (82 MHz) řízeného softwarovým prostředím MAESTRO a vzorkovačem GERSTEL MPS. Výsledná data byla vyhodnocena pomocí multivariační chemometrie (PCA a PLS).

Použitá metodika a instrumentace

Benchtop spektrometr picoSpin 80 (1H, 82 MHz, T = 34 °C) s průtokovou divizí (aktivní objem 0,2 µL) byl spojen PEEK kapilárou s robotickým vzorkovačem GERSTEL MPS 3 (1 000 µL stříkačka, 32 pozic pro 10 mL lahvičky, LC ventil, Fast Wash station). Vzorky se připravovaly mícháním paliva s TMS jako interním referenčním standardem a vstřikovaly se objemem 700 µL. NMR experiment typu one-pulse se sběrem 64 skenů a relaxačním zpožděním 7 s probíhal plně automaticky po spuštění signálem z MAESTRO. Spektra byla zpracována v MestReNova, chemometrie v MATLAB R2015b.

Hlavní výsledky a diskuse

Analýza 47 vzorků paliv odhalila v alifatické i aromatické oblasti signály charakteristické pro přítomnost aditiv (etanol, MTBE, ETBE). PCA efektivně rozlišila skupiny s RON 98–102, nižší RON (95–97) byly geograficky blíže kvůli variabilnímu obsahu etanolu. PLS regresní model validovaný metodou leave-one-out dosáhl většiny predikcí s odchylkou do 0,5 RON a průměrnou přesností s lineární funkcí y = 0,97x + 2,49.

Přínosy a praktické využití metody

• Rychlost analýzy cca 7 min na vzorek vs. 25 min (CFR motor) nebo 45–90 min (GC).
• Vysoká propustnost >200 vzorků za 24 h.
• Žádná potřeba deuterovaných rozpouštědel, nízký objem vzorku.
• Plná automatizace workflow minimalizuje zásahy obsluhy a riziko chyb.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Integrace dalších modulů (např. GC/GC-MS) pro rozšířenou analytiku.
• Větší vzorkovací kapacita vícezásobníkových systémů.
• Pokročilá chemometrie či strojové učení pro zlepšení predikce a klasifikace.
• Aplikace na široké spektrum biopaliv a směsí s odlišným složením.

Závěr

Automatizované propojení picoSpin 80 a GERSTEL MPS řízené MAESTRO poskytuje rychlou, robustní a vysoce propustnou metodu pro stanovení RON paliv pomocí low-field 1H NMR. Kombinace spektrální akvizice bez deuterovaných rozpouštědel a multivariační chemometrie nabízí alternativu k tradičním technikám snižující dobu analýzy a zvyšující efektivitu QC laboratoří.

Reference

• DIN EN 228:2014 – Kraftstoffe für KFZ – Unverbleite Ottokraftstoffe – Anforderungen und Prüfverfahren.
• ASTM D2885-13 – Standard Test Method for Determination of Octane Number of Spark-Ignition Engine Fuels by On-Line Direct Comparison Technique.
• D. Gruden, Umweltschutz in der Automobilindustrie, Teubner, 2008.
• W. Chew, P. Sharratt, Trends in process analytical technology, Anal. Methods, 2 (2010) 1412–1438.
• S. Wold, M. Sjöström, L. Eriksson, PLS-regression: A basic tool of chemometrics, Chemom. Intell. Lab. Syst. 58 (2001) 109–130.