Name: Analiza chemiczna frakcji wycieków ropy naftowej znajdujących się w wodzie przy użyciu TIMS-FT-ICR MS (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-03-03T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 17 s
Description: Poznaj metodę TIMS-FT-ICR MS do analizy frakcji wycieków ropy naftowej w wodzie. Technika ta umożliwia szczegółowe badanie tysięcy związków chemicznych z wysoką rozdzielczością masową.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Ta praca była wspierana przez Narodowy Instytut Zdrowia (Grant nr R00GM106414 dla FFL). Chcielibyśmy podziękować Ośrodkowi Zaawansowanej Spektrometrii Mas Uniwersytetu Florydy za ich wsparcie.

1. Przygotowanie niskoenergetycznych frakcji dostosowanych do wody (LEWAF)
<ol>
	<li>Wyczyść butelki z aspiratorem o pojemności 2 litrów, przepłukując je chlorkiem metylenu w celu usunięcia wszelkich potencjalnych zanieczyszczeń.</li>
	<li>Napełnij butelki 50 ml chlorku metylenu, zamknij je i mieszaj przez 30 sekund. Odcedź je do odpowiedniego pojemnika na odpady. Powtórz w sumie trzy prania.</li>
	<li>Do naświetlania należy użyć jednej butelki aspiratora do napromieniowania, a drugiej butelki jako próbki kontrolnej (jeśli to możliwe, należy wykonać zduplikowane zestawy każdej z nich).</li>
	<li>Przygotuj sztuczną wodę morską, mieszając 35 g mieszanki soli morskiej na 1 l użytej wody, aby uzyskać końcowe zasolenie 33 części na tysiąc. Przefiltrować roztwór pod niewielkim lub zerowym podciśnieniem, aby zapobiec utracie lotnych związków za pomocą aparatu filtracyjnego wyposażonego w filtr o wielkości porów 0,45 μm lub mniejszy.</li>
	<li>Napełnij butelki z aspiratorem sztuczną wodą morską, pozostawiając ~20% lub 400 ml przestrzeni nad głową.</li>
	<li>Dodać ropę naftową do odmierzonej wody morskiej za pomocą gazoszczelnej strzykawki o stężeniu nominalnym 1 g oleju/L. 
	UWAGA: Bardziej lepkie oleje powinny być dostarczane wagowo.</li>
	<li>Po dodaniu oleju, mieszać roztwory przez 24 godziny w ciemności (lub przykrywając butelki aspiratora folią aluminiową) za pomocą płytki mieszającej pracującej na niskich obrotach bez wytwarzania wiru (około 100 obr./min), aby umożliwić wszystkim rozpuszczalnym w wodzie składnikom przejście do roztworu i aby uniknąć wtrącenia oleju w postaci cząstek stałych.</li>
</ol>
2. Fotonaświetlanie LEWAF, pobieranie próbek i obsługa
<ol>
	<li>Przygotuj dwa zestawy butelek do każdego eksperymentu z naświetlaniem światłem.</li>
	<li>Przykryj jeden zestaw butelek z aspiratorem folią aluminiową; będzie to ciemna kontrola.</li>
	<li>Umieść butelki z aspiratorem w łaźni wodnej o kontrolowanej temperaturze, tak aby utrzymać butelki z aspiratorem w temperaturze 25 °C wewnątrz promiennika słonecznego wyposażonego w ksenonową lampę łukową o mocy 1 500 W i natężeniu światła 765 W/m2.</li>
	<li>Naświetlać próbki w sposób ciągły przez żądany czas (eksperyment ten trwał 115 godzin); nie ma maksymalnego czasu.</li>
	<li>Po ustalonym czasie (15, 24, 48 i 115 godzin w tym eksperymencie) zbierz 150 ml wody z dna szklanego aspiratora, odkorkowując butelkę aspiratora i otwierając zawór spustowy.</li>
	<li>Korzystając z lejka separatora, przeprowadzić ekstrakcję ciecz-ciecz chlorkiem metylenu, dodając 50 ml podwielokrotności chlorku metylenu, wstrząsając próbką przez 2 minuty, regularnie odpowietrzając lejek, aby uniknąć zdmuchnięcia korka.</li>
	<li>Poczekaj, aż fazy się rozdzielą i usuń dolną fazę organiczną, wyjmując korek z lejka i powoli otwórz zawór spustowy. Odcedzić próbkę do kolby płaskodennej wyposażonej w lejek wypełniony 100 g roztworuNa2SO4. Przepłukać lejek dodatkowym chlorkiem metylenu Przeprowadzić ekstrakcję 3 razy w celu zwiększenia wydajności ekstrakcji. 
	UWAGA: Wielokrotne ekstrakcje są wykonywane w celu zwiększenia skuteczności ekstrakcji procedury.</li>
	<li>Wyjąć lejek, dodać kolumnę Snydera i umieścić kolbę płaskodenną w gorącej łaźni wodnej nastawionej na 58 °C. Odparować do momentu, aż pozostanie 15 ml próbki.</li>
	<li>Przenieść próbkę do probówki zagęszczającej i wysuszyć próbki przy użyciu delikatnego strumienia azotu, uważając, aby uniknąć utraty próbki przez rozpryskiwanie.</li>
</ol>
3. Przygotowanie próbki do analizy
UWAGA: Przygotowanie próbki do analizy jest kluczowe i należy zachować ostrożność, aby uniknąć wprowadzenia obcych zanieczyszczeń, szczególnie poprzez użycie jakichkolwiek tworzyw sztucznych, które spowodują wypłukiwanie do próbki.
<ol>
	<li>Przygotować mieszaninę metanolu i toluenu w stosunku 1:1 v:v, stosując rozpuszczalniki LC-MS klasy optima.</li>
	<li>Za pomocą mikropipety wyporowej dodać rozpuszczalnik do szklanych fiolek, a następnie dodać próbki w stosunku 1:100, najpierw dodając 990 μl rozpuszczalnika, a następnie dodając 10 μl próbki. 
	UWAGA: Mikropipety szklane są używane w celu uniknięcia pijawek spowodowanych chlorkiem metylenu lub toluenem.</li>
	<li>Opcjonalnie: Użyj mieszanki strojeniowej, aby skalibrować ruchliwość jonów. 
	UWAGA: Źródło API często ulega wypłukiwaniu, jeśli jest regularnie używane jako wzorzec kalibracji. Jeśli jony kalibracyjne nie są obecne w widmach, wówczas mieszaninę można przygotować, dodając trochę roztworu wzorcowego do próbki w rozcieńczeniu 1:1 000.</li>
</ol>

4. Analiza spektrometrii mas rezonansu cyklotronowego z transformacją Fouriera (FT-ICR MS)
<ol>
	<li>Ustaw przyrząd w tryb "Obsługa", klikając przycisk obsługi.</li>
	<li>Załadować próbkę do strzykawki z próbką.</li>
	<li>Na karcie Źródło API ustaw szybkość infuzji na 200 μl/h.</li>
	<li>Ustaw ciśnienie nebulizatora na 1 bar, a temperaturę parownika na 300 °C.</li>
	<li>Ustawić szybkość suchego gazu na 1,2 l/min i temperaturę na 220 °C. 
	UWAGA: Procedura ta ma zastosowanie zarówno do aplikacji APPI, jak i APCI.</li>
	<li>Ustaw instrument w trybie "Tune", klikając przycisk strojenia. Na ekranie powinno pojawić się widmo. 
	UWAGA: W razie potrzeby przyrząd można zoptymalizować w celu poprawy transmisji i wykrywania jonów w zakresie m/z analitów poprzez zmianę parametrów instrumentu, takich jak napięcia, częstotliwości RF i amplitudy. Należy pamiętać, że spektrometr mas będzie musiał zostać ponownie skalibrowany.</li>
	<li>Zatrzymaj tryb "Tune", klikając przycisk stop.</li>
	<li>Ustaw średnią liczbę skanów, zwykle od 20 do 200 skanów na widmo masowe, i naciśnij przycisk akwizycji, aby uzyskać widmo masowe. 
	UWAGA: Uśrednianie wielu widm poprawia ogólny stosunek sygnału do szumu poprzez zmniejszenie szumu i zwiększenie sygnału dla gatunków o niskiej liczebności14.</li>
</ol>
5. Analiza spektrometrii ruchliwości uwięzionych jonów (TIMS)
<ol>
	<li>Włącz tryb "Chromatografia" w programie akwizycji FT-ICR.</li>
	<li>Włącz tryb "TIMS", przekręcając przełącznik na wyłączniku zewnętrznym na TIMS. 
	UWAGA: Napięcia używane w TIMS są sterowane zewnętrznie z przyrządu. Drugie oprogramowanie będzie sterować lejkiem wejściowym instrumentu w celu przeprowadzenia analizy IMS.</li>
	<li>Włącz dodatkową pompę do obróbki zgrubnej i za pomocą zaworu sterującego TIMS dostosuj ciśnienie wlotowe i wylotowe do żądanych zakresów (w tym eksperymencie P1 ustawiono na 2,8 mbar, a P2 na 1,4 mbar). 
	UWAGA: Pompę zewnętrzną należy włączyć na kilka godzin przed analizą, aby upewnić się, że pompa jest ciepła i że wydajność jest jednolita podczas analizy IMS, ponieważ zmiany prędkości gazu spowodują błędy w widmach.</li>
	<li>Najpierw zidentyfikuj zakres napięcia, który jest wymagany do przeprowadzenia analizy IMS; odbywa się to za pomocą szybkiego, pobieżnego wyszukiwania w szerokim zakresie napięcia (250 V) przy niskiej rozdzielczości IMS (1 V/klatkę).</li>
	<li>Jeśli użyte napięcia są wystarczające do analizy całego spektrum, powtórz eksperyment, dostosowując TIMS do analizy o wyższej rozdzielczości. W tym celu należy zmniejszyć V/klatkę do 0,1 V i zmienić liczbę ramek, aby pokryć całąrampę ΔV. 
	UWAGA: Użytkownik może być zmuszony do zoptymalizowania liczby eksperymentów TIMS, które są gromadzone w komórce zderzeniowej przed analizą FT-ICR MS.</li>
</ol>
6. Analiza danych
<ol>
	<li>Otwórz dane MS w oprogramowaniu do analizy danych.</li>
	<li>Ustaw kryteria wybierania szczytów, aby wybrać te powyżej 6 sygnał do szumu i użyj funkcji "Znajdź szczyty". 
	UWAGA: Wynikowe widmo jest wewnętrznie ponownie kalibrowane przy użyciu wzorców obecnych w roztworze. Jest on używany do identyfikacji szeregów chemicznych, a następnie jest ponownie kalibrowany w celu poprawy dokładności przypisywania pierwiastków w szerokim zakresie.</li>
	<li>Wykonuj przypisanie elementów za pomocą narzędzi lub oprogramowania do przypisywania formuł. 
	UWAGA: Dopuszczalne są granice wzoru C1-100H1-100N0-2O0-7S0-2, nieparzyste i parzyste konfiguracje elektronowe, a tolerancja masowa 0,5 ppm Formy jonów M+ i [M+H]+</li>
	<li>Zaimportuj dane IMS-MS do oprogramowania do analizy danych i wygeneruj średnie widmo masowe dla całego zakresu analitycznego.</li>
	<li>Wybierz piki powyżej 6 sygnał do szumu. Korzystając z serii, która została zidentyfikowana w analizie MS o ultrawysokiej rozdzielczości, wewnętrznie ponownie skalibruj widmo</li>
	<li>Korzystając z identyfikacji formuł z analizy FT-ICR MS, wygeneruj listę wszystkich docelowych m/z i zapisz ją jako "Flist.txt" w folderze danych. Wykaz ten zostanie wykorzystany w pierwszym kroku przetwarzania danych</li>
	<li>Załaduj i uruchom dostarczony skrypt, aby wyodrębnić wyekstrahowany chromatogram jonowy (EIC) dla każdego celu m/z na liście.</li>
	<li>Zmodyfikuj skrypt Pythona, aby wprowadzić katalog plików, napięcie początkowe, rozmiar kroku i liczbę kroków w tym docelowym analysis11.</li>
	<li>Uruchom skrypt dekonwolucji IMS. 
	UWAGA: Spowoduje to otwarcie każdego EIC i zidentyfikowanie pików za pomocą iteracyjnego dopasowania Gaussa. Wyniki zostaną wyświetlone w formacie pliku Excel13. 
	UWAGA: Po dopasowaniu piki poniżej określonego kryterium są wykluczane, zwykle na podstawie wysokości, szerokości i powierzchni piku (piki poniżej określonej szerokości są zwykle wykluczane z analizy z powodu losowych skoków hałasu).</li>
	<li>Wykorzystując piki strojenia, skalibruj ruchliwość jonów od napięcia do ruchliwości dla jonów11. Można to przekształcić w przekrój kolizyjny za pomocą równania Masona-Schampa.</li>
</ol>

<ol><li>King, S. M., Leaf, P. A., Olson, A. C., Ray, P. Z., Tarr, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Photolytic+and+photocatalytic+degradation+of+surface+oil+from+the+Deepwater+Horizon+spill%5BTitle%5D)+AND+%22Chemosphere%22%5BJournal%5D)">Photolytic and photocatalytic degradation of surface oil from the Deepwater Horizon spill.</a> Chemosphere. 95 (0), 415-422 (2014).</li>
<li>Ray, P. Z., Chen, H., Podgorski, D. C., McKenna, A. M., Tarr, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sunlight+creates+oxygenated+species+in+water-soluble+fractions+of+Deepwater+Horizon+oil%5BTitle%5D)+AND+%22J+Hazard+Mater%22%5BJournal%5D)">Sunlight creates oxygenated species in water-soluble fractions of Deepwater Horizon oil.</a> J Hazard Mater. 280 (0), 636-643 (2014).</li>
<li>Duesterloh, S., Short, J. W., Barron, M. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Photoenhanced+toxicity+of+weathered+Alaska+North+Slope+crude+oil+to+the+calanoid+copepods+Calanus+marshallae+and+Metridia+okhotensis%5BTitle%5D)+AND+%22Environ+Sci+Technol%22%5BJournal%5D)">Photoenhanced toxicity of weathered Alaska North Slope crude oil to the calanoid copepods Calanus marshallae and Metridia okhotensis.</a> Environ Sci Technol. 36 (18), 3953-3959 (2002).</li>
<li>Duxbury, C. L., Dixon, D. G., Greenberg, B. M. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/etc.5620160824/abstract">Effects of simulated solar radiation on the bioaccumulation of polycyclic aromatic hydrocarbons by the duckweed Lemna gibba.</a> Environmental Toxicology and Chemistry. 16 (8), 1739-1748 (1997).</li>
<li>Faksness, L. G., Altin, D., Nordtug, T., Daling, P. S., Hansen, B. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Chemical+comparison+and+acute+toxicity+of+water+accommodated+fraction+%28WAF%29+of+source+and+field+collected+Macondo+oils+from+the+Deepwater+Horizon+spill%5BTitle%5D)+AND+%22Mar+Pollut+Bull%22%5BJournal%5D)">Chemical comparison and acute toxicity of water accommodated fraction (WAF) of source and field collected Macondo oils from the Deepwater Horizon spill.</a> Mar Pollut Bull. 91 (1), 222-229 (2015).</li>
<li>Wang, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biodegradation+of+dispersed+Macondo+crude+oil+by+indigenous+Gulf+of+Mexico+microbial+communities%5BTitle%5D)+AND+%22Science+of+The+Total+Environment%22%5BJournal%5D)">Biodegradation of dispersed Macondo crude oil by indigenous Gulf of Mexico microbial communities.</a> Science of The Total Environment. 557-558, 453-468 (2016).</li>
<li>McKenna, A. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Expansion+of+the+analytical+window+for+oil+spill+characterization+by+ultrahigh+resolution+mass+spectrometry%3A+beyond+gas+chromatography%5BTitle%5D)+AND+%22Environ+Sci+Technol%22%5BJournal%5D)">Expansion of the analytical window for oil spill characterization by ultrahigh resolution mass spectrometry: beyond gas chromatography.</a> Environ Sci Technol. 47 (13), 7530-7539 (2013).</li>
<li>Fernandez-Lima, F. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Petroleum+crude+oil+characterization+by+IMS-MS+and+FTICR+MS%5BTitle%5D)+AND+%22Anal+Chem%22%5BJournal%5D)">Petroleum crude oil characterization by IMS-MS and FTICR MS.</a> Anal Chem. 81 (24), 9941-9947 (2009).</li>
<li>Benigni, P., Marin, R., Fernandez-Lima, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Towards+unsupervised+polyaromatic+hydrocarbons+structural+assignment+from+SA-TIMS-FTMS+data%5BTitle%5D)+AND+%22Int+J+Ion+Mobil+Spectrom%22%5BJournal%5D)">Towards unsupervised polyaromatic hydrocarbons structural assignment from SA-TIMS-FTMS data.</a> Int J Ion Mobil Spectrom. 18 (3), 151-157 (2015).</li>
<li>Benigni, P., Thompson, C. J., Ridgeway, M. E., Park, M. A., Fernandez-Lima, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Targeted+high-resolution+ion+mobility+separation+coupled+to+ultrahigh-resolution+mass+spectrometry+of+endocrine+disruptors+in+complex+mixtures%5BTitle%5D)+AND+%22Anal+Chem%22%5BJournal%5D)">Targeted high-resolution ion mobility separation coupled to ultrahigh-resolution mass spectrometry of endocrine disruptors in complex mixtures.</a> Anal Chem. 87 (8), 4321-4325 (2015).</li>
<li>Benigni, P., Fernandez-Lima, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Oversampling+Selective+Accumulation+Trapped+Ion+Mobility+Spectrometry+coupled+to+FT-ICR+MS%3A+Fundamentals+and+Applications%5BTitle%5D)+AND+%22Analytical+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Oversampling Selective Accumulation Trapped Ion Mobility Spectrometry coupled to FT-ICR MS: Fundamentals and Applications.</a> Analytical Chemistry. , (2016).</li>
<li>Castellanos, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fast+Screening+of+Polycyclic+Aromatic+Hydrocarbons+using+Trapped+Ion+Mobility+Spectrometry+Mass+Spectrometry%5BTitle%5D)+AND+%22Anal+Methods%22%5BJournal%5D)">Fast Screening of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons using Trapped Ion Mobility Spectrometry Mass Spectrometry.</a> Anal Methods. 6 (23), 9328-9332 (2014).</li>
<li>Benigni, P., DeBord, J. D., Thompson, C. J., Gardinali, P., Fernandez-Lima, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Increasing+Polyaromatic+Hydrocarbon+%28PAH%29+Molecular+Coverage+during+Fossil+Oil+Analysis+by+Combining+Gas+Chromatography+and+Atmospheric-Pressure+Laser+Ionization+Fourier+Transform+Ion+Cyclotron+Resonance+Mass+Spectrometry+%28FT-ICR+MS%29%5BTitle%5D)+AND+%22Energy+%26+Fuels%22%5BJournal%5D)">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).</a> Energy & Fuels. 30 (1), 196-203 (2016).</li>
<li>Qi, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Absorption-Mode+Fourier+Transform+Mass+Spectrometry%3A+the+Effects+of+Apodization+and+Phasing+on+Modified+Protein+Spectra%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+American+Society+for+Mass+Spectrometry%22%5BJournal%5D)">Absorption-Mode Fourier Transform Mass Spectrometry: the Effects of Apodization and Phasing on Modified Protein Spectra.</a> Journal of the American Society for Mass Spectrometry. 24 (6), 828-834 (2013).</li>
<li>Lababidi, S., Schrader, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Online+normal-phase+high-performance+liquid+chromatography%2FFourier+transform+ion+cyclotron+resonance+mass+spectrometry%3A+Effects+of+different+ionization+methods+on+the+characterization+of+highly+complex+crude+oil+mixtures%5BTitle%5D)+AND+%22Rapid+Communications+in+Mass+Spectrometry%22%5BJournal%5D)">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.</a> Rapid Communications in Mass Spectrometry. 28 (12), 1345-1352 (2014).</li>
</ol>

Autorzy deklarują brak sprzecznych interesów finansowych.

Kluczowe kroki w ramach protokołu
Złożoność chemiczna LEWAF wymaga dokładnego przygotowania, aby eksperymenty laboratoryjne dokładnie odzwierciedlały to, co dzieje się naturalnie. Prawidłowa ocena danych opiera się na trzech kryteriach: minimalizacji wprowadzania artefaktów podczas obsługi próbki (np. przygotowanie LEWAF, pobieranie próbek, ekstrakcje i przygotowanie próbki do analizy), walidacji protokołu eksperymentalnego (tj. użycie ciemnych kontroli w eksperymencie z promien...

Istnieje wiele źródeł narażenia środowiska na ropę naftową, zarówno z przyczyn naturalnych, jak i antropogenicznych. Po uwolnieniu do środowiska, szczególnie w oceanie, ropa naftowa może ulec podziałowi, z powstaniem plamy ropy na powierzchni, utratą lotnych składników do atmosfery i sedymentacją. Jednak niskoenergetyczne mieszanie słabo rozpuszczalnego oleju i wody następuje, a ta mieszanina, która nie jest klasycznie rozpuszczalna, tworzy tak zwaną niskoenergetyczną frakcję dostosowaną do wody (LEWAF). Solubilizacja składników oleju w wodzie jest zwykle zwiększona podczas wystawienia granicy faz olej-woda na promieniowanie słoneczne. Ta fotorozpuszczalność ropy naftowej w oceanie może ulegać znaczącym zmianom chemicznym z powodu ekspozycji na promieniowanie słoneczne i/lub degradacji enzymatycznej1,2. Zrozumienie tych zmian chemicznych i tego, jak zachodzą one w obecności matrycy masowej (tj. ropy naftowej), ma fundamentalne znaczenie dla złagodzenia skutków, jakie to narażenie wywiera na środowisko.
Poprzednie badania wykazały, że ropa naftowa ulega natlenieniu, szczególnie wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA), które stanowią wysoce toksyczne źródło zanieczyszczeń, które szkodzą organizmom, ulegają bioakumulacji i są bioaktywne3,5,6. Zrozumienie produktów różnych procesów natleniania jest trudne, ponieważ zachodzą one tylko w obecności matrycy masowej. W związku z tym pojedyncza, standardowa analiza może nie być reprezentatywna dla zmian zachodzących w przyrodzie. Przygotowanie LEWAF musi odzwierciedlać naturalne procesy zachodzące w środowisku naturalnym. Szczególnie interesujące jest natlenienie WWA, które zachodzi pod wpływem promieniowania słonecznego.
Drugim wyzwaniem w badaniu frakcji z udziałem wody jest molekularna identyfikacja różnych składników chemicznych w próbce. Ze względu na złożoność próbki, spowodowaną jej dużą masą i stopniem tlenu, produkty natleniania zazwyczaj nie nadają się do tradycyjnej analizy przeprowadzanej za pomocą chromatografii gazowej w połączeniu z analizą MS7,8. Alternatywnym podejściem jest scharakteryzowanie zmian we wzorze chemicznym próbki przy użyciu technik MS o ultrawysokiej rozdzielczości masowej (np. FT-ICR MS). Poprzez sprzężenie TIMS z FT-ICR MS, oprócz separacji izobarycznej w domenie MS, wymiar spektrometrii ruchliwości jonów (IMS) dostarcza informacji o separacji i charakterystyce dla różnych izomerów obecnych w próbce9,10,11. W połączeniu ze źródłem jonizacji laserowej pod ciśnieniem atmosferycznym (APLI), analiza może być selektywna dla sprzężonych cząsteczek znajdujących się w próbce, co pozwala na dokładne scharakteryzowanie zmian, którym podlegają WWA12,13.
W tej pracy opisujemy protokół przygotowania LEWAF wystawionych na promieniowanie foto-naświetlające w celu zbadania procesów przemian składników oleju. Ilustrujemy również zmiany, jakie zachodzą po naświetlaniu światłem, a także procedurę ekstrakcji próbki. Przedstawimy również zastosowanie APLI z TIMS w połączeniu z FT-ICR MS w celu scharakteryzowania WWA w LEWAF w funkcji ekspozycji na światło.

<table><tbody><tr><td><silne>odczynniki</mocny></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>chlorek metylenu, Optima</td><td>Fisher Scientific</td><td>DS-151-4</td><td>Stosowany jako otrzymany</td></tr><tr><td>metanol, Optima LC/MS</td><td>Fisher Scientific</td><td>A456-4</td><td>Używany jako otrzymany</td></tr><tr><td>toluen, Optima</td><td>Fisher Scientific</td><td>T291-4</td><td>Używany jako otrzymany</td></tr><tr><td>Na2SO4, Granulowany, Bezwodny</td><td>Fisher Scientific</td><td>S415-212</td><td>Spalany w 450&nbsp; &#176; C/Przechowywane w 105&nbsp; &#176; C</td></tr><tr><td>Ropa naftowa</td><td>Różne źródła</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Instant Ocean&reg;</td><td>Systemy akwariowe</td><td>SS1200</td><td>zasolenie 33 ppt z 0,45&nbsp; &mu; m filtracja porów</td></tr><tr><td><silna>Nazwa&nbsp; </td><td>Company</td><td>Numer katalogowy</td><td>Komentarze</td></tr><tr><td>Equipment</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Suntext XLS+</td><td>Atlas Chicalo Ill, USA</td><td></td><td>Lampa kseonowa łukowa 1 500 W, natężenie światła 765&nbsp; W/m2</td></tr> <tr><td>Ciśnienie atmosferyczne Jonizacja laserowa</td><td>Bruker Daltonics Inc, MA</td><td></td><td>Uwaga: używany jest laser o długości fali 266 nm</td></tr><tr><td>TIMS-FT-ICR MS Instrument</td><td>Bruker Daltonics Inc, MA</td><td></td><td>Konfiguracja, którą mieliśmy, składała się z 7&nbsp; Magnes T z ogniwem nieskończoności</td></tr><tr><td><silny>Nazwa&nbsp; </td><td>Company</td><td>Numer katalogowy</td><td>Komentarze</td></tr><tr><td>Software</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>DataAnalysis 4.2</td><td>Bruker Daltonics Inc, MA</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Python 2.7</td><td></td><td></td><td>wymaga Numpy, Scipy, Pandas, glob, oct2py i os</td></tr><tr><td>Octave 4.0</td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

analiza chemiczna frakcji wycieków ropy naftowej znajdujących się w wodzie przy użyciu tims-ft-icr ms

Chemical Analysis of Water-accommodated Fractions of Crude Oil Spills Using TIMS-FT-ICR MS

Wiele procesów chemicznych kontroluje sposób dodawania ropy naftowej do wody morskiej, a także reakcje chemiczne, które zachodzą z biegiem czasu. Badanie tego systemu wymaga starannego przygotowania próbki w celu dokładnego odtworzenia naturalnego tworzenia się frakcji dostosowanej do wody, która występuje w naturze. Niskoenergetyczne frakcje wzbogacone w wodę (LEWAF) są starannie przygotowywane przez zmieszanie ropy naftowej i wody w ustalonych proporcjach. Butelki z aspiratorem są następnie napromieniowywane, a w określonych punktach czasowych pobierane są próbki wody i ekstrahowane przy użyciu standardowych technik. Drugim wyzwaniem jest reprezentatywna charakterystyka próbki, która musi uwzględniać zmiany chemiczne zachodzące w czasie. Ukierunkowaną analizę frakcji aromatycznej LEWAF można przeprowadzić przy użyciu źródła jonizacji laserowej pod ciśnieniem atmosferycznym sprzężonego z niestandardowo skonstruowanym spektrometrem masowym rezonansu cyklotronowego rezonansu cyklotronowego z transformacją Fouriera i transformacją jonową (TIMS-FT-ICR MS). Analiza MS TIMS-FT-ICR zapewnia ruchliwość jonów o wysokiej rozdzielczości i analizę MS o ultrawysokiej rozdzielczości, co dodatkowo umożliwia identyfikację składników izomerycznych na podstawie ich przekrojów zderzeniowych (CCS) i wzoru chemicznego. Wyniki pokazują, że gdy mieszanina olejowo-wodna jest wystawiona na działanie światła, dochodzi do znacznej fotorozpuszczalności oleju powierzchniowego w wodzie. Z biegiem czasu zachodzi przemiana chemiczna rozpuszczonych cząsteczek, przy jednoczesnym spadku liczby identyfikacji gatunków zawierających azot i siarkę na rzecz tych o większej zawartości tlenu niż zwykle obserwowano w oleju bazowym.

Analiza LEWAF za pomocą TIMS-FT-ICR MS skutkuje uzyskaniem widma dwuwymiarowego opartego na m/z i napięciu pułapkującym TIMS. Każda z próbek, pobranych w różnych punktach czasowych, może być zatem charakteryzowana na podstawie zmieniającego się składu chemicznego, obserwowanego poprzez rozkład wzorów chemicznych oraz udział izomerów zidentyfikowany przez IMS (patrz Rysunek 1). Typowo informacje o m/z mogą być wykorzystane do przypisania wzorów pierwias...

Niskoenergetyczna frakcja wzbogacona wodą (LEWAF) ropy naftowej jest trudnym systemem do analizy, ponieważ z biegiem czasu ta złożona mieszanina ulega przemianom chemicznym. Protokół ten ilustruje metody przygotowania próbki LEWAF oraz przeprowadzania napromieniowania i analizy chemicznej za pomocą spektrometrii ruchliwości uwięzionych jonów – FT-ICR MS.

Analiza chemiczna frakcji wycieków ropy naftowej znajdujących się w wodzie przy użyciu TIMS-FT-ICR MS

Multiple chemical processes control how crude oil is incorporated into seawater and also the chemical reactions that occur overtime. Studying this system ...

Ogólnym celem tych eksperymentów jest zaprezentowanie zalet analitycznych zastosowania nowoczesnych technologii opartych na TIMS-FT-ICR MS w charakterystyce molekularnej złożonych mieszanin, takich jak frakcje ropy naftowej rozpuszczone w wodzie. Połączenie TIMS-FT-ICR MS łączy dwie z najbardziej kompleksowych, ortogonalnych i komplementarnych technik analizy złożonych mieszanin. Sprzężenie TIMS-FT-ICR MS pozwala w ramach jednej analizy na charakterystykę tysięcy komponentów molekularnych z rozdzielczością mobilności powyżej 150, rozdzielczością masy 500 000 oraz dokładnością masy poniżej 1 ppm.Spektrometria mas TIMS-FT-ICR MS umożliwia rozdzielanie, identyfikację i oznaczanie ilościowe na poziomie molekularnym złożonych mieszanin, w oparciu o różnice w wielkości, ładunku i masie, przy minimalnym zużyciu próbki. Aby rozpocząć przygotowanie LEGAF, należy dodać 50 mililitrów dichlorometanu do dwulitrowej szklanej butli aspiracyjnej. Zamknąć butlę i wstrząsać nią przez 30 sekund.Wylać przemycie z dichlorometanu i powtórzyć ten proces jeszcze dwukrotnie. W ten sam sposób przemyć kolejną butelkę aspiracyjną o pojemności dwóch litrów, a następnie do każdej butelki dodać około 1,6 litra przefiltrowanej sztucznej wody morskiej o zasoleniu 33 części na tysiąc. Włożyć mieszadło magnetyczne, a następnie za pomocą strzykawki gazoszczelnej dodać do każdej butelki odpowiednią ilość próbki ropy naftowej, aby uzyskać końcowe stężenie 1 g/L ropy w wodzie morskiej.Owijamy butelki folią aluminiową, aby odciąć dostęp światła, a następnie mieszamy zawiesiny przy prędkości około 100 RPM przez 24 godziny, aby zakończyć przygotowanie LEWAF. Należy zachować ostrożność podczas pierwszego mieszania oleju z wodą, aby uniknąć nadmiernego wymieszania roztworu. Następnie rozwijamy jedną z butelek z LEWAF z folii aluminiowej, pozostawiając drugą jako kontrolę w ciemności.Umieścić butelki w irradiatorze solarnym, ustawiając temperaturę tak, aby próbki były utrzymywane w 25 stopniach Celsjusza. Naświetlać mieszaniny w sposób ciągły przez wymagany czas trwania eksperymentu. W wyznaczonych odstępach czasu podczas eksperymentu pobierać frakcje o objętości 150 mililitrów z każdej butelki, odkręcając korek i otwierając zawór spustowy.Każdą alikwot próbki wyekstrahuć trzykrotnie za pomocą 50 mililitrów dichlorometanu, używając rozdzielacza. Wstrząsać rozdzielaczem przez dwie minuty podczas każdego cyklu, pamiętając o regularnym odpowietrzaniu w celu uniknięcia wzrostu ciśnienia. Przelej próbkę do kolby o płaskim dnie przez lejek zawierający siarczan i przepłucz siarczan sodu dodatkowym DCM.Zagęszcz ekstrakt do 15 mililitrów, używając kąpieli wodnej ustawionej na 58 °C. Przenieś zagęszczony roztwór do probówki do zagęszczania, płucząc kolbę DCM. Zagęść każdą próbkę do jednego mililitra pod łagodnym strumieniem gazu azotowego.Dla każdej skoncentrowanej próbki, używając szklanej mikropipety z tłokiem dodatnim, należy dodać 990 µL mieszaniny metanolu i toluenu w stosunku objętościowym jeden do jednego do szklanej fiolki. Następnie należy dodać 10 µL próbki i wymieszać. Aby rozpocząć analizę FTR-ICR MS, należy ustawić instrument w tryb Operate.Naciągnij próbkę do strzykawki do próbek. Ustaw szybkość infuzji na 200 µL/h, ciśnienie nebulizatora na 2 bar oraz temperaturę waporyzatora na 300 °C. Ustaw przepływ gazu osuszającego na 1,2 l/min oraz temperaturę na 220 °C.Następnie ustaw instrument w trybie strojenia (Tune). Na podstawie otrzymanego widma dostosuj parametry instrumentu i przeprowadź ponowną kalibrację spektrometru mas, aby poprawić transmisję i detekcję jonów dla pożądanego zakresu stosunków masy do ładunku. Po optymalizacji parametrów instrumentu wyjdź z trybu strojenia.Ustaw żądaną liczbę skanów do uśrednienia na jedno widmo masy, a następnie wykonaj pomiar widma. Aby rozpocząć analizę w technice spektrometrii mobilności jonów w pułapce (TIMS), włącz zewnętrzny wyłącznik urządzenia TIMS, aby aktywować tryb TIMS. Ustaw instrument FT-ICR w tryb chromatografii.Włącz dodatkową pompę wstępną i za pomocą zaworu sterującego TIMS ustaw ciśnienia wlotowe i wylotowe na pożądane wartości. Pozostaw pompę do rozgrzania przez co najmniej trzy godziny, a następnie wykonaj szybkie skanowanie w szerokim zakresie napięć przy niskiej rozdzielczości IMS i MS, aby zidentyfikować zakres napięcia niezbędny do analizy. Po zidentyfikowaniu zakresu ustaw napięcie na klatkę na 0,1 V.Ustaw liczbę klatek tak, aby objęły one cały zakres rampy DeltaV, a następnie uruchom analizę. Po przeprowadzeniu analiz przetwórz dane za pomocą odpowiedniego oprogramowania i skryptów w celu wyznaczenia składu chemicznego oraz wartości mobilności zidentyfikowanych pików. Po naświetleniu promieniami słonecznymi LEWAF próbki ropy naftowej obserwuje się zmiany w złożoności chemicznej w funkcji czasu ekspozycji.Złożoność ta została wykryta i zwizualizowana na widmie 2D opartym na stosunku masy do ładunku oraz mobilności jonów. Zastosowanie APLI przełożyło się na większą czułość analityczną w odniesieniu do cząsteczek z wiązaniami podwójnymi. W próbce zidentyfikowano cztery klasy cząsteczkowe.Wykresy rozkładu równoważników wiązań podwójnych w funkcji liczby atomów węgla wykorzystano do monitorowania zmian w składzie cząsteczkowym w czasie. Stworzono dwuwymiarowe wykresy odwrotnej mobilności w zależności od liczby atomów węgla, gdzie równoważniki wiązań podwójnych reprezentowano kolorem poszczególnych punktów. Dla każdej z czterech pospolitych klas cząsteczkowych zaobserwowano trendy liniowe.Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo posiadać dobrą wiedzę na temat podstawowych etapów oraz unikalnych zalet metody APLI-TIMS-FT-ICR MS w analizie próbek LEWAF, jak i innych złożonych mieszanin. Podczas wykonywania tej procedury należy pamiętać, że integralność próbki, w tym ograniczanie źródeł kontaminacji, ma kluczowe znaczenie dla uzyskania dokładnych wyników. Charakterystyka na poziomie molekularnym frakcji ropy naftowej rozpuszczalnych w wodzie, produktów ich przemiany oraz ich losów podczas ekspozycji na światło słoneczne w oceanie jest niezwykle istotna z punktu widzenia ochrony środowiska.W porównaniu z innymi technikami rozdziału, takimi jak chromatografia cieczowa i chromatografia gazowa, rozdział TIMS odbywa się w krótszym przedziale czasowym i jest zależny od czasu, co pozwala na lepsze sprzęgnięcie z analizatorami MS o ultrawysokiej rozdzielczości, zapewniając jednocześnie przekroje przekroju zderzeniowego oraz wzory chemiczne w ramach jednej analizy. Tworzenie nowych, kompleksowych narzędzi analitycznych do analizy złożonych mieszanin na poziomie molekularnym, takich jak TIMS-FT-ICR MS, ma ogromne znaczenie dla naszego zrozumienia przemian chemicznych i losów ropy naftowej w oceanie.

chemical-analysis-water-accommodated-fractions-crude-oil-spills-using

Research

JoVE Journal

Environment

Środowisko

Ten protokół pokaże ekstrakcję i analizę wolnych i estryfikowanych bioaktywnych kwasów tłuszczowych z komórek. Kwasy tłuszczowe są dokładnie oznaczane ilościowo za pomocą rozcieńczania stabilnych izotopów, chiralnej chromatografii cieczowej, wychwytywania elektronów, atmosferycznej jonizacji chemicznej, wielokrotnego monitorowania spektrometrii mas (SID-LC-ECAPCI-MRM/MS).

Ekstrakcja lipidów komórkowych do ukierunkowanego rozcieńczania stabilnych izotopów Chromatografia cieczowa - analiza spektrometrii mas

Przedstawiono wielowymiarową metodę chromatografii gazowej do analizy rozpuszczonego siarkowodoru w próbkach ciekłej ropy naftowej. Przełącznik Deans służy do wycinania lekkich gazów siarkowych w celu separacji na kolumnie wtórnej i wykrywania na detektorze chemiluminescencji siarki.

PomiarH2Sw ropie naftowej i przestrzeni nad ropą naftową z wykorzystaniem wielowymiarowej chromatografii gazowej, przełączania Deansa i detekcji selektywnej siarki

Dwuwymiarowa metoda chromatografii gazowej z czasem przelotu jest opisana do charakterystyki wodnej frakcji bioropy powstałej w wyniku hydrotermalnego upłynniania glonów. Protokół ten może być również stosowany do analizy frakcji wodnej produktów ciekłych z szybkiej pirolizy, szybkiej pirolizy katalitycznej, katalitycznego odtleniania i hydrorafinacji.

Charakterystyka jakościowa frakcji wodnej z hydrotermalnego skraplania glonów przy użyciu chromatografii gazowej 2D ze spektrometrią mas czasu przelotu

Przedstawiono protokół dotyczący charakterystyki i zastosowania pięciu różnych pasywnych urządzeń do próbkowania.

Charakterystyka i zastosowanie próbników pasywnych do monitorowania pestycydów w wodzie

Wymagana jest szczególna ostrożność przy użyciu "czystych technik" do prawidłowego pobierania i przetwarzania próbek wody do badań metali śladowych w środowisku wodnym. Przedstawiono protokół pobierania próbek, przetwarzania i procedur analitycznych w celu uzyskania wiarygodnych danych i wyników z monitoringu środowiskowego o wysokiej czułości dla szczegółowych badań metali śladowych.

Czyste pobieranie próbek i analiza wód rzecznych i ujść rzek do badań metali śladowych

Ten artykuł przedstawia eksperymentalną metodę produkcji biopaliw i biochemikaliów z oleju rzepakowego zmieszanego z paszą pochodzącą z paliw kopalnych w obecności katalizatora w łagodnych temperaturach. Produkty gazowe, ciekłe i stałe z jednostki reakcyjnej są oznaczane ilościowo i charakteryzowane. Konwersja i zyski z poszczególnych produktów są obliczane i raportowane.

Laboratoryjna produkcja biopaliw i biochemikaliów z oleju rzepakowego poprzez konwersję w procesie krakingu katalitycznego

Ten artykuł opisuje konfigurację i metodę wizualizacji in situ próbek oleju w różnych warunkach temperatury i ciśnienia, które mają na celu emulację procesów rafinacji i ulepszania. Jest używany przede wszystkim do badania mediów izotropowych i anizotropowych biorących udział w zanieczyszczaniu pasz ropopochodnych.

In Situ Wizualizacja zachowania fazowego próbek ropy naftowej w warunkach procesu rafineryjnego

Tutaj prezentujemy protokół do jednoczesnego badania łatwopalności i efektywności spalania świeżej i zwietrzałej ropy naftowej w warunkach, które symulują operacje spalania in situ na morzu.

Procedura doświadczalna dla badań laboratoryjnych spalania in situ: palność i efektywność spalania ropy naftowej

Ten protokół jest prezentowany w celu scharakteryzowania złożonych warunków zwilżania nieprzezroczystego porowatego medium (skały zbiornika węglowodorowego) za pomocą trójwymiarowych obrazów uzyskanych za pomocą mikrotomografii rentgenowskiej w warunkach podpowierzchniowych.

Obrazowanie w skali porów i charakterystyka zwilżalności skał złożowych węglowodorów w warunkach podpowierzchniowych za pomocą mikrotomografii rentgenowskiej

Ten protokół opisuje pojedynczą przepustowość dla uzupełniających technik analitycznych i omicznych, której kulminacją jest w pełni sparowana charakterystyka naturalnej materii organicznej i proteomiki mikrobiologicznej w różnych ekosystemach. Podejście to pozwala na solidne porównania w celu identyfikacji szlaków i przemian metabolicznych ważnych dla opisu produkcji gazów cieplarnianych i przewidywania reakcji na zmiany środowiskowe.

Jednoprzepustowe komplementarne techniki analityczne o wysokiej rozdzielczości do charakteryzowania złożonych mieszanin naturalnej materii organicznej

Ilustrujemy metody związane z badaniem przesiewowym i identyfikacją mikrobów wytwarzających biosurfaktanty. Przedstawiono również metody charakterystyki chromatograficznej i identyfikacji chemicznej biosurfaktantów, określające przemysłowe zastosowanie biosurfaktantu w zwiększaniu odzysku oleju resztkowego.

Zwiększony odzysk oleju dzięki połączeniu biosurfaktantów

Poznaj metodę TIMS-FT-ICR MS do analizy frakcji wycieków ropy naftowej w wodzie. Technika ta umożliwia szczegółowe badanie tysięcy związków chemicznych z wysoką rozdzielczością masową.

Analiza chemiczna frakcji wycieków ropy naftowej znajdujących się w wodzie przy użyciu TIMS-FT-ICR MS

Przeglądaj więcej filmów