원유 저에너지 물 - 수용 부분 (LEWAF)는 시간이 지남에 따라,이 복합체는 화학적 변형을 거치게되므로 분석하기 어려운 방식이다. 이 프로토콜은 LEWAF 시료의 제조 및 포획 이온 이동도 분광 FT-ICR-MS에 의해 광 조사 및 화학 분석을 수행하는 방법을 도시한다.
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이 논문에서
요약
초록
여러 화학 공정은 또한 초과 발생하는 화학 반응을 해수에 통합되는 방법 원유 제어한다. 이 시스템을 공부하는 것은 정확하게 자연에서 발생하는 물 수용 분수의 자연 형성을 복제하기 위해 샘플의 신중한 준비가 필요합니다. 저에너지 물 수용 분획 (LEWAF)을주의 깊게 설정된 비율 원유 및 물을 혼합하여 제조된다. 흡입기는 병을 조사하고, 설정 한 시점에서, 물은 샘플링 된 표준 기술을 이용하여 추출 하였다. 두 번째 문제는 고려 사항으로 시간이 지남에 따라 발생하는 화학적 변화를 취해야합니다 샘플의 대표적인 특성이다. LEWAF의 방향족 분획의 표적 분석은 맞춤형 트랩 이온 이동도 분광 퓨리에 변환 이온 사이클로트론 공진 질량 분석계를 (TIMS-FT 결합 대기압 레이저 이온화 원을 사용하여 수행 될 수있다-ICR MS). TIMS-FT-ICR MS 분석은 또한 자신의 충돌 단면 (CCS) 및하기 화학식 이성체 성분의 식별을 허용 고해상도 이온의 이동성과 초 - 해상도 MS 분석을 제공한다. 결과는 오일 - 물 혼합물을 빛에 노출 될 때, 물에 대한 표면의 오일 중요한 광 가용화가 있다는 것을 보여준다. 시간이 지남에 따라 용해 된 분자의 화학적 변형은 일반적으로베이스 오일에서 관찰 된 것보다 더 많은 산소 함량과 그 대신에 질소 및 황 - 함유 종의 동정의 수의 감소와 함께 이루어진다.
서론
자연적인 원인에서 인위적 노출 모두 원유에 대한 환경 노출의 다양한 원인이있다. 환경으로 배출되면, 특히 해양에서 원유의 표면에 유막을 형성, 대기에 휘발성 성분의 손실 및 침전으로 분할을 겪을 수있다. 그러나, 고전 용해하지 않은 난 용성 오일 발생 않는 물이 혼합물의 낮은 에너지 혼합은 저에너지 물 - 수용 부분 (LEWAF)이라 무엇 형성한다. 물 속에서 오일 성분의 용해는 일반적으로 태양 방사 오일 - 물 계면의 노광시 향상된다. 바다에서 원유의이 사진 가용화 인해 효소 분해 1, 2 태양 복사 및 / 또는 인해 노출에 중요한 화학적 변화를 겪을 수 있습니다. 이러한 화학적 변화를 이해하고 그들은 대량 행렬 (즉, 원유)의 존재하에 발생하는 노광 방법이 환경에 미치는 영향을 완화하는 기본이다.
이전 연구 원유 산소, 미생물을 입히거나 생체 축적을 거쳐 오염의 맹독성 소스를 나타내는, 특히 다환 방향족 탄화수소 류 (PAHs에)를 거쳐, 그리고 생물 3, 5, 6 인 것으로 나타났다. 그들은 단지 벌크 매트릭스의 존재 하에서 발생할 수 있기 때문에 다른 산소화 공정의 제품을 이해 도전. 따라서, 하나의 표준 분석은 자연에서 발생하는 변동을 반영하지 않을 수 있습니다. LEWAF의 제조는 환경 설정에서 일어나는 자연적인 과정을 복제해야합니다. 특히 관심 태양 복사로 인해 발생의 PAHs의 산소입니다.
t "> 물 수용 분획의 연구에서 두 번째 과제는 샘플의 다른 화학적 성분의 분자 식별한다. 인해 높은 질량 및 산소의 정도에 의한 시료의 복잡성 때문에, 산소 제품은 일반적으로 기존의 분석에 적합하지가 MS 분석 (7, 8)과 결합 된 기체 크로마토 그래피로 수행 하였다. 대안적인 접근 방법은 (예를 들어, FT-ICR MS를 초고 질량 분석 MS 기술을 이용하여 샘플의 화학식의 변화를 특성화하는 ).이 MS 도메인에서 등압 분리 외에도, FT-ICR MS에 TIMS 결합함으로써, 이온 이동도 분광 (IMS) 치수는 샘플 9, 10, 11에 존재하는 다른 이성체에 대한 분리 및 특성 정보를 제공한다. 대기압 레이저와 결합이온화 (APLI) 자료는 분석의 PAHs가 될 겪는다 변경 정확하게 13 12 특징 있도록 샘플에서 발견 된 공역 분자에 선택적 일 수있다.본 연구에서, 우리는 오일 성분의 변환 과정을 연구하기 위해서 광 조사에 노출 LEWAFs의 준비를위한 프로토콜을 설명한다. 또한 광 조사에 의해 발생하는 변화뿐만 아니라, 샘플 추출하기위한 절차를 도시한다. 또한 광에 대한 노출의 함수로서 LEWAF에서의 PAHs를 특성화하는 FT-ICR MS 결합 TIMS와 APLI의 사용을 제시한다.
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프로토콜
낮은 에너지 물 수용 분수 1. 준비 (LEWAF)
- 잠재적 인 오염 물질을 제거하기 위해 염화 메틸렌으로 병을 세정하여 클린 2 L 흡인기 병.
- 염화 메틸렌 50 mL로 병을 채울을 닫고 30 초 동안 교반한다. 적절한 폐기물 용기로를 배출합니다. 세 세척의 총 반복합니다.
- 조사 노광 및 대조 샘플과 같은 다른 병 한 흡입기를 사용하여 병 (각 가능한 경우 중복 세트를 수행).
- 33 부품 당 천의 최종 염분에 사용되는 물 1 L 당 바다 소금 혼합물의 35g을 혼합하여 인공 해수를 준비합니다. 약간 아래 용액 또는 0.45 ㎛ 이하의 기공 크기의 필터를 구비 한 여과 장치를 사용하여 휘발성 화합물의 손실을 예방할 수있는 부압 필터.
- 헤드 스페이스의 ~ 20 %, 또는 400 mL로 떠나는 인공 해수와 흡인기 병을 채 웁니다.
- 1g 오일 / L의 공칭 농도 기밀 주사기를 사용하여 미리 측정 된 해수에 원유를 추가한다.
참고 : 더 점성 오일 중량 전달해야합니다. - 오일의 첨가 후, 어두운 (또는 알루미늄 호일 흡입기 병 덮어) 허용하기 위해 소용돌이 (약 100 RPM)의 발생없이 저속으로 작동되는 교반 플레이트를 이용하여 24 시간 동안 용액을 혼합 모든 수용성 성분은 용액으로 이동하여 입자의 오일을 포함하지 않도록.
2. LEWAF 포토 조사, 시료 채취 및 취급
- 각 사진-조사 실험에 병의 두 세트를 준비합니다.
- 알루미늄 호일 흡인기 병의 일 세트를 커버; 이 어두운 제어됩니다.
- 태양 광 조사부 구비 WI 안에서 25 ° C의 온도에서 흡입기 병을 유지하기 위해 온도 조절 수조 세트에서 흡입기 병을 놓고765 W / m 2의 광 강도에 1,500 W 크세논 아크 램프를 토륨.
- 원하는 시간 동안 연속적으로 샘플을 조사 (이 실험은 115 시간 지속); 어떤 최대 시간은 없습니다.
- 설정된 시간 후에, (이 실험에서는 15, 24, 48 및 115 시간)은 흡입기 병 uncorking 드레인 밸브를 개방하여 유리 흡입기의 하부에서 150 mL의 물을 수집한다.
- 분별 깔때기 2 분 정기적 날려로부터 상기 스토퍼를 방지하기 위해 깔때기를 배출하기위한 샘플을 진탕, 염화 메틸렌 50 ㎖ 분취 량을 첨가하여 메틸렌 클로라이드로 액체 - 액체 추출을 수행 살린.
- 상을 분리하고, 깔때기로부터 상기 스토퍼를 제거하여 하부 유기층을 제거하고 천천히 배수 밸브를 개방 할 수있다. SO 4 나 2의 100g으로 가득 깔때기가 장착 된 평평한 바닥 플라스크에 샘플을 배출합니다. increas하기 위해 추출을 3 회 수행하여 추가 메틸렌 클로라이드와 깔때기를 씻어추출 효율을 전자.
주 :이 복수 추출하는 절차의 추출 효율을 증가시키기 위해 수행된다. - , 깔때기를 제거합니다 스나이더 열을 추가하고 58 ° C로 설정 뜨거운 물을 욕조에 평평한 바닥 플라스크를 배치합니다. 샘플 15 ㎖를 남을 때까지 증발시켰다.
- 집중 튜브에 샘플을 전송하고 튀는에 의해 시료의 손실을 방지하도록주의 질소의 부드러운 흐름을 사용하여 샘플을 건조.
분석 용 샘플의 제조 3
주 : 분석 시료 준비는 핵심 및 관리가 특히 샘플로 침출 발생할 임의의 플라스틱의 사용을 통해, 외부의 오염 물질의 도입을 방지하기 위해주의해야한다.
- 1 V : V 메탄올 : 톨루엔을 이용하여 LC-MS OPTIMA 등급 용매 (1)의 혼합물을 준비한다.
- 100 : 포지티브 변위 마이크로 피펫을 사용하여 유리 바이알에 용매를 추가하고 (1)의 비율로 샘플을 추가제 1 용매의 990 μL를 추가하여 다음 샘플 10 μL를 추가하여.
참고 : 유리 가능한 Micropipette 인해 메틸렌 클로라이드, 톨루엔에 주문 피하기 피를 빨기에 사용됩니다. - 옵션 : 이온 이동도를 보정 튜닝 믹스를 사용합니다.
주 : 주기적 교정 표준으로서 사용되는 경우는, API 소스 종종 침출된다. 1000 희석 교정 이온 스펙트럼에 존재하지 않는 경우, 혼합물은 하나의 샘플에 대한 표준 용액의 일부를 첨가함으로써 제조 될 수있다.
4. 푸리에 변환 이온 사이클로트론 공명 질량 분석 (FT-ICR MS) 분석
- 작동 버튼을 클릭하여 "작동"모드로 기기를 설정합니다.
- 샘플 주사기에 샘플을로드합니다.
- 이 API 소스 탭에서 200 μL / h의 속도로 주입 속도를 설정합니다.
- 한 바 분무기 압력 및 300 ℃로 증발기 온도를 설정한다.
- 1.2로 설정 건조 가스 속도L / 분 220 ° C의 온도.
참고 :이 절차는 APPI 및 APCI 모두에 적용 할 수있다. - 튜닝 버튼을 클릭하여이 "조정"모드 기기를 설정합니다. 스펙트럼이 화면에 나타납니다.
주 : 필요한 경우, 기기가 이러한 전압, RF 주파수 및 진폭과 같은 수단이 파라미터를 변경하여 분석 물질의 m / z 범위에서 이온 전달 및 검출을 향상시키기 위해 최적화 될 수있다. 질량 분석기가 재조정 될 필요가 있습니다. - 정지 버튼을 클릭하여 "조정"모드를 중지합니다.
- 질량 스펙트럼 당 20 ~ 200 스캔 사이에 일반적으로 평균을 스캔의 수를 설정하고, 질량 스펙트럼을 취득하는 취득 버튼을 누릅니다.
주 : 다중 스펙트럼을 평균화하는 노이즈를 감소시키고 미량 종 (14)에 대한 신호를 증가시킴으로써 전체 신호 대 잡음비를 향상시킨다.
5. 갇혀 이온 이동성 Spectrometry (TIMS) 분석
- FT-ICR 취득 프로그램의 "크로마토 그래피"모드를 사용합니다.
- TIMS에 외부 차단기의 스위치를 돌려 "TIMS"모드를 사용합니다.
참고 : TIMS에 사용되는 전압은 악기에서 외부에서 제어됩니다. 두번째 소프트웨어는 IMS 분석을 수행 할 수있는 악기의 입구 깔대기를 제어한다. - 부가 러핑 펌프를 켜고 상기 TIMS의 제어 밸브를 사용하여 소정 범위의 입구 및 출구 압력을 조정 (이 실험에서, P1은 1.4 mbar에서 2.8 밀리바 및 P2로 설정 하였다).
참고 : 외부 펌프는 펌프가 따뜻한 있는지 확인하기 위해 분석 전에 몇 시간에 설정되어야하며, 가스 속도의 변화가 스펙트럼에서 오류가 발생하기 때문에 성능이는 IMS 분석 중에 균일하다. - 먼저 IMS 분석을 수행하는 데 필요한 전압 범위를 식별; 이것은에 넓은 전압 범위에 걸쳐 신속하고 조잡한 검색 (250 V)으로 이루어진다낮은 IMS 해상도 (1 V / 프레임).
- 사용 전압이 전체 스펙트럼을 분석하기에 충분한 경우, 높은 해상도의 분석을 위해 TIMS 조정 실험을 반복한다. 이를 위해,이 0.1 V의 V / 프레임 감소 및 ΔV 램프를 모두 덮도록 프레임의 수를 변경.
주 : 사용자는 FT-ICR MS 분석 전에 충돌 셀에 축적 TIMS 실험의 수를 최적화 할 필요가있다.
6. 데이터 분석
- 데이터 분석 소프트웨어에서 MS 데이터를 연다.
- 6 신호 대 잡음 위의 사람들을 선택하고 "봉우리 찾기"기능을 사용 피크 따기 기준을 설정합니다.
주 : 얻어진 스펙트럼은 내부적으로 용액에 존재하는 표준을 사용하여 다시 보정된다. 이것은 화학적 계열을 식별하는 데 사용하고 넓은 범위의 원소 할당 정확성을 향상시키기 위해 다시 재조정된다. - 공식 할당을 사용하여 원소 과제를 수행도구 나 소프트웨어를 MENT.
참고 : 수식 H 1-100 N 0-2 O 0-7 S 0-2, 홀수 및 짝수의 전자 구성이 허용됩니다 C ~ 100의 범위, 0.5 ppm의 M의 +의 질량 관용과 [M + H] + 이온의 형태 - 데이터 분석 소프트웨어에 IMS-MS 데이터를 가져 오기 전체 분석 범위에 대한 평균 질량 스펙트럼을 생성합니다.
- 6 신호 대 잡음 위의 선택 봉우리. 초고 해상 MS 분석에서 식별 된 시리즈를 사용하여 내부적으로 스펙트럼을 재조정
- FT-ICR MS 분석으로부터 화학식 식별을 사용하여, 모든 타겟 m / z의리스트를 생성하고, 데이터 폴더 "Flist.txt"으로 저장. 이리스트는 데이터 처리의 제 1 단계에서 사용될
- 로드 및 목록에있는 모든 대상 m / z에 대한 추출 이온 크로마토 그램 (EIC)을 추출하기 위해 제공되는 스크립트를 실행합니다.
- 입력 파일의 감독에 파이썬 스크립트를 수정Y는 출발 전압 스텝 사이즈, 및 그 분석 대상 (11)의 단계의 수.
- 상기 IMS 디컨 볼 루션 스크립트를 실행합니다.
참고 :이 각 EIC를 열고 반복적 인 가우스 피팅하여 피크를 식별합니다. 결과는 Excel 파일 형식 (13)에서 출력됩니다.
주 : 피팅 후, 일정 기준 이하 피크는 제외된다 전형적 피크의 높이, 폭, 면적에 기초 (a 일정 폭 이하의 피크는 전형적으로 인해 랜덤 노이즈 스파이크 분석에서 제외된다). - 튜닝 피크 이용하여, 이온 (11)에 대해 이동하는 전압으로부터 이온의 이동을 보정. 이것은 메이슨 - Schamp 식을 이용하여 충돌 단면으로 전환시킬 수있다.
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결과
m / z 및 TIMS 랩핑 전압에 기초하여 이차원 스펙트럼 TIMS FT-ICR-MS에 의한 결과 LEWAF 분석. 화학식의 분포 및 IMS (도 1 참조)에 의해 식별 이성질체 기여하여 관찰 상이한 시점에서 촬영 한 각 샘플은 따라서 변화하는 화학 성분에 기초하여 특성화 될 수있다. 일반적으로, m / z 정보 분석 피크 원소 수식을 할당하는데 이용 될 수있다. APLI의 사용은 분자 클래스 광범위한 이온화 민감도 15의 방향족 및 이중 결합을 갖는 분자 분석을 가능하게 (예를 들면, HC, O 1-4 NO 0-4 및 0-4 SO) 13. 이 정보는 DBE 화학식 탄소 수가 헤테로 원자 함량의 함수로서의 점수 분포를 보여주는 그래프로 구성되고
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토론
프로토콜 내에서 중요한 단계
LEWAFs의 화학적 복잡성은 정확하게 자연적으로 발생하는 것을 반영하기 위해 실험실 실험 위해서는 정확한 준비가 필요합니다. 유효한 데이터 평가는 세 가지 조건에 달려있다 : 처리 샘플에 걸쳐 인공물의 도입을 최소화하는 (예를 들면, 분석 용 시료의 LEWAF 샘플링, 추출 및 제제의 제조), 실험 프로토콜을 검증 (즉, 어두운 컨트롤을 사용하여 광 조사 실험) 및 기기의 성능을 검증 (즉 대) 표준의 사용을 통해 MS와 IMS 성능 검증.
데이터 처리 및 해석은 도전을 표시 할 수 있습니다. 첫 번째 과제는 관찰 된 피크 분자식의 할당이다. 이것은 데이터의 전위 잘못된 할당을 회피하기 위해 높은 질량 정확도를 필요로한다. IMS 해석입니다또한 유효성 검사를 복잡하고 필요로한다. 현재 시스템은 실험 스펙트럼의 5 % 편차 이내 가우스 피크 일련의 데이터...
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공개 사항
저자는 더 경쟁 재정적 이익을 선언합니다.
감사의 글
이 작품은 국립 보건 연구소 (FFL을 부여 제 R00GM106414)에 의해 지원되었다. 우리는 그들의 지원을 위해 플로리다 국제 대학의 고급 질량 분석 시설을 인정하고 싶습니다.
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재료
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 시약 | |||
| methylene chloride, Optima | Fisher Scientific | DS-151-4 | 수신된 메탄올로 사용 |
| , Optima LC/MS | Fisher Scientific | A456-4 | 수신된 톨루엔으로 사용 |
| , Optima | Fisher Scientific | T291-4 | |
| Na2SO4, 과립형, 무수 | Fisher Scientific | S415-212 | 450 에서 연소; ° C/105 에 저장됨; ° C |
| 원유 | 다양한 출처 | ||
| Instant Ocean® | 수족관 시스템 | SS1200 | 33ppt 염도 0.45 &뮤; m 모공 여과 |
| <강력한>이름 | Company | 카탈로그 번호 | Comments |
| Equipment | |||
| Suntext XLS+ | Atlas Chicalo Ill, USA | 1,500 W 제온 아크 램프, 광도 765 W/m2 | |
| Atmospheric Pressure Laser Ionization | Bruker Daltonics Inc, MA | 참고 266 nm 레이저는 | |
| TIMS-FT-ICR MS 기기 | Bruker Daltonics Inc, MA | 가진 설정은 7 인피니티 셀이 있는 T 자석 | |
| <강력한>이름 | Company | 카탈로그 번호 | Comments |
| >Software | |||
| DataAnalysis 4.2 | Bruker Daltonics Inc, MA | ||
| Python 2.7 | Numpy, Scipy, Pandas, glob, oct2py 및 os | ||
| Octave 4.0 |
참고문헌
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- 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).
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