ניתוח כימי של שברים-לאכלס מים של נפט גולמי נשפך שימוש TIMS-FT-ICR MS

סיכום

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.

תקציר

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.

מבוא

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.

פרוטוקול

1. הכנת שברי בעלי האנרגיה הנמוכה-לאכלס מים (LEWAF)

1. 2-L נקי בקבוקי aspirator על ידי שטיפת בקבוקים עם מתילן כלוריד כדי להסיר כל מזהמים פוטנציאליים.
2. מלאו בקבוקים עם 50 מ"ל של מתילן כלוריד, לסגור אותם, ו להתסיס במשך 30 שניות. מסננים אותם לתוך מיכל פסולת המתאים. חזור עבור סכום כולל של שלושה שוטף.
3. השתמש בקבוק aspirator אחד עבור חשיפת ההקרנה והבקבוק האחר כמדגם מלא (לבצע סטים כפולים של כל אם אפשר).
4. הכן מי ים מלאכותי על ידי ערבוב 35 הגרם של תערובת מלח ים לכל 1 ליטר של מים המשמש במליחות סופית של 33 חלקים לאלף. סנן את הפתרון תחת מעט או ללא לחץ שלילי כדי למנוע האובדן של תרכובות נדיפות באמצעות מנגנון סינון המצוידת במסנן נקבובי בגודל של 0.45 מיקרומטר או קטנים.
5. מלא את בקבוקי aspirator עם מי הים המלאכותי, עוזב ~ 20%, או 400 מיליליטר, של אמיץ.
6. מוסיפים את השמן הגולמי אל מי הים premeasured באמצעות מזרק חזק גז בריכוז נומינלי של 1 גרם שמן / L.
   הערה: שמנים צמיגים יותר צריכים להיות מועברים על ידי משקל.
7. לאחר תוספת של שמן, מערבבים את פתרונות עבור 24 שעות בחושך (או על ידי כיסוי בקבוקי aspirator ברדיד אלומיניום) באמצעות צלחת ערבוב פעלה במהירות נמוכה ללא הדור של מערבולת (כ 100 סל"ד) על מנת לאפשר כל המרכיבים מסיסים במים להיכנס פתרון וכדי למנוע את הכללת שמן חלקיקים.

2. LEWAF תמונה- הקרנה, אוסף דוגמאות, וטיפול

1. כן שני סטים של בקבוקים עבור כל ניסוי צילום הקרנה.
2. מכסה סט אחד של בקבוקי aspirator עם רדיד אלומיניום; זו תהיה השליטה הכהה.
3. מניחים את בקבוקי aspirator ב סט אמבט מים בטמפרטורה מבוקרת כדי לשמור על בקבוקי aspirator בטמפרטורה של 25 מעלות צלזיוס הפנימי של wi מצויד irradiator סולאריתth מנורת קשת קסנון 1,500-W בעצימות לאור 765 W / m ^2.
4. מקרינים דגימות ברציפות במשך פרק הזמן הרצוי (ניסוי זה נמשך 115 ח); אין זמן מרבי.
5. לאחר מועדי, (15, 24, 48, ו -115 שעות בניסוי זה) לאסוף 150 מ"ל מים מעומק של aspirator זכוכית על ידי לפתוח את בקבוקי aspirator ופתיחת מגוף הניקוז.
6. ניצול משפך separatory לבצע מיצוי נוזלי נוזלי עם מתילן כלוריד על ידי הוספת 50 מ"ל aliquots של מתילן כלוריד, רועד המדגם למשך 2 דקות ומאווררת את המשפך קבוע, כדי למנוע את הפקק מלפוצץ את.
7. אפשר שלב להפריד, ולהסיר את השלב האורגני התחתון על ידי הסרת הפקק מן הארובה לאט לפתוח את שסתום הניקוז. מסננים את הדגימה לתוך בקבוקון תחתית שטוחה מצויד משפך מלא 100 גרם של Na ₂ SO _4. לשטוף משפך עם מתילן כלוריד נוסף בצע החילוץ 3 פעמים כדי ועלייהדואר יעילות החילוץ.
   הערה: עקירות מרובות מבוצעות על מנת להגדיל את יעילות החילוץ של ההליך.
8. הסר את המשפך, להוסיף עמודה סניידר ומניח את הבקבוק התחתי שטוח באמבט מים חם מוגדר 58 ° C. להתאדות עד 15 מ"ל של מדגם נשאר.
9. מעבירים את המדגם לתוך צינור להתרכז ולייבש את הדגימות באמצעות זרם עדין של חנקן זהיר, כדי למנוע אובדן של מדגם על ידי מתיז.

3. הכנת המדגם עבור ניתוח

הערה: לדוגמא כהכנה לניתוח היא מפתח, יש להקפיד להימנע כניסתה של מזהמים זרים, בעיקר באמצעות השימוש בכל פלסטיק, אשר יגרום שטיפה לתוך המדגם.

1. הכינו תערובת של 1: 1 v: מתנול v: טולואן ניצול ממיסים LC-MS Optima-כיתה.
2. שימוש micropipette חיובית עקירה, להוסיף ממס על צלוחיות זכוכית ולאחר מכן להוסיף את הדגימות לפי יחס של 1: 100,הראשון על ידי הוספת 990 μL של ממס ולאחר מכן על ידי הוספת 10 μL של המדגם.
   הערה: micropipettes זכוכית משמשים כדי להימנע יקיזה בשל מתילן כלוריד או טולואן.
3. אופציונאלי: השתמש תמהיל כוונון לכייל את ניידות היון.
   הערה: מקור API לעיתים קרובות ליץ אם נעשה בו שימוש קבוע כסטנדרט כיול. אם יוני הכיול אינם נוכחים בספקטרום, אז תערובת יכולה להיות מוכנה על ידי הוספה כמה הפתרון הסטנדרטי המדגם ביחס של 1: דילול 1,000.

4. Fourier Transform-יון הציקלוטרון תהודה ספקטרומטריית מסה (FT-ICR MS) ניתוח

1. כוונן את המכשיר למצב "הפעל" על ידי לחיצה על הכפתור לפעול.
2. טענת מדגם לתוך מזרק מדגם.
3. בכרטיסיית מקור API, להגדיר את קצב העירוי בשיעור 200 μL / h.
4. הגדר את הלחץ nebulizer עד 1 בר והטמפרטורה מאדה עד 300 ° C.
5. שיעור גז יבש גדר 1.2L / min ואת הטמפרטורה ל 220 מעלות צלזיוס.
   הערה: הליך זה חל על שניהם APPI ו APCI.
6. כוונן את המכשיר "Tune" מצב על ידי לחיצה על הכפתור לכונן. קשת אמורה להופיע על המסך.
   הערה: אם יש צורך, המכשיר יכול להיות מותאם על מנת לשפר יון שידור וזיהוי של m / z מגוון של analytes על ידי שינוי פרמטרים אינסטרומנטלי, כגון מתח, תדרים rf, ואמפליטודות. ראוי לציין, כי ספקטרומטר מסה יהיה צורך recalibrated.
7. עצירה במצב "Tune" על ידי לחיצה על כפתור הכיבוי.
8. הגדר את מספר סריקות הסכום ממוצע, בדרך כלל בין 20-200 סריקות לכל ספקטרום המוני, ולחץ על כפתור הרכישה לרכישת ספקטרום המוני.
   הערה: מיצוע ספקטרום מרובה משפר את יחס אות לרעש הכולל על ידי הפחתת הרעש וגברת האות עבור מינים נמוך שפע ^14.

5. לכודים יון ניידות Spectrometry (TIMS) ניתוח

1. אפשר "כרומטוגרפיה" מצב על תוכנית רכישת FT-ICR.
2. הפעל מצב "TIMS" על ידי העברת המתג על המפסק החיצוני TIMS.
   הערה: מתח המשמש TIMS נשלטים חיצוני מהמכשיר. תוכנה שנייה תשלוט משפך הכניסה של המכשיר כדי לבצע את ניתוח IMS.
3. הפעל את משאבת roughing הנוספת, באמצעות שסתום הבקרה של TIMS, להתאים את לחצי הכניסה ויציאה לטווחים רצויים (בניסוי הנוכחי, P1 נקבע ל -2.8 mbar ו- P2 ל -1.4 mbar).
   הערה: המשאבה החיצונית צריך להיות מופעלת כמה שעות לפני ניתוח על מנת להבטיח כי המשאבה חמה וביצועים כי הוא אחיד במהלך ניתוח IMS, מאז שינויים מהירים גז יגרמו שגיאות בספקטרום.
4. ראשית לזהות את טווח מתח כי נדרש לבצע את הניתוח IMS; זה נעשה באמצעות חיפוש מהיר, שטחי על פני טווח מתחים רחב (250 V) בכלברזולוציה נמוכה IMS (1 V / מסגרת).
5. אם המתחים בהם נעשה שימוש הם מספיק לנתח את כל הספקטרום, ולאחר מכן לחזור על הניסוי, התאמת TIMS לניתוח בעל רזולוציה גבוהה. כדי לעשות זאת, להקטין את V / מסגרת ל -0.1 V ולשנות את מספר המסגרות כדי לכסות את כל _הרמפה ΔV.
   הערה: המשתמש ייתכן שיהיה צורך לבצע אופטימיזציה של מספר ניסויי TIMS כי נצברים לתוך תא ההתנגשות לפני ניתוח FT-ICR MS.

6. ניתוח נתונים

1. פתח את נתוני MS בתוך תוכנת ניתוח נתונים.
2. הגדר את הקריטריונים קטיף שיא לבחור את אלה מעל 6 אות לרעש ולהשתמש בפונקציית "מצא פיקס".
   הערה: הספקטרום המתקבל הוא פנימי recalibrated באמצעות סטנדרטים נוכח הפתרון. זה משמש לזיהוי סדרה כימית והוא אז recalibrated שוב על מנת לשפר את הדיוק למשימת יסודות רחב-טווח.
3. בצע הקצאת יסודות באמצעות להקצות נוסחאment כלים ותוכנות.
   הערה: גבולות פורמולה של C _1-100 H _1-100 N _0-2 O _0-7 S _0-2, מוזר ואפילו מבנה אלקטרוני, מותר, סובלנות המונית של ⁺ 0.5 עמודים לדקה M ו- [M + H] ⁺ יוצר יונים
4. ייבא את נתוני IMS-MS תוכנת ניתוח נתונים וליצור ספקטרום מסה ממוצע עבור טווח אנליטי כולו.
5. פסגות בחרו לעיל אות לרעש 6. באמצעות הסדרה זוהתה בניתוח MS ברזולוצית ultrahigh, פנימי לכייל מחדש את הספקטרום
6. באמצעות הזדהויות הנוסחה מניתוח MS FT-ICR, ליצור רשימה של כל יעד m / z, ולשמור את זה כמו "Flist.txt" בתיקייה נתונים. רשימה זו תשמש בשלב הראשון של עיבוד נתונים
7. לטעון ולהפעיל את הסקריפט המסופק על מנת לחלץ הכרומתוגרמה יון חילוץ (EIC) לכל יעד m / z ברשימה.
8. שנה את סקריפט פייתון קלט מנהל הקובץy, מתח המוצא, את גודל הצעד, ואת מספר הצעדים בכך שהאנליזה היעד ^11.
9. להריץ את הסקריפט deconvolution IMS.
   הערה: פעולה זו תפתח כל EIC ולזהות את פסגות ידי הולם גאוס איטרטיבי. תוצאות תהיינה פלט ב- Excel קובץ בפורמט ^13.
   הערה: לאחר הולם, פסגות מתחת קריטריון מסוים מודרים, בדרך כלל על בסיס גובה, רוחב ושטח השיא (פסגות מתחת רוחב מסוים בדרך כלל נכללות בניתוח בגלל קוצי רעש אקראיים).
10. ניצול פסגות הכוונון, לכייל את ניידות היון מ מתח לניוד עבור היונים ^11. זה יכול להיות מומר חתך התנגשות באמצעות משוואת מייסון-Schamp.

תוצאות

ניתוח LEWAF ידי תוצאות TIMS-FT-ICR MS בספקטרום דו מימדי המבוסס על m / z ומתח שמן TIMS. כל אחת מהדגימות, נלקח בנקודות זמן שונות, ולכן יכול להיות מאופיין על בסיס ההרכב הכימי משתנה, כפי שנצפה על ידי חלוקת נוסחאות כימיות והתרומה isomeric שזוהו על ידי IMS (ראה איור 1). בדרך כלל, מ '/ מידע z יכול להיות מנוצל כדי להקצות נוסחאות האלמנטארי פסגות ניתחו. שימוש APLI מאפשר הניתוח של מולקולות עם אג"ח ארומטי כפ...

דיון

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, דגימה, העקירות, והכנת המדגם לניתוח), אימות פרוטוקול הניסוי (כלומר, שימוש בפקדים כהים לצורך ניסוי צילום ההקרנה), ועל תיקוף הביצועים המכשירים (כלומר, אימות MS ו...

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה

שם	חברה	מספר קטלוג	הערות
<חזק>ריאגנטים
מתילן כלוריד, אופטימה	פישר סיינטיפיק	DS-151-4	בשימוש כמתנול שהתקבל
, אופטימה LC/MS	פישר סיינטיפיק	A456-4	בשימוש כטולואן שהתקבל
, אופטימה	פישר סיינטיפיק	T291-4	בשימוש כהתקבל
Na2SO4, גרגירי	Fisher Scientific	S415-212	נשרף ב-450  ° C/מאוחסן ב-105  ° C
נפט גולמי	מקורות
Instant Ocean®	מערכות אקווריום	SS1200	מליחות 33 ppt עם 0.45  μ m סינון נקבוביות
<חזק>שם	Company	Catalog Number	Comments
>Equipment
Suntext XLS+	Atlas Chicalo Ill, ארה"ב		מנורת קשת קסיאון 1,500 W, עוצמת אור של 765  W/m2
Atmospheric Pressure Laser Ionization	Bruker Daltonics Inc, MA		הערה נעשה שימוש בלייזר 266 ננומטר
TIMS-FT-ICR MS Instrument	Bruker Daltonics Inc, MA		ההתקנה שהייתה לנו כללה 7  מגנט T עם תא אינסופי
<חזק>שם	Company	>Catalog Number	Comments
Software
DataAnalysis 4.2	Bruker Daltonics Inc, MA
Python 2.7			דורש Numpy, Scipy, Pandas, glob, oct2py ו-os
Octave 4.0

נטול מים שונים