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方法文章

利用TIMS-FT-ICR MS对原油泄漏水相组分进行化学分析

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DOI：

10.3791/55352

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2017年3月3日

 ,  ,  ,  , 
1Chemistry and Biochemistry, Florida International University

本文内容

摘要

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。

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。

研究水相组分的第二个挑战是样品中不同化学成分的分子鉴定。由于样品具有较高的分子量和含氧程度，导致其组成十分复杂，因此氧化产物通常不适合采用气相色谱联用质谱分析的传统方法进行分析。7,8另一种方法是利用超高分辨率质谱技术表征样品化学式的变化例如， FT-ICR MS）。通过将 TIMS 与 FT-ICR MS 联用，除了在质谱（MS）维度实现同量异位素的分离外，离子淌度谱（IMS）维度还可提供样品中不同异构体的分离及特征信息9,10,11结合常压激光电离（APLI）源，该分析可选择性地针对样品中含有的共轭分子，从而准确定征多环芳烃（PAHs）所经历的化学变化。12,13.

在本研究中，我们描述了一种制备经光照射处理的LEWAFs的方案，以研究石油组分的转化过程。我们还阐述了光照射后发生的变化以及样品提取的步骤。此外，我们将介绍使用APLI结合TIMS与FT-ICR MS联用技术，表征LEWAF中多环芳烃（PAHs）随光照暴露变化的分析方法。

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方案

1. 低能量水相组分（LEWAF）的制备

  1. 用二氯甲烷冲洗2升抽滤瓶，以去除任何可能的污染物。
  2. 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。
  3. 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）。
  4. 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。
  5. 用人工海水填充抽滤瓶，留出约20%（即400 mL）的顶空体积。
  6. 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。
  7. 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

  1. 为每次光辐照实验准备两组瓶子。
  2. 用铝箔包裹其中一组抽滤瓶，作为暗对照组。
  3. 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的太阳光模拟器内。
  4. 对样品进行连续辐照至预定时间（本实验持续115小时）；辐照时间无上限。
  5. 在设定的时间点（本实验为15、24、48和115小时），通过拔开抽滤瓶塞并打开排水阀，从玻璃抽滤瓶底部收集150 mL水样。
  6. 使用分液漏斗进行液-液萃取：加入50 mL二氯甲烷等分试样，振荡样品2分钟，并定期排气，防止漏斗塞冲出。
  7. 静置使两相分层，取下漏斗塞，缓慢打开排水阀，收集下层有机相。将样品排入配有装有100 g Na2SO4漏斗的平底烧瓶中。用额外的二氯甲烷冲洗漏斗。重复萃取3次，以提高萃取效率。
    注意：进行多次萃取以提高该步骤的萃取效率。
  8. 移除漏斗，安装Snyder柱，并将平底烧瓶置于设定为58 °C的热水浴中。蒸发浓缩至剩余15 mL样品。
  9. 将样品转移至浓缩管中，并用温和的氮气流吹干，注意避免因溅出导致样品损失。

3. 分析样品的制备

注意：用于分析的样品制备至关重要，必须注意避免外来污染物的引入，特别是应避免使用任何塑料制品，因其可能导致浸出物进入样品中。

  1. 使用液相色谱-质谱专用级溶剂，配制体积比为1:1的甲醇:甲苯混合溶液。
  2. 使用正向置换微量移液器，先向玻璃小瓶中加入溶剂，再以1:100的比例加入样品，即先加入990 µL溶剂，然后加入10 µL样品。
    注意：使用玻璃移液器可避免因二氯甲烷或甲苯引起的溶出效应。
  3. 可选步骤：使用调谐混合液校准离子淌度。
    注意：若频繁将API离子源用作校准标准，通常会发生溶出。如果在质谱中未检测到校准离子，则可通过将部分标准溶液以1:1,000的比例稀释后加入样品中来制备混合溶液。

4. 傅里叶变换-离子回旋共振质谱法（FT-ICR MS）分析

  1. 通过单击操作按钮，将仪器设置为 "Operate" 模式。
  2. 将样品装入样品进样器中。
  3. 在 API 源选项卡下，将进样速率设置为 200 µL/h。
  4. 将雾化器压力设为 1 bar，汽化器温度设为 300 °C。
  5. 将干燥气体流速设为 1.2 L/min，温度设为 220 °C。
    注意：本步骤适用于 APPI 和 APCI 两种模式。
  6. 通过单击调谐按钮，将仪器设置为 "Tune" 模式。屏幕上应出现质谱图。
    注意：如有需要，可通过调整电压、射频频率和振幅等仪器参数，优化仪器性能，以提高分析物在 m/z 范围内的离子传输效率和检测灵敏度。请注意，质谱仪需要重新校准。
  7. 通过单击停止按钮，结束 "Tune" 模式。
  8. 设置平均扫描次数，通常每张质谱图采集 20–200 次扫描，然后按下采集按钮以获取质谱图。
    注意：对多个质谱图进行平均处理可通过降低噪声并增强低丰度物种的信号，从而提高整体信噪比14。

5. 离子淌度质谱（TIMS）分析

  1. 在 FT-ICR 采集程序中启用 "Chromatography" 模式。
  2. 通过将外部断路器上的开关拨至 TIMS 位置，启用 "TIMS" 模式。
    注意：TIMS 中使用的电压由仪器外部控制。另一款软件将控制仪器的入口漏斗，以执行 IMS 分析。
  3. 启动辅助前级泵，并通过 TIMS 的控制阀调节进气口和出气口压力至所需范围（本实验中，P1 设为 2.8 mbar，P2 设为 1.4 mbar）。
    注意：应在分析前数小时开启外部泵，以确保泵体预热，且在 IMS 分析期间性能保持稳定，因为气体流速的变化会导致谱图误差。
  4. 首先确定执行 IMS 分析所需的电压范围；该步骤通过在较宽电压范围（250 V）内以较低 IMS 分辨率（1 V/帧）进行快速初步扫描完成。
  5. 若所用电压足以分析整个谱段，则重复实验，调节 TIMS 以实现更高分辨率的分析。为此，将 V/帧降低至 0.1 V，并调整帧数以覆盖全部 ΔVramp。
    注意：用户可能需要优化在 FT-ICR MS 分析前累积进入碰撞池的 TIMS 实验次数。

6. 数据分析

  1. 在数据分析软件中打开质谱数据。
  2. 设置峰提取标准，选择信噪比高于6的峰，并使用"Find Peaks"功能。
    注意：利用溶液中存在的标准物质对所得谱图进行内部重新校准。此步骤用于识别化学系列，随后再次重新校准，以提高宽范围元素归属的准确性。
  3. 使用分子式归属工具或软件进行元素归属。
    注意：允许的分子式范围为 C1-100H1-100N0-2O0-7S0-2，包含奇电子和偶电子构型，质量容差为 0.5 ppm，适用于 M+ 和 [M+H]+ 离子形式。
  4. 将离子迁移谱-质谱（IMS-MS）数据导入数据分析软件，并生成整个分析范围的平均质谱图。
  5. 选择信噪比高于6的峰。利用超高分辨率质谱分析中已识别的系列，对谱图进行内部重新校准。
  6. 根据傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）分析得到的分子式鉴定结果，生成所有目标 m/z 值的列表，并将其保存为数据文件夹中的 "Flist.txt" 文件。该列表将在数据处理的第一步中使用。
  7. 加载并运行提供的脚本，以提取列表中每个目标 m/z 的提取离子色谱图（EIC）。
  8. 修改Python脚本，输入文件目录、起始电压、步长以及目标分析中的步数11。
  9. 运行离子迁移谱解卷积脚本。
    注意：该脚本将打开每个提取离子色谱图，并通过迭代高斯拟合识别峰。结果将以Excel文件格式输出13。
    注意：拟合完成后，低于特定标准的峰将被排除，通常依据峰的高度、宽度和面积进行筛选（由于随机噪声尖峰的影响，宽度低于某一阈值的峰通常会被排除在分析之外）。
  10. 利用调谐峰，将离子的电压校准为离子迁移率11。随后可使用Mason-Schamp方程将其转换为碰撞截面。

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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信息为所分析的峰分配元素组成。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。这些信息被整理成图表，展示化学式中杂原子含量、碳原子数以及DBE（双键当量）的分布情况。这使得化学式的变化能够以碳原子数以及分子中环和双键数量的函数形式呈现为差异（见图2）。

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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...

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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。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
试剂
二氯甲烷，OptimaFisher ScientificDS-151-4直接使用
甲醇，Optima LC/MSFisher ScientificA456-4直接使用
甲苯，OptimaFisher ScientificT291-4直接使用
Na2SO4，颗粒状，无水Fisher ScientificS415-212在 450 °C 下灼烧/在 105 °C 下储存
原油多种来源
Instant Ocean®Aquarium SystemsSS1200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, USA1,500 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 4.2Bruker Daltonics Inc, MA
Python 2.7需要 Numpy、Scipy、Pandas、glob、oct2py 和 os
Octave 4.0

参考文献

  1. 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).
  2. 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 (0), 636-643 (2014).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Fernandez-Lima, F. A., et al. Petroleum crude oil characterization by IMS-MS and FTICR MS. Anal Chem. 81 (24), 9941-9947 (2009).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Benigni, P., Fernandez-Lima, F. Oversampling Selective Accumulation Trapped Ion Mobility Spectrometry coupled to FT-ICR MS: Fundamentals and Applications. Analytical Chemistry. , (2016).
  12. Castellanos, A., et al. Fast Screening of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons using Trapped Ion Mobility Spectrometry Mass Spectrometry. Anal Methods. 6 (23), 9328-9332 (2014).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).

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