原油的低能量水相组分（LEWAF）是一种难以分析的体系，因为这种复杂混合物会随着时间发生化学转化。本方案阐述了LEWAF样品的制备方法，以及通过捕集离子淌度谱–傅里叶变换离子回旋共振质谱法（trapped ion mobility spectrometry–FT-ICR MS）进行光辐照和化学分析的操作步骤。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
本文内容
摘要
摘要
多种化学过程控制着原油如何融入海水以及随时间发生的化学反应。研究该体系需要对样品进行精细制备，以准确模拟自然界中水相容纳组分（water-accommodated fraction）的自然形成过程。低能量水相容纳组分（LEWAF）通过将原油与水按设定比例混合而精心制备。随后对吸管瓶进行辐照，并在设定的时间点，采用标准技术对水相进行取样和萃取。第二个挑战是对样品进行具有代表性的表征，这必须考虑随时间发生的化学变化。可利用大气压激光电离源联用自行构建的离子淌度-傅里叶变换-离子回旋共振质谱仪（TIMS-FT-ICR MS），对LEWAF中的芳香族组分进行靶向分析。TIMS-FT-ICR MS分析可提供高分辨率离子淌度和超高质量分辨率的质谱数据，从而通过碰撞截面（CCS）和化学式进一步鉴定异构体组分。结果表明，当油水混合物暴露于光线下时，表层原油会发生显著的光溶增溶现象进入水相。随着时间推移，溶解的分子发生化学转化，含氮和含硫化合物的鉴定数量减少，而含氧量高于原始原油中典型组分的物质则逐渐增多。
引言
原油的环境暴露来源众多，既包括自然因素，也包括人为暴露。当原油释放到环境中，特别是在海洋中时，会发生相分离，形成海面油膜，挥发性组分向大气中逸散，并发生沉降。然而，难溶性原油与水之间仍会发生低能量混合，这种非经典溶解状态的混合物被称为低能量水 accommodated 组分（LEWAF）。在太阳辐射作用下，油水界面处的原油组分在水中的溶解性通常会增强。这种在海洋中因太阳辐射引起的原油光化学溶解过程，可能因光照和/或酶促降解而发生显著的化学变化1,2。了解这些化学变化及其在整体基质（即原油）存在条件下的发生机制，对于减轻此类暴露对环境造成的影响至关重要。
先前的研究表明，原油会发生氧化反应，尤其是多环芳烃（PAHs），其作为一类高毒性的污染物，对生物体具有危害性，可发生生物累积并具有生物活性3,5,6。由于这些氧化过程仅在大量基质存在的情况下发生，因此了解不同氧化过程的产物具有挑战性。单一的标准分析方法可能无法准确反映自然界中实际发生的变化。LEWAF 的制备必须模拟在自然环境中发生的过程。其中特别值得关注的是由太阳辐射引起的多环芳烃的氧化反应。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
方案
1. 低能量水相组分（LEWAF）的制备
- 用二氯甲烷冲洗2升抽滤瓶，以去除任何可能的污染物。
- 向瓶中加入50 mL二氯甲烷，盖紧瓶盖，振荡30秒。将液体排入适当的废液容器中。重复此步骤，共清洗三次。
- 使用一个抽滤瓶进行辐照暴露实验，另一个抽滤瓶作为对照样品（如有可能，每组实验均设重复）。
- 通过将每1升水中加入35 g海盐混合物配制人工海水，最终盐度为千分之33。使用配备孔径为0.45 µm或更小滤膜的过滤装置，在低负压或无负压条件下过滤溶液，以防止挥发性化合物损失。
- 用人工海水填充抽滤瓶，留出约20%（即400 mL）的顶空体积。
- 使用气密注射器将原油以约1 g油/L的名义浓度加入预先量取的海水中。
注意：黏度较高的油应按重量添加。 - 加入油样后，在避光条件下（或用铝箔包裹抽滤瓶），使用搅拌板以低速（约100 rpm）搅拌24小时，避免产生涡流，使所有水溶性组分充分溶解，并防止颗粒态油的混入。
2. LEWAF 光照、样品采集与处理
- 为每次光辐照实验准备两组瓶子。
- 用铝箔包裹其中一组抽滤瓶，作为暗对照组。
- 将抽滤瓶置于温度控制的水浴中，水浴温度设定为25 °C，并将瓶子放入配备1500 W氙弧灯、光照强度为765 W/m2
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
结果
通过 TIMS-FT-ICR MS 进行 LEWAF 分析可获得基于 m/z 和 TIMS 捕获电压的二维谱图。因此，可在不同时间点采集的各样品根据其化学组成的动态变化进行表征，这种变化可通过化学式分布以及由 IMS 鉴定的异构体贡献来观察（见图 1）。通常，可利用 m/z 信息为分析所得的峰指认元素组成。APLI 技术的应用可显著提高对含芳香环和双键分子的检测灵敏度15，并能电离多种分子类别（例如，HC、O1-4、NO0-4 和 SO0-4）13。这些信息被整理为图表，展示化学式中杂原子含量、碳原子数以及双键当量（DBE）的分布情况。由此可观察到化学式随碳原子数以及分子中环和双键数量变化而产生的差异（见图 2）。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
讨论
实验方案中的关键步骤
LEWAFs 的化学复杂性要求必须精确制备，以确保实验室实验能够准确反映自然条件下的情况。对数据的有效评估取决于三个标准：尽量减少样品处理过程中引入的假象（例如，LEWAF 的制备、取样、提取以及样品分析前的处理），验证实验方案（即，在光辐照实验中使用避光对照），以及验证仪器性能（即，通过使用标准品来验证质谱和离子迁移谱的性能）。
数据处理与解释也可能带来挑战。首要挑战是将分子式指派给观测到的质谱峰，这需要高质荷比精度，以避免数据被错误指派。离子迁移谱（IMS）的解析同样复杂，且需要验证。当前系统将数据表征为一系列在实验谱图5%偏差范围内的高斯峰，随后对数据进行过滤，以去除不符合峰宽、峰面积和信噪比标准的峰。
修改与故障排除
制备好的LEWAF可用于一系列不同的实验和分析技术，以探究光氧化、微生物降解或二者联合作用的潜力。随后可根据不同的标准对这些过程进.......
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
披露
作者声明不存在竞争性财务利益。
致谢
本工作由美国国立卫生研究院（资助号：R00GM106414，授予 FFL）提供支持。我们感谢佛罗里达国际大学先进质谱设施所提供的支持。
....访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 试剂 | |||
| 二氯甲烷，Optima | Fisher Scientific | DS-151-4 | 直接使用 |
| 甲醇，Optima LC/MS | Fisher Scientific | A456-4 | 直接使用 |
| 甲苯，Optima | Fisher Scientific | T291-4 | 直接使用 |
| Na2SO4，颗粒状，无水 | Fisher Scientific | S415-212 | 在 450 °C 下灼烧/在 105 °C 下储存 |
| 原油 | 多种来源 | ||
| Instant Ocean® | Aquarium Systems | SS1200 | 盐度为 33 ppt，经 0.45 μm 孔径过滤 |
| 名称 | 公司 | 目录编号 | 备注 |
| 设备 | |||
| Suntext XLS+ | Atlas Chicalo Ill, USA | 1,500 W 氙弧灯，光照强度为 765 W/m2 | |
| 常压激光电离 | Bruker Daltonics Inc, MA | 注意使用 266 nm 激光 | |
| TIMS-FT-ICR MS 仪器 | Bruker Daltonics Inc, MA | 我们所使用的装置包含一个 7 T 磁体和一个 infinity cell | |
| 名称 | 公司 | 目录编号 | 备注 |
| 软件 | |||
| DataAnalysis 4.2 | Bruker Daltonics Inc, MA | ||
| Python 2.7 | 需要 Numpy、Scipy、Pandas、glob、oct2py 和 os | ||
| Octave 4.0 |
参考文献
- 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 (0), 415-422 (2014).
- Ray, P. Z., Chen, H., Podgorski, D. C., McKenna, A. M., Tarr, M. A.
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
重印与许可
