De lage-energie-water-ondergebracht fractie (LEWAF) van ruwe olie is een uitdagende systeem te analyseren, want na verloop van tijd, dit complex mengsel ondergaat chemische omzettingen. Dit protocol illustreert werkwijzen voor de bereiding van de LEWAF monster en voor het uitvoeren van foto-bestraling en chemische analyse van gevangen ionenmobiliteitsspectrometrie-FT-ICR MS.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Chemische analyse van water opgevangen fracties van ruwe olieverontreiniging met behulp van TIMS-FT-ICR MS
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Meervoudige chemische processen bepalen hoe ruwe olie in het zeewater wordt opgenomen en ook de chemische reacties die overuren optreden. Bestuderen van dit systeem vereist een zorgvuldige voorbereiding van het monster om nauwkeurige simulatie van de natuurlijke vorming van het in water opgenomen fractie die in de natuur. Lage-energie-water opgevangen fracties (LEWAF) worden zorgvuldig voorbereid door het mengen van ruwe olie en water op een ingestelde verhouding. Aspirator flessen worden vervolgens bestraald en op vaste tijdstippen, wordt het water opgevangen en geëxtraheerd onder toepassing van standaardtechnieken. Een tweede uitdaging is de vertegenwoordiger karakterisering van het monster, die moet rekening houden met de chemische veranderingen die zich voordoen in de tijd. Een gerichte analyse van de aromatische fractie van de LEWAF kan worden uitgevoerd met een atmosferische druk ionisatiebron laser gekoppeld met een op maat gemaakte gevangen ionenmobiliteitsspectrometrie-Fourier transform ion cyclotron resonantie spectrometrie (TIMS-FT-ICR MS). De TIMS-FT-ICR MS analyse biedt ion mobiliteit een hoge resolutie en ultrahoge resolutie MS analyse, die de identificatie van isomere componenten verder mogelijk maken door hun botsing doorsneden (CCS) en de chemische formule. Resultaten tonen dat de olie-watermengsel wordt blootgesteld aan licht, is er aanzienlijke foto-solubilisatie van het oppervlak olie in het water. Tijd, de chemische omzetting van de opgeloste moleculen plaatsvindt, hetgeen een daling van het aantal identificaties van stikstof- en zwavel-houdende verbinding in het voordeel van die met een groter gehalte zuurstof dan werden gewoonlijk waargenomen in de basisolie.
Inleiding
Er zijn tal van bronnen van milieu blootstelling aan ruwe olie, zowel van natuurlijke oorzaken en van antropogene blootstelling. Bij lozing in het milieu, met name in de oceaan, de ruwe olie kan partitionering ondergaan, onder vorming van een olievlek op het oppervlak, een verlies aan vluchtige bestanddelen in de atmosfeer, en sedimentatie. De lage-energie mengen van de slecht oplosbare olie en het water optreedt, en dit mengsel, dat niet oplosbaar klassieke vormt wat de lage-energie-water opgevangen fractie (LEWAF) genoemd. Het oplossen van de olie componenten in het water wordt typisch verhoogd tijdens de blootstelling van het olie-water interface zonnestraling. Deze foto-solubilisatie van de ruwe olie in de oceaan significante chemische veranderingen ondergaan door deze blootstelling aan zonnestraling en / of door enzymatische afbraak 1, 2. Inzicht in deze chemische veranderingen en hoe ze voorkomen in aanwezigheid van de massieve matrix (dat wil zeggen de ruwe olie) is fundamenteel voor het verzachten van de effecten dit risico heeft op het milieu.
Eerdere studies hebben aangetoond dat ruwe olie ondergaat oxygenatie, met name de polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAK's), die een zeer giftige bron van verontreiniging die schadelijk organismen, ondergaat bioaccumulatie vertegenwoordigen en bioactief 3, 5, 6. Inzicht in de producten van de verschillende oxygenatie processen uitdaging omdat ze alleen optreden in aanwezigheid van de massieve matrix. Daarom kan een afzonderlijke standaard analyse niet representatief voor de veranderingen in de natuur. De voorbereiding van de LEWAF moet de natuurlijke processen die plaatsvinden in een milieu-omgeving te repliceren. Van bijzonder belang is de oxygenatie van PAK, die door zonnestraling optreedt.
t "> De tweede uitdaging in de studie van het water opgevangen fractie de moleculaire identificatie van de verschillende chemische bestanddelen in het monster. Vanwege de complexiteit van het monster veroorzaakt door de hoge massa en zuurstofgehalte, de oxygenatie producten doorgaans ongeschikt voor de traditionele analyse door gaschromatografie in combinatie met MS analyse 7, 8 uitgevoerd. Een alternatieve benadering is om de veranderingen in de chemische formule van het monster te karakteriseren door gebruik massaresolutie ultrahoge MS technieken (bijvoorbeeld FT-ICR MS ). Door het koppelen TIMS FT-ICR MS, naast de isobare scheiding in de MS domein, de ionenmobiliteitsspectrometrie (IMS) afmeting bepaalt de scheiding en karakteristieke informatie voor de verschillende isomeren in het monster 9, 10, 11. In combinatie met een atmosferische druk laserionisatie (APLI) bron, kan de analyse selectief de geconjugeerde moleculen in het monster, waarbij de veranderingen die het PAK ondergaan om accuraat kenmerk 12, 13.In dit werk beschrijven we een protocol voor de bereiding van LEWAFs blootgesteld aan foto-bestraling om de transformatieprocessen van de oliecomponenten bestuderen. We laten ook de veranderingen die optreden bij foto-bestraling en de procedure voor monstername. We zal eveneens het gebruik van APLI met TIMS combinatie met FT-ICR MS de PAK's in de LEWAF karakteriseren als functie van de blootstelling aan licht.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
1. Voorbereiding van de lage-energie-Water ondergebracht Fracties (LEWAF)
- Clean 2-L aspirator flessen door spoelen van de flessen met methyleenchloride om eventuele verontreinigingen te verwijderen.
- Vullen flessen met 50 ml methyleenchloride, sluit ze en schud gedurende 30 s. Giet ze in de juiste afvalbak. Herhaal dit voor een totaal van drie wasbeurten.
- Gebruik een aanzuigfles voor bestraling belichting en de andere fles als een controlemonster (voeren duplo sets van elke indien mogelijk).
- Bereid kunstmatig zeewater door het mengen van 35 g zeezout mengsel per 1 liter water voor een uiteindelijke zoutgehalte van 33 delen per duizend. Filtreer de oplossing onder weinig of geen negatieve druk op het verlies van vluchtige stoffen onder toepassing van een filterapparaat uitgerust met een poriëngrootte filter van 0,45 urn of kleiner te voorkomen.
- Vul het aspirator flessen met kunstmatig zeewater, waardoor ~ 20%, of 400 ml van kopruimte.
- Voeg de ruwe olie naar de vooraf gemeten zeewater met een gasdichte injectiespuit met een nominale concentratie van 1 g olie / l.
OPMERKING: Meer stroperige olie moet door het gewicht worden afgeleverd. - Na de toevoeging van de olie, meng de oplossing gedurende 24 h in het donker (of voor de aspirator flessen met aluminiumfolie) onder toepassing van een roerplaat bij lage snelheid zonder de vorming van een vortex (ongeveer 100 rpm) zodat alle in water oplosbare componenten in oplossing gaan en de opname van deeltjesvormige olie.
2. LEWAF Photo-bestraling, Sample Collection, en Handling
- Bereid twee sets van flessen voor elke foto-bestraling experiment.
- Betrekking hebben op een set van aspirator flessen met aluminiumfolie; Dit zal de donkere controle.
- Plaats de aspirator flessen in een temperatuur-gecontroleerde waterbad ingesteld op de aspirator flessen bij een temperatuur van 25 ° C te houden binnenkant van de zonne-bestraler uitgerust wiTh A 1500-W xenon booglamp bij een lichtintensiteit van 765 W / m 2.
- Bestralen van de monsters continu gedurende de gewenste tijd (dit experiment duurde 115 uur); er is geen maximale tijd.
- Na vaste tijden (15, 24, 48 en 115 uur in dit experiment) verzamelen 150 ml water uit de bodem van het glas aspirator door ontkurken de aanzuigfles en openen van de afvoerklep.
- Toepassing van een scheitrechter uitvoeren van een vloeistof-vloeistof extractie met methyleenchloride door het toevoegen van 50 ml porties methyleenchloride, schudt het monster gedurende 2 min regelmatig afblazen van de trechter om de stop tegen afblazen voorkomen.
- Laat de fasen gescheiden zijn en verwijder de onderste organische fase door het verwijderen van de stop van de trechter en langzaam open de aftapkraan. Laat het monster in een platte bodem kolf uitgerust met een trechter gevuld met 100 g Na 2 SO 4. Spoel trechter met extra methyleenchloride Voer de extractie 3 keer in om increase de extractie-efficiëntie.
OPMERKING: meerdere extracties worden uitgevoerd teneinde de extractie-efficiëntie van de procedure te verhogen. - Verwijder de trechter, voeg een Snyder kolom en plaats de platte bodem kolf in een waterbad ingesteld op 58 ° C. Damp tot 15 ml van het monster blijft.
- Breng het monster in een concentratie buis en de monsters droog met een zachte stikstofstroom voorzichtig om verlies van monster te voorkomen door spatten.
3. Voorbereiding van het te analyseren monster
OPMERKING: Monstervoorbereiding voor analyse is belangrijk, en er moet worden genomen om de introductie van vreemde verontreinigingen te voorkomen, met name door het gebruik van een kunststof, die zal leiden tot uitspoeling naar het monster.
- Maak een mengsel van 1: 1 v: v methanol: tolueen gebruikmaking LC-MS optima kwaliteit oplosmiddelen.
- Met een positieve verplaatsing micropipet, voeg oplosmiddel om de glazen flesjes en de monsters voegen in een verhouding van 1: 100,eerst door toevoeging van 990 pi oplosmiddel en vervolgens door toevoeging van 10 gl monster.
OPMERKING: glas micropipetten worden gebruikt om te vermijden uitloging door de methyleenchloride of tolueen. - Optioneel: Gebruik afstemmen mix de ionenmobiliteit kalibreren.
Opmerking: Een API bron vaak uitlogen wanneer het regelmatig gebruikt als kalibratiestandaard. Als de kalibratie ionen niet in de spectra, vervolgens een mengsel kan worden bereid door het toevoegen van enkele van de standaardoplossing aan het monster bij een 1: 1000 verdunning.
4. Fourier Transform-Ion Cyclotron Resonance massaspectrometrie (FT-ICR MS) Analyse
- Stel het instrument om de "Operate" mode door te klikken op de knop te bedienen.
- Laad het monster in een monster spuit.
- Onder het tabblad API bron, stel de infusiesnelheid bij de 200 pl / h tarief.
- Stel de vernevelaar druk tot 1 bar en de verdampertemperatuur tot 300 ° C.
- Stel droog gas rate tot 1,2L / min en de temperatuur tot 220 ° C.
LET OP: Deze procedure is van toepassing op zowel APPI en APCI. - Stel het instrument op "Tune" mode door te klikken op de melodie knop. Een spectrum moeten verschijnen op het scherm.
OPMERKING: Indien nodig, kan het instrument worden geoptimaliseerd om ionen transmissie en detectie in het m / z scala analyten verbeteren door de instrumentele parameters zoals spanning, rf frequenties en amplitudes. Merk op dat de massa spectrometer moet worden gekalibreerd. - Stop "Tune" mode door te klikken op de stopknop.
- Stel het aantal scans tot gemiddeld, meestal tussen de 20-200 scans per massaspectrum, en druk op de overname-knop om een massa spectrum te verwerven.
Opmerking: Het gemiddelde meerdere spectra verbetert de algehele signaal-ruisverhouding door het verminderen van het lawaai en uitgebreid signaal voor lage abundantie 14.
5. Trapped Ion Mobility Spectrmetrie (TIMS) Analyse
- Enable "Chromatography" mode op de FT-ICR acquisitie programma.
- Enable "TIMS" modus door de schakelaar op de externe stroomonderbreker te TIMS.
OPMERKING: De bij TIMS spanningen worden extern gecontroleerd vanaf het instrument. Een tweede software zal de ingang trechter van het instrument om de IMS-analyse uit te voeren controle. - Schakel de aanvullende voorpomp en met behulp van de regelklep van de TIMS, stel de inlaat- en uitlaatdruk gewenste bereik (in dit experiment P1 werd ingesteld op 2,8 mbar en 1,4 mbar P2).
OPMERKING: De externe pomp moet worden ingeschakeld enkele uren voorafgaand aan analyse dat de pomp is warm en dat de prestaties uniform tijdens de IMS analyse, aangezien veranderingen in gassnelheid fouten in de spectra veroorzaakt. - Eerst identificeren het voltage dat nodig is om het IMS analyse uit te voeren; Dit wordt gedaan met een snelle, oppervlakkige zoeken over een breed spanningsbereik (250 V) op eenIMS lage resolutie (1 V / kader).
- Als de gebruikte spanningen genoeg om het gehele spectrum analyseren herhaal het experiment aanpassing van de TIMS een hogere resolutie analyse. Om dit te doen, verminderen de V / het frame tot 0,1 V en verander het aantal frames om alle AV oprit te dekken.
OPMERKING: De gebruiker moet het aantal TIMS experimenten die zijn geaccumuleerd in de collisiecel voor de FT-ICR MS analyse optimaliseren.
6. Data Analysis
- Open de MS-gegevens in een data-analyse software.
- Stel de piek picking criteria die boven de 6 signal-to-noise selecteren en gebruik de "Find Peaks" -functie.
Opmerking: Het resulterende spectrum wordt intern gekalibreerd volgens de eisen in de oplossing. Dit wordt gebruikt om de chemische reeksen te identificeren en vervolgens opnieuw gekalibreerd om de nauwkeurigheid voor breed scala elementaire opdracht verbeteren. - Voer elementaire opdracht met behulp van een formule assignment gereedschap of software.
OPMERKING: Formule grenzen van C 1-100 1-100 H N O 0-2 0-7 0-2 S, even en oneven elektronenconfiguraties, zijn toegestaan, en een massatolerantie van 0,5 ppm M + en [M + H] + -ionen vormen - Importeer de IMS-MS-gegevens naar een data-analyse software en het genereren van een gemiddelde massa spectrum voor de gehele analytische bereik.
- Selecteer toppen boven 6 signaal-ruis. Met behulp van de serie die werd geïdentificeerd in de ultrahoge resolutie MS-analyse, intern herijken het spectrum
- Met behulp van de formule identificaties van de FT-ICR MS-analyse, het genereren van een lijst van al het doelwit m / z, en bewaar deze als "Flist.txt" in de map data. Deze lijst wordt gebruikt in de eerste stap van de gegevensverwerking
- Laden en uitvoeren voorzien script om een geëxtraheerde ionenchromatogram (EIC) voor elk doel m / z in de lijst te extraheren.
- Wijzig de python script voor het invoeren van het bestand directeury, de startspanning, de stapgrootte en het aantal stappen dat doel analyse 11.
- Voer het IMS deconvolutie script.
LET OP: Deze zal elke EIC openen en identificeren van de pieken door iteratieve Gauss-fitting. De resultaten zullen output in Excel-formaat 13 zijn.
Opmerking: Na montage, worden pieken onder een bepaald criterium uitgesloten, meestal op basis van de hoogte, breedte en ruimte van de piek (pieken onder een bepaalde breedte worden typisch uitgesloten van de analyse door ruis spikes). - Gebruik makend van de tuning pieken, kalibreren de ionen mobiliteit van spanning voor de mobiliteit van de ionen 11. Dit kan omgezet in een botsing doorsnede met behulp van de Mason-Schamp vergelijking zijn.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
LEWAF analyse van TIMS-FT-ICR MS levert een tweedimensionale spectrum op basis van m / z en TIMS vangen spanning. Elk van de monsters, genomen op verschillende tijdstippen, kan dus worden gekarakteriseerd op basis van de veranderde chemische samenstelling, zoals waargenomen door verspreiding van chemische formules en isomere bijdrage die door de IMS (zie figuur 1). Meestal kan de m / z gegevens worden gebruikt om elementaire formules toewijzen aan de ge...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
Kritische stappen in het protocol
De chemische complexiteit van LEWAFs vereist nauwkeurige voorbereiding zodat de laboratoriumexperimenten nauwkeurig weergeven wat van nature voorkomt. Een geldige beoordeling van de gegevens hangt af van drie criteria: het minimaliseren van de introductie van artefacten hele monster hanteren (bijv, de voorbereiding van de LEWAF, bemonstering, extracties, en de voorbereiding van het monster voor analyse), het valideren van de experimentele protocol ...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs verklaren geen concurrerende financiële belangen.
Dankbetuigingen
Dit werk werd ondersteund door het National Institute of Health (Grant No. R00GM106414 om FFL). Wij willen graag de Advanced Mass Spectrometry Facility van Florida International University erkennen voor hun steun.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Reagents | |||
| methyleenchloride, Optima | Fisher Scientific | DS-151-4 | Gebruikt zoals ontvangen |
| methanol, Optima LC/MS | Fisher Scientific | A456-4 | Gebruikt zoals ontvangen |
| tolueen, Optima | Fisher Scientific | T291-4 | Gebruikt zoals ontvangen |
| Na2SO4, Korrelig, Watervrij | Fisher Scientific | S415-212 | Gebrand bij 450 °C/Opgeslagen bij 105 °C |
| Ruwe olie | Verschillende bronnen | ||
| Instant Ocean® | Aquarium Systems | SS1200 | 33 ppt zoutgehalte met 0,45 μm poriefiltratie |
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
| Apparatuur | |||
| Suntext XLS+ | Atlas Chicalo Ill, USA | 1.500 W xenonbooglamp, lichtintensiteit van 765 W/m2 | |
| Atmosferische Druk Laser Ionisatie | Bruker Daltonics Inc, MA | Opgemerkt wordt dat een 266 nm laser wordt gebruikt | |
| TIMS-FT-ICR MS-instrument | Bruker Daltonics Inc, MA | De set-up die we had bestond uit een 7 T magneet met een oneindige cel | |
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
| Software | |||
| DataAnalysis 4.2 | Bruker Daltonics Inc, MA | ||
| Python 2.7 | Vereist Numpy, Scipy, Pandas, glob, oct2py en os | ||
| Octave 4.0 |
Referenties
- 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).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
