Химический анализ воды-фракциях сырой нефти разливы Использование Tims-FT-ICR MS
Summary
Низкоэнергетическая воды размещены фракция (LEWAF) сырой нефти является сложной системой для анализа, так как с течением времени, это сложная смесь претерпевает химические превращения. Этот протокол иллюстрирует методы для подготовки образца LEWAF и для проведения фото-облучения и химический анализ захваченными спектрометрия подвижности ионов-FT-ICR MS.
Abstract
Несколько химических процессов управления, как сырая нефть включена в морскую воду, а также химические реакции, которые происходят сверхурочно. Изучение этой системы требует тщательной подготовки образца для того, чтобы точно повторить естественное формирование водной фракции, что размещение происходит в природе. Низкоэнергетические водной фракциях (LEWAF) тщательно готовят путем смешивания сырой нефти и воды в соотношении множества. Аспиратор бутылки затем облучают, и в заданных точках времени вода отбирается и экстрагируют с использованием стандартных методик. Второй проблемой является представителем характеристика образца, который необходимо учитывать химические изменения, которые происходят с течением времени. Целенаправленное анализ ароматической фракции LEWAF может быть выполнена с использованием лазерного источника ионизации при атмосферном давлении, соединенный с заказного захваченный спектрометрия подвижности ионов-преобразование Фурье-ионного циклотронного резонанса масс-спектрометр (НИСУ-FT-ICR MS). Анализ TIMS-FT-ICR MS обеспечивает высокое разрешение ионной подвижности и сверхвысокого разрешения МС-анализа, который дополнительно позволяет идентифицировать изомерных компонентов путем их поперечных сечений столкновений (CCS) и химической формулой. Результаты показывают, что в качестве смеси нефть-вода подвергается воздействию света, существует значительная фотографического солюбилизация поверхности масла в воду. Со временем, химическое превращение солюбилизированных молекул происходит, с уменьшением числа идентификаций азот- и серосодержащих видов в пользу тех, с большим содержанием кислорода, чем, как правило, наблюдается в базовом масле.
Introduction
Есть многочисленные источники экологического воздействия сырой нефти, как из естественных причин и от антропогенного воздействия. После выброса в окружающую среду, особенно в океане, сырая нефть может пройти разделение, с образованием нефтяного пятна на поверхности, потеря летучих компонентов в атмосферу, и осаждения. Тем не менее, низкоэнергетические смешивание труднорастворимого масла и воды, имеет место, и эту смесь, которая не является классически солюбилизации, образует то, что называется водой размещены фракции низкоэнергетической (LEWAF). Солюбилизации компонентов нефти в воде, как правило, усиливается во время экспозиции раздела масло-вода солнечного излучения. Эта фото-солюбилизации сырой нефти в океане может претерпевать значительные химические изменения в связи с этим воздействием солнечного излучения и / или из – за ферментативного разложения 1, 2. Понимание этих химических изменений и как они происходят в присутствии объемной матрицы (то есть сырая нефть) имеет фундаментальное значение для смягчения последствий этого воздействия на окружающую среду.
Предыдущие исследования показали , что сырая нефть подвергается оксигенации, в частности полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), которые представляют собой высокотоксичный источник загрязнения , что наносит вред организмы, подвергается биоаккумуляции и биоактивно 3, 5, 6. Понимание продуктов различных процессов оксигенации является сложной задачей, поскольку они происходят только в присутствии объемной матрицы. Таким образом, один стандартный анализ не может быть репрезентативной изменений, происходящих в природе. Подготовка LEWAF должен повторить естественные процессы, которые происходят в обстановке окружающей среды. Особый интерес представляет оксигенации ПАУ, которое происходит за счет солнечной радиации.
т "> Вторая задача в изучении водной размещены фракции является молекулярная идентификация различных химических компонентов в образце. Из-за сложности образца, вызванного его высокой массой и степенью кислорода, оксигенацию продукты как правило , непригодны для традиционного анализа , проведенного с помощью газовой хроматографии в сочетании с МС – анализа 7, 8. альтернативный подход заключается в характеристике изменений в химической формуле образца с использованием методов MS ультра-высокой разрешающей способностью масс (например, FT-ICR MS ). Взаимодействием TIMS к FT-ICR MS, в дополнение к изобарической разделения в домене MS, то спектрометрия подвижности ионов (IMS) , измерение обеспечивает разделение и характеристическую информацию для различных изомеров , присутствующих в образце 9, 10, 11. в сочетании с лазером атмосферного давленияионизации (APLI) источник, анализ может быть селективным по отношению к конъюгированных молекул , обнаруженных в образце, что позволяет изменения , что ПАУ претерпевают быть точно охарактеризовать 12, 13.В этой работе мы опишем протокол для подготовки LEWAFs, подвергшихся воздействию фото-облучения с целью изучения процессов трансформации компонентов нефти. Мы также иллюстрируют изменения, которые происходят при фото- облучении, а также порядок извлечения образца. Мы также описываем использование APLI с TIMS в сочетании с FT-ICR MS охарактеризовать ПАУ в LEWAF в зависимости от воздействия света.
Protocol
Representative Results
Discussion
Критические шаги в рамках Протокола
Химическая сложность LEWAFs требует точной подготовки для того, чтобы лабораторных экспериментов, чтобы точно отражать то, что происходит естественным образом. Действительная оценка данных зависит от трех критериев: сведение к минимуму …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Национальным институтом здравоохранения (грант № R00GM106414 к FFL). Мы хотели бы отметить Advanced Масс-спектрометрия фонд из Международного университета Флориды за их поддержку.
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).
