La fraction de faible énergie eau-logés (LEWAF) de pétrole brut est un système difficile à analyser, car au fil du temps, ce mélange complexe subit des transformations chimiques. Ce protocole illustre des procédés pour la préparation de l'échantillon LEWAF et pour réaliser la photo-irradiation et l'analyse chimique par piégé spectrométrie de mobilité ionique FT-ICR-MS.
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Article de méthode
Analyse chimique des fractions d'eau accommodé de pétrole brut Déversements utilisant TIMS-FT-ICR MS
Dans cet article
Résumé
Résumé
Plusieurs processus chimiques contrôlent la façon dont le pétrole brut est incorporé dans l'eau de mer et aussi les réactions chimiques qui se produisent des heures supplémentaires. L'étude de ce système nécessite la préparation minutieuse de l'échantillon afin de reproduire avec précision la formation naturelle de la fraction logée dans l'eau qui se produit dans la nature. Basse énergie fractions logés à l'eau (LEWAF) sont soigneusement préparées par mélange de pétrole brut et de l'eau à un rapport d'ensemble. bouteilles de Aspirator sont ensuite irradiés, et à définir des points de temps, l'eau est échantillonné et extraits en utilisant des techniques standard. Un deuxième défi est la caractérisation représentative de l'échantillon, qui doit prendre en considération les changements chimiques qui se produisent au fil du temps. Une analyse ciblée de la fraction aromatique de LEWAF peut être effectuée en utilisant une source d'ionisation laser à pression atmosphérique couplé à une mobilité ionique piégé sur mesure spectrométrie par transformée de Fourier-ion spectromètre de masse à résonance cyclotron (TIMS-FT-ICR MS). L'analyse TIMS-FT-ICR MS offre une mobilité ionique à haute résolution et ultra-résolution d'analyse MS, ce qui permet en outre l'identification des composants isomériques par leurs sections de collision (CCS) et formule chimique. Les résultats montrent que le mélange huile-eau est exposée à la lumière, il est important de photo-solubilisation de l'huile en surface dans l'eau. Au fil du temps, la transformation chimique des molécules solubilisées a lieu, avec une diminution du nombre d'identifications de l'azote et des espèces portant du soufre en faveur de ceux ayant une teneur en oxygène supérieure sont généralement observées dans l'huile de base.
Introduction
Il existe de nombreuses sources d'exposition environnementale au pétrole brut, à la fois à des causes naturelles et de l'exposition anthropique. Lors de la libération à l'environnement, en particulier dans l'océan, le pétrole brut peut subir le partitionnement, avec la formation d'une nappe de pétrole à la surface, une perte de composants volatils dans l'atmosphère, et la sédimentation. Cependant, le mélange à faible énergie de l'huile faiblement soluble et l'eau ne se produit, et ce mélange, ce qui est classiquement solubilisé, forme ce que l'on appelle la fraction reçue à l'eau à basse énergie (LEWAF). La solubilisation des composants de l'huile dans l'eau est généralement renforcée lors de l'exposition de l'interface huile-eau au rayonnement solaire. Cette photo-solubilisation du pétrole brut dans l'océan peut subir des modifications chimiques importantes en raison de cette exposition au rayonnement solaire et / ou en raison de la dégradation enzymatique 1, 2. La compréhension de ces changements chimiques et comment ils se produisent en présence de la matrice en vrac ( à savoir le pétrole brut) est fondamental pour atténuer les effets de cette exposition sur l'environnement.
Des études antérieures ont montré que le pétrole brut subit l' oxygénation, en particulier les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), qui représentent une source hautement toxique de contamination nocive pour les organismes, subit bio-accumulation, et est bioactif 3, 5, 6. Comprendre les produits des différents procédés d'oxygénation est difficile, car ils se produisent seulement en présence de la matrice en masse. Par conséquent, une seule analyse, la norme peut ne pas être représentatif des changements qui se produisent dans la nature. La préparation de la LEWAF doit reproduire les processus naturels qui se déroulent dans un cadre environnemental. Un intérêt particulier est l'oxygénation des HAP, qui se produit à cause du rayonnement solaire.
t "> Le deuxième défi dans l'étude de la fraction adaptée à l'eau est l'identification moléculaire des différents constituants chimiques dans l'échantillon. En raison de la complexité de l'échantillon, provoquée par sa masse et le degré d'oxygène, les produits d'oxygénation sont généralement impropres à l'analyse traditionnelle effectuée par chromatographie en phase gazeuse combinée à une analyse MS 7, 8. Une autre approche est de caractériser les changements dans la formule chimique de l'échantillon en utilisant des techniques MS résolution de masse ultra-élevée (par exemple, FT-ICR MS ). en couplant TIMS à FT-ICR MS, en plus de la séparation isobare dans le domaine de la SEP, la spectrométrie de mobilité ionique (IMS) dimension fournit la séparation et l' information de caractéristique pour les différents isomères présents dans l'échantillon 9, 10, 11. combiné avec un laser à pression atmosphériqueionisation (APLI) la source, l'analyse peut être sélective pour les molécules conjuguées trouvés dans l'échantillon, ce qui permet les changements que les HAP subissent être caractérisés avec précision 12, 13.Dans ce travail, nous décrivons un protocole pour la préparation de LEWAFs exposés à la photo-irradiation afin d'étudier les processus de transformation des composants de l'huile. On illustre également les changements qui se produisent lors de la photo-irradiation, ainsi que la procédure d'extraction de l'échantillon. Nous allons également présenter l'utilisation de APLI avec TIMS couplé avec FT-ICR MS pour caractériser les HAP dans l'LEWAF en fonction de l'exposition à la lumière.
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Protocole
1. Préparation des fractions d'eau-logés à faible énergie (LEWAF)
- Nettoyer 2-L bouteilles d'aspiration par le rinçage des bouteilles avec du chlorure de méthylène afin d'éliminer tous les contaminants potentiels.
- Remplir les bouteilles avec 50 ml de chlorure de méthylène, les fermer, et agiter pendant 30 s. Egouttez-les dans le conteneur de déchets. Répétez l'opération pour un total de trois lavages.
- Utilisez une bouteille d'aspiration pour l'exposition d'irradiation et l'autre bouteille comme un échantillon de contrôle (effectuer des jeux en double de chaque si possible).
- Préparer l'eau de mer artificielle en mélangeant 35 g de mélange de sel de mer pour 1 L d'eau utilisée pour une salinité finale de 33 parties par mille. Filtrer la solution sous peu ou pas de pression négative pour empêcher la perte de composés volatils en utilisant un appareil de filtration équipé d'un filtre de taille de pore de 0,45 um ou moins.
- Remplir les bouteilles d'aspiration avec l'eau de mer artificielle, en laissant environ 20%, soit 400 ml, de l'espace de tête.
- Ajouter l'huile brute à l'eau de mer prémesurée en utilisant une seringue étanche aux gaz à une concentration nominale de 1 g d'huile / L.
NOTE: Plus d'huiles visqueuses doivent être livrées en poids. - Après l'addition de l'huile, mélanger les solutions pendant 24 h dans l'obscurité (ou en recouvrant les bouteilles d'aspiration avec une feuille d'aluminium) en utilisant une plaque d'agitation fonctionnant à faible vitesse, sans la génération d'un vortex (environ 100 tours par minute) afin de permettre tous les composants solubles dans l'eau pour aller dans la solution et pour éviter l'inclusion des particules.
2. LEWAF Photo-irradiation, prélèvement d'échantillons, et la manipulation
- Préparer deux séries de bouteilles pour chaque expérience photo-irradiation.
- Couvrir un ensemble de bouteilles d'aspiration avec une feuille d'aluminium; ce sera le témoin à l'obscurité.
- Placer les bouteilles d'aspiration dans un bain-marie réglé à température contrôlée pour maintenir les bouteilles d'aspiration à une température de 25 ° C à l'intérieur de l'irradiateur solaire équipé with une lampe à arc xénon 1500 W à une intensité lumineuse de 765 W / m 2.
- Irradier les échantillons en continu pendant le temps désiré (cette expérience a duré 115 h); il n'y a pas de temps maximal.
- Après des heures fixes (15, 24, 48 et 115 h dans cette expérience) recueillir 150 ml d'eau du fond de l'aspirateur de verre par le débouchage de la bouteille d'aspiration et en ouvrant la vanne de vidange.
- En utilisant une ampoule à décanter effectuer une extraction liquide-liquide avec du chlorure de méthylène par addition d'aliquotes de 50 ml de chlorure de méthylène, en agitant l'échantillon pendant 2 minutes ventilation régulière de l'entonnoir pour éviter le bouchon de soufflage d'arrêt.
- Laisser les phases se séparer, et supprimer la phase organique inférieure en retirant le bouchon de l'entonnoir et lentement ouvrir le robinet de vidange. Égoutter l'échantillon dans un ballon à fond plat équipé d'une ampoule remplie de 100 g de Na 2 SO 4. Rincer entonnoir avec chlorure de méthylène supplémentaire Effectuer l'extraction 3 fois pour de plus ene l'efficacité de l'extraction.
REMARQUE: Les extractions multiples sont effectuées afin d'augmenter l'efficacité d'extraction de la procédure. - Retirez l'entonnoir, ajouter une colonne Snyder et placer le ballon à fond plat dans un bain d'eau chaude réglée sur 58 ° C. Evaporer jusqu'à 15 ml d'échantillon reste.
- Transférer l'échantillon dans un tube de concentration et de sécher les échantillons à l'aide d'un léger courant d'azote prudent pour éviter la perte de l'échantillon par les éclaboussures.
3. Préparation de l'échantillon pour l'analyse
NOTE: La préparation des échantillons pour l'analyse est la clé, et il faut prendre soin d'éviter l'introduction de contaminants étrangers, en particulier par l'utilisation de tous les plastiques, ce qui entraînera la lixiviation dans l'échantillon.
- Préparer un mélange 1: 1 v: v de methanol et de toluène en utilisant des solvants CL-SM optima de qualité.
- À l'aide d'une micropipette à déplacement positif, ajouter du solvant dans les flacons de verre, puis ajouter les échantillons à un rapport de 1: 100,d'abord en ajoutant 990 ul de solvant, puis en ajoutant 10 ul d'échantillon.
NOTE: micropipettes de verre sont utilisées pour éviter le lessivage en raison du chlorure de méthylène ou le toluène. - Facultatif: Utilisez l'accord mélange pour calibrer la mobilité ionique.
REMARQUE: une source API souvent lessivé si elle est régulièrement utilisé comme étalon. Si les ions d'étalonnage ne sont pas présentes dans les spectres, puis un mélange peut être préparé en ajoutant une partie de la solution standard pour l'échantillon à une dilution de 1: 1000.
4. Transformée de Fourier-Ion Cyclotron Resonance Spectrométrie de masse (FT-ICR MS) Analyse
- Réglez l'appareil sur le mode "Operate" en cliquant sur le bouton fonctionner.
- Chargez l'échantillon dans une seringue d'échantillon.
- Sous l'onglet source API, réglez le débit de perfusion à l'h Taux / 200 pi.
- Régler la pression du nébuliseur à 1 bar et la température de vaporisation à 300 ° C.
- Régler le taux de gaz sec à 1,2L / min et la température à 220 ° C.
NOTE: Cette procédure est applicable à la fois APPI et APCI. - Réglez l'appareil en mode "Tune" en cliquant sur le bouton de mise au point. Un spectre devrait apparaître sur l'écran.
Remarque: si nécessaire, l'appareil peut être optimisé en vue d'améliorer la transmission et la détection d'ions dans la gamme m / z des analytes en changeant les paramètres instrumentaux tels que des tensions, des fréquences RF, et les amplitudes. Notez que le spectromètre de masse devra être recalibré. - Arrêtez le mode "Tune" en cliquant sur le bouton d'arrêt.
- Réglez le nombre de balayages en moyenne, typiquement entre 20-200 scans par spectre de masse, et appuyez sur le bouton d'acquisition pour acquérir un spectre de masse.
REMARQUE: la moyenne des spectres multiples améliore le rapport signal-bruit global en réduisant le bruit et l' augmentation du signal pour les espèces à faible abondance 14.
5. Trapped Ion Mobility Spectrometry (TIMS) Analyse
- Activer le mode "Chromatographie" sur le programme d'acquisition FT-ICR.
- Activer le mode "TIMS" en tournant le commutateur sur le disjoncteur externe à TIMS.
NOTE: Les tensions utilisées dans TIMS sont commandés de l'extérieur de l'instrument. Un second logiciel va contrôler l'entonnoir d'entrée de l'instrument pour effectuer l'analyse IMS. - Allumer la pompe primaire et supplémentaire, en utilisant la soupape de commande du TIMS, ajuster les pressions entrée et de sortie à des plages désirées (dans cette expérience, P1 a été réglée à 2,8 mbar et P2 à 1,4 mbar).
REMARQUE: La pompe externe doit être allumé quelques heures avant l'analyse afin de s'assurer que la pompe est chaud et que le rendement est uniforme lors de l'analyse IMS, étant donné que les changements dans la vitesse du gaz provoquent des erreurs dans les spectres. - Tout d'abord identifier la plage de tension qui est nécessaire pour effectuer l'analyse IMS; cela se fait avec un rapide, recherche rapide sur une large plage de tension (250 V) à unebasse résolution IMS (1 V / frame).
- Si les tensions utilisées sont suffisantes pour analyser l'ensemble du spectre, puis répéter l'expérience, l'ajustement du TIMS pour une analyse plus haute résolution. Pour ce faire, diminuer la V / trame à 0,1 V et modifier le nombre d'images pour couvrir l' ensemble de la rampe de AV.
NOTE: L'utilisateur peut avoir besoin d'optimiser le nombre d'expériences TIMS qui sont accumulés dans la cellule de collision avant l'analyse FT-ICR MS.
Analyse 6. Données
- Ouvrez les données MS dans un logiciel d'analyse de données.
- Définissez les critères de pointe-picking pour sélectionner ceux ci-dessus 6 signal sur bruit et utiliser la fonction "Find Peaks".
NOTE: Le spectre obtenu est recalibrée en interne en utilisant des standards présents dans la solution. Ceci est utilisé pour identifier les séries chimiques et est ensuite recalibré à nouveau afin d'améliorer la précision d'une large gamme affectation élémentaire. - Effectuer l'affectation élémentaire en utilisant une assignation de formulement des outils ou des logiciels.
REMARQUE: Les limites de la Formule de C 1-100 H 1-100 N 0-2 O 0-7 S 0-2, configurations impaires et paires d' électrons, sont autorisés, et une tolérance de masse de 0,5 ppm M + et [M + H] + ions formes - Importez les données IMS-MS à un logiciel d'analyse de données et générer un spectre de masse moyenne pour l'ensemble analytique.
- Sélectionnez pics au-dessus 6 signal-bruit. En utilisant la série qui a été identifié dans l'analyse SM ultra-haute résolution, à l'intérieur du spectre recalibrer
- En utilisant les identifications de la formule de l'analyse FT-ICR MS, générer une liste de toutes les cibles m / z, et l' enregistrer comme "Flist.txt" dans le dossier de données. Cette liste sera utilisée dans la première étape de traitement de données
- Charger et exécuter le script fourni afin d' en extraire un chromatogramme ionique extrait (EIC) pour chaque cible m / z dans la liste.
- Modifier le script python pour saisir le directeur de fichiery, la tension de démarrage, la taille de pas et le nombre d'étapes dans cette analyse de la cible 11.
- Exécutez le script de déconvolution IMS.
NOTE: Ceci ouvrira chaque EIC et identifier les pics par ajustement gaussien itératif. Les résultats seront émis au format de fichier Excel 13.
NOTE: Après le montage, les pics en dessous d'un certain critère sont exclus, généralement basé sur la hauteur, la largeur et la zone du pic (pics en dessous d'une certaine largeur sont généralement exclus de l'analyse en raison des pointes de bruit aléatoires). - En utilisant les pics de réglage, calibrer la mobilité ionique de la tension à la mobilité pour les ions 11. Cela peut être converti en une section de collision en utilisant l'équation Mason-Schamp.
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Résultats
Analyse LEWAF par les résultats TIMS-FT-ICR MS dans un spectre à deux dimensions sur la base de m / z et TIMS tension de piégeage. Chacun des échantillons prélevés à différents points dans le temps, peut donc être caractérisé sur la base du changement de composition chimique, comme l'a observé la distribution des formules chimiques et la contribution isomérique identifiée par l'IMS (voir figure 1). En règle générale, le rapport m / z information...
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Discussion
Étapes critiques dans le Protocole
La complexité chimique de LEWAFs nécessite une préparation précise pour que les expériences de laboratoire pour refléter avec précision ce qui se produit naturellement. Une évaluation valide des données repose sur trois critères: minimiser l'introduction d'artefacts tout au long de la manipulation des échantillons (par exemple, la préparation de la LEWAF, l' échantillonnage, les extractions, et la préparation de l'échantillon pour l...
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Déclarations de divulgation
Les auteurs déclarent une absence d'intérêts financiers en compétition.
Remerciements
Ce travail a été soutenu par le National Institute of Health (Grant No. R00GM106414 à FFL). Nous tenons à souligner la facilité avancée Spectrométrie de masse de l'Université internationale de Floride pour leur soutien.
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Matériaux
| Nom | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| s forts | |||
| , Optima | Fisher Scientific | DS-151-4 | Utilisé tel que reçu |
| méthanol, Optima LC/MS | Fisher Scientific | A456-4 | Utilisé tel quel, |
| toluène Optima | Fisher Scientific | T291-4 | Utilisé tel que reçu |
| Na2SO4, granulaire, anhydre | Fisher Scientific | S415-212 | brûlé à 450 ; ° ; C/Stocké à 105 ; ° ; C |
| Pétrole brut | Sources | ||
| Instant Ocean® ; | Systèmes d’aquarium | SS1200 | 33 ppt de salinité avec 0,45 &mu ; m filtration des pores |
| Nom ; | Company | Numéro de catalogue | Comments |
| Equipment | |||
| Suntext XLS+Atlas | Chicalo Ill, USA | Lampe à arc xeon de 1 500 W, intensité lumineuse de 765 ; W/m2 | |
| Ionisation laser à pression atmosphérique | Bruker Daltonics Inc, MA | Remarque qu’un laser de 266 nm est utilisé | |
| TIMS-FT-ICR MS Instrument | Bruker Daltonics Inc, MA | La configuration que nous avions consistait en un 7 ; Aimant T avec une cellule infinie | |
| Nom ; | Company | Catalog Number | Comments |
| Software | |||
| DataAnalysis 4.2 | Bruker Daltonics Inc, MA | ||
| Python 2.7 | Nécessite Numpy, Scipy, Pandas, glob, oct2py et os | ||
| Octave 4.0 |
Références
- 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. Sunlight creates oxygenated species in water-soluble fractions of Deepwater Horizon oil. J Hazard Mater. 280 (0), 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).
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