ניתוח כימי של שברים-לאכלס מים של נפט גולמי נשפך שימוש TIMS-FT-ICR MS
Summary
הטמפרטורה נמוכה באנרגית מים לאכלס החלק (LEWAF) של נפט גולמי הוא מערכת מאתגר לנתח, כי לאורך זמן, תערובת מורכבת זו עוברת טרנספורמציות כימיות. פרוטוקול זה מדגים שיטות להכנת המדגם LEWAF ולביצוע-הקרנה התמונה ניתוח כימי על ידי ספקטרומטריית-FT-ICR ניידות יון לכודים MS.
Abstract
תהליכים כימיים מרובים לשלוט נפט גולמי הוא שולב ים וגם את התגובות הכימיות המתרחשות שעות נוספות. לימוד מערכת זו דורשת הכנה הקפדנית של המדגם על מנת לשכפל את ההיווצרות הטבעית במדויק את החלק יחסי מים-לאכלס המתרחש בטבע. שברים-לאכלס מים בעלי אנרגיה נמוכה (LEWAF) ערוכים בקפידה על ידי ערבוב שמן ומים גולמי בשיעור סט. בקבוקי אספירטור הם מוקרן אז, ובנקודות זמן מוגדר, המים נדגמים ולחלצם באמצעות טכניקות סטנדרטיות. אתגר שני הוא אפיון הנציג של המדגם, אשר חייב לקחת בחשבון את השינויים הכימיים המתרחשים לאורך זמן. ניתוח ממוקד של השבר ארומטי של LEWAF יכול להתבצע באמצעות מקור יינון לייזר אטמוספרי בלחץ מצמידים את הניידות שהותקן לכוד יון ספקטרומטריית-התמרת יון ספקטרומטר הציקלוטרון תהודה מסה (TIMS-FT-ICR MS). ניתוח MS TIMS-FT-ICR מספק ניתוח MS ניידות יון ברזולוציה גבוהה ultrahigh ברזולוציה, אשר עוד יאפשר זיהוי של רכיבי isomeric לפי חתכי ההתנגשות שלהם (CCS) ואת הנוסחא כימית. התוצאות הראו כי ככל תערובת שמן-מים הוא נחשף לאור, יש-solubilization התמונה משמעותית של שמן השטח אל תוך המים. במשך זמן, את השינוי הכימי של מולקולות solubilized מתרחש, עם ירידה במספר של הזדהויות של חנקן ומיני נושאות גופרית לטובת אלה עם תכולת חמצן גדולה יותר נצפו בדרך כלל בשמן הבסיס.
Introduction
ישנם מקורות רבים של חשיפה סביבתית נפט גולמי, הן מגורמים טבעיים מחשיפה אנתרופוגניים. עם שחרורו לסביבה, במיוחד בים, הנפט הגולמי יכול לעבור מחיצות, עם הקמתה של כתם שמן על פני השטח, הפסד של רכיבים תנודתיים לאווירה, ושיקוע. עם זאת, ערבוב אנרגיה הנמוכה של שמן הגרוע מסיס במים מתרחש, ואת תערובת זו, אשר אינו solubilized קלסי, מהווה מה שמכונה שבר האנרגיה הנמוכה-לאכלס מים (LEWAF). Solubilization של הרכיבים השמנים במים מוגבר בדרך כלל במהלך החשיפה של ממשק מים בשמן לקרינת שמש. Solubilization צילום זה של הנפט הגולמי באוקיינוס יכול לעבור שינויים כימיים משמעותיים בשל לחשיפה זו קרינת שמש ו / או בשל שפלת 1 האנזימטית, 2. הבנת השינויים הכימיים האלה איך הם מתרחשים בנוכחות המטריצה בתפזורת (כלומר, שוק הנפט הגולמי) הוא אחד מערכי היסוד מקל את השפעות חשיפה זו כוללת בתחום איכות הסביבה.
מחקרים קודמים הראו כי הנפט הגולמי עובר חמצון, במיוחד פחמימנים ארומטיים פוליציקליים (PAHs), המהווים מקור רעיל מאוד של זיהום שפוגע אורגניזמים, עובר-הצטברות ביו, והוא ביו 3, 5, 6. הבנת התוצרים של תהליכי החמצון השונים היא מאתגרת משום שהם מתרחשים רק בנוכחות של מטריקס בתפזורת. לכן, ניתוח יחיד, תקן לא יכול להיות נציג של השינויים המתרחשים בטבע. הכנת LEWAF חייבת לשכפל את התהליכים הטבעיים המתרחשים בסביבת סביבה. מעניין במיוחד הוא חמצון PAHs, אשר מתרחש עקב קרינת שמש.
t "> האתגר השני בחקר שבר המים לאכלס הוא זיהוי המולקולרי של המרכיבים הכימיים השונים במדגם. בשל המורכבות של המדגם, הנגרמות על ידי המסה הגבוהה שלה ומידת החמצן, מוצרי החמצון הם בדרך כלל לא מתאימים לניתוח המסורתי בוצע על ידי גז כרומטוגרפיה בשילוב עם MS ניתוח 7, 8. גישה חלופית היא לאפיין את השינויים הנוסחה הכימית של המדגם על ידי ניצול ברזולוציה המונית גבוהה במיוחד טכניקות MS (למשל, FT-ICR MS ). על ידי צימוד TIMS ל- MS FT-ICR, בנוסף להפרדת isobaric בתחום הטרשת הנפוצה, ספקטרומטריית ניידות יון (ממד IMS) מספק את ההפרדה ומידע מאפיין עבור איזומרים השונים הנוכחיים במדגם 9, 10, 11. בשילוב עם לייזר בלחץ אטמוספרימקור יינון (APLI), הניתוח יכול להיות סלקטיבית מולקולות מצומדות מצאו במדגם, המאפשר שינויים כי PAHs לעבור להתאפיין 12 במדויק, 13.בעבודה זו, אנו מתארים פרוטוקול לעריכת LEWAFs חשוף-הקרנת תמונה כדי ללמוד את תהליכי השינוי של רכיבי הנפט. כמו כן, אנו ממחישים את השינויים המתרחשים על-הקרנת צילום, כמו גם את ההליך להפקת מדגם. אנחנו גם נציג את שימוש APLI עם TIMS יחד עם FT-ICR MS לאפיין את PAHs ב LEWAF כפונקציה של החשיפה לאור.
Protocol
Representative Results
Discussion
צעדים קריטיים בתוך הפרוטוקול
המורכבות הכימית של LEWAFs דורשת הכנה מדויקת על מנת ניסוי המעבדה כדי לשקף במדויק מה מתרחש באופן טבעי. הערכה תקפה של נתוני צירים פי שלושה קריטריונים: מזעור כניסתה של חפצי ברחבי מדגם טיפול (למשל, הכנת LEWAF…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי המכון הלאומי לבריאות (מענק מס 'R00GM106414 כדי FFL). ברצוננו להכיר מתקן ספקטרומטריית מתקדם המוניים של פלורידה אינטרנשיונל האוניברסיטה על תמיכתם.
Materials
| Reagents | |||
| methylene chloride | |||
| methanol | |||
| toluene | |||
| Na2SO4 | |||
| Crude oil | |||
| Instant Ocean® | Aquarium Systems | 33 ppt salinity with 0.45 μm pore filtration | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Equipment | |||
| Suntext XLS+ | Atlas Chicalo Ill, USA | 1500 w xeon arc lamp, light intensity of 765 W/m2 | |
| Atmospheric Pressure Laser Ionization | Bruker Daltonics Inc, MA | Note a 266 nm laser is used | |
| TIMS-FT-ICR MS Instrument | Bruker Daltonics Inc, MA | The set up we had consisted of a 7T magnet with an infinity cell | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Software | |||
| DataAnalysis 4.2 | Bruker Daltonics Inc, MA | ||
| Python 2.7 | Requires Numpy, Scipy, Pandas, glob, oct2py, and os | ||
| Octave 4.0 |
References
- King, S. M., Leaf, P. A., Olson, A. C., Ray, P. Z., Tarr, M. A. Photolytic and photocatalytic degradation of surface oil from the Deepwater Horizon spill. Chemosphere. 95, 415-422 (2014).
- Ray, P. Z., Chen, H., Podgorski, D. C., McKenna, A. M., Tarr, M. A. Sunlight creates oxygenated species in water-soluble fractions of Deepwater Horizon oil. J Hazard Mater. 280, 636-643 (2014).
- Duesterloh, S., Short, J. W., Barron, M. G. Photoenhanced toxicity of weathered Alaska North Slope crude oil to the calanoid copepods Calanus marshallae and Metridia okhotensis. Environ Sci Technol. 36 (18), 3953-3959 (2002).
- Duxbury, C. L., Dixon, D. G., Greenberg, B. M. Effects of simulated solar radiation on the bioaccumulation of polycyclic aromatic hydrocarbons by the duckweed Lemna gibba. Environmental Toxicology and Chemistry. 16 (8), 1739-1748 (1997).
- Faksness, L. G., Altin, D., Nordtug, T., Daling, P. S., Hansen, B. H. Chemical comparison and acute toxicity of water accommodated fraction (WAF) of source and field collected Macondo oils from the Deepwater Horizon spill. Mar Pollut Bull. 91 (1), 222-229 (2015).
- Wang, J., et al. Biodegradation of dispersed Macondo crude oil by indigenous Gulf of Mexico microbial communities. Science of The Total Environment. 557-558, 453-468 (2016).
- McKenna, A. M., et al. Expansion of the analytical window for oil spill characterization by ultrahigh resolution mass spectrometry: beyond gas chromatography. Environ Sci Technol. 47 (13), 7530-7539 (2013).
- Fernandez-Lima, F. A., et al. Petroleum crude oil characterization by IMS-MS and FTICR MS. Anal Chem. 81 (24), 9941-9947 (2009).
- Benigni, P., Marin, R., Fernandez-Lima, F. Towards unsupervised polyaromatic hydrocarbons structural assignment from SA-TIMS-FTMS data. Int J Ion Mobil Spectrom. 18 (3), 151-157 (2015).
- Benigni, P., Thompson, C. J., Ridgeway, M. E., Park, M. A., Fernandez-Lima, F. Targeted high-resolution ion mobility separation coupled to ultrahigh-resolution mass spectrometry of endocrine disruptors in complex mixtures. Anal Chem. 87 (8), 4321-4325 (2015).
- Benigni, P., Fernandez-Lima, F. Oversampling Selective Accumulation Trapped Ion Mobility Spectrometry coupled to FT-ICR MS: Fundamentals and Applications. Analytical Chemistry. , (2016).
- Castellanos, A., et al. Fast Screening of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons using Trapped Ion Mobility Spectrometry Mass Spectrometry. Anal Methods. 6 (23), 9328-9332 (2014).
- Benigni, P., DeBord, J. D., Thompson, C. J., Gardinali, P., Fernandez-Lima, F. Increasing Polyaromatic Hydrocarbon (PAH) Molecular Coverage during Fossil Oil Analysis by Combining Gas Chromatography and Atmospheric-Pressure Laser Ionization Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry (FT-ICR MS). Energy & Fuels. 30 (1), 196-203 (2016).
- Qi, Y., et al. Absorption-Mode Fourier Transform Mass Spectrometry: the Effects of Apodization and Phasing on Modified Protein Spectra. Journal of the American Society for Mass Spectrometry. 24 (6), 828-834 (2013).
- Lababidi, S., Schrader, W. Online normal-phase high-performance liquid chromatography/Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry: Effects of different ionization methods on the characterization of highly complex crude oil mixtures. Rapid Communications in Mass Spectrometry. 28 (12), 1345-1352 (2014).
