Низкоэнергетическая воды размещены фракция (LEWAF) сырой нефти является сложной системой для анализа, так как с течением времени, это сложная смесь претерпевает химические превращения. Этот протокол иллюстрирует методы для подготовки образца LEWAF и для проведения фото-облучения и химический анализ захваченными спектрометрия подвижности ионов-FT-ICR MS.
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Методическая статья
Химический анализ воды-фракциях сырой нефти разливы Использование Tims-FT-ICR MS
В этой статье
Краткое содержание
Аннотация
Несколько химических процессов управления, как сырая нефть включена в морскую воду, а также химические реакции, которые происходят сверхурочно. Изучение этой системы требует тщательной подготовки образца для того, чтобы точно повторить естественное формирование водной фракции, что размещение происходит в природе. Низкоэнергетические водной фракциях (LEWAF) тщательно готовят путем смешивания сырой нефти и воды в соотношении множества. Аспиратор бутылки затем облучают, и в заданных точках времени вода отбирается и экстрагируют с использованием стандартных методик. Второй проблемой является представителем характеристика образца, который необходимо учитывать химические изменения, которые происходят с течением времени. Целенаправленное анализ ароматической фракции LEWAF может быть выполнена с использованием лазерного источника ионизации при атмосферном давлении, соединенный с заказного захваченный спектрометрия подвижности ионов-преобразование Фурье-ионного циклотронного резонанса масс-спектрометр (НИСУ-FT-ICR MS). Анализ TIMS-FT-ICR MS обеспечивает высокое разрешение ионной подвижности и сверхвысокого разрешения МС-анализа, который дополнительно позволяет идентифицировать изомерных компонентов путем их поперечных сечений столкновений (CCS) и химической формулой. Результаты показывают, что в качестве смеси нефть-вода подвергается воздействию света, существует значительная фотографического солюбилизация поверхности масла в воду. Со временем, химическое превращение солюбилизированных молекул происходит, с уменьшением числа идентификаций азот- и серосодержащих видов в пользу тех, с большим содержанием кислорода, чем, как правило, наблюдается в базовом масле.
Введение
Есть многочисленные источники экологического воздействия сырой нефти, как из естественных причин и от антропогенного воздействия. После выброса в окружающую среду, особенно в океане, сырая нефть может пройти разделение, с образованием нефтяного пятна на поверхности, потеря летучих компонентов в атмосферу, и осаждения. Тем не менее, низкоэнергетические смешивание труднорастворимого масла и воды, имеет место, и эту смесь, которая не является классически солюбилизации, образует то, что называется водой размещены фракции низкоэнергетической (LEWAF). Солюбилизации компонентов нефти в воде, как правило, усиливается во время экспозиции раздела масло-вода солнечного излучения. Эта фото-солюбилизации сырой нефти в океане может претерпевать значительные химические изменения в связи с этим воздействием солнечного излучения и / или из - за ферментативного разложения 1, 2. Понимание этих химических изменений и как они происходят в присутствии объемной матрицы (то есть сырая нефть) имеет фундаментальное значение для смягчения последствий этого воздействия на окружающую среду.
Предыдущие исследования показали , что сырая нефть подвергается оксигенации, в частности полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), которые представляют собой высокотоксичный источник загрязнения , что наносит вред организмы, подвергается биоаккумуляции и биоактивно 3, 5, 6. Понимание продуктов различных процессов оксигенации является сложной задачей, поскольку они происходят только в присутствии объемной матрицы. Таким образом, один стандартный анализ не может быть репрезентативной изменений, происходящих в природе. Подготовка LEWAF должен повторить естественные процессы, которые происходят в обстановке окружающей среды. Особый интерес представляет оксигенации ПАУ, которое происходит за счет солнечной радиации.
т "> Вторая задача в изучении водной размещены фракции является молекулярная идентификация различных химических компонентов в образце. Из-за сложности образца, вызванного его высокой массой и степенью кислорода, оксигенацию продукты как правило , непригодны для традиционного анализа , проведенного с помощью газовой хроматографии в сочетании с МС - анализа 7, 8. альтернативный подход заключается в характеристике изменений в химической формуле образца с использованием методов MS ультра-высокой разрешающей способностью масс (например, FT-ICR MS ). Взаимодействием TIMS к FT-ICR MS, в дополнение к изобарической разделения в домене MS, то спектрометрия подвижности ионов (IMS) , измерение обеспечивает разделение и характеристическую информацию для различных изомеров , присутствующих в образце 9, 10, 11. в сочетании с лазером атмосферного давленияионизации (APLI) источник, анализ может быть селективным по отношению к конъюгированных молекул , обнаруженных в образце, что позволяет изменения , что ПАУ претерпевают быть точно охарактеризовать 12, 13.В этой работе мы опишем протокол для подготовки LEWAFs, подвергшихся воздействию фото-облучения с целью изучения процессов трансформации компонентов нефти. Мы также иллюстрируют изменения, которые происходят при фото- облучении, а также порядок извлечения образца. Мы также описываем использование APLI с TIMS в сочетании с FT-ICR MS охарактеризовать ПАУ в LEWAF в зависимости от воздействия света.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Протокол
1. Приготовление водно-фракциях низкоэнергетических (LEWAF)
- Чистые 2-L аспиратор бутылки путем промывки бутылок с метиленхлоридом, с тем, чтобы удалить любые потенциальные примеси.
- Заполните бутылки с 50 мл хлористого метилена, закрывают их, и перемешивать в течение 30 сек. Слейте их в соответствующий контейнер для отходов. Повторить в общей сложности трех стирок.
- Используйте одну аспиратор бутылку для воздействия облучения и другой бутылки в качестве контрольного образца (выполнения повторяющихся наборов каждого, если это возможно).
- Подготовьте искусственно полученную морскую воду путем смешивания 35 г смеси соли моря на 1 л воды, используемой для конечной солености 33 частей на тысячу. Фильтр решение под снижение или отсутствие отрицательного давления для предотвращения потери летучих соединений с использованием фильтрационного аппарата, снабженного размером пор фильтра 0,45 мкм или меньше.
- Заполните аспиратора бутылки с искусственной морской воде, в результате чего ~ 20%, или 400 мл, в свободном пространстве.
- Добавляют сырую нефть в морской воде, предварительно отмеренных с помощью газонепроницаемого шприца при номинальной концентрации 1 г / л масла.
Примечание: Более вязкие масла должны быть доставлены по весу. - После добавления масла, смешать растворы в течение 24 ч в темноте (или путем покрытия аспиратора бутылок с алюминиевой фольгой), используя перемешивающее пластину работает на низкой скорости без образования вихря (приблизительно 100 оборотов в минуту), с тем чтобы позволить все водорастворимые компоненты переходят в раствор и, чтобы избежать включения частиц масла.
2. LEWAF Фото-облучение, для сбора проб, и регулировать
- Подготовьте два комплекта бутылок для каждого фото-облучения эксперимента.
- Накройте один комплект аспиратора бутылок с алюминиевой фольгой; это будет темно-контроль.
- Поместите аспиратора бутылок в контролируемой температурой набора водяной бани для поддержания аспиратора бутылок при температуре 25 ° С внутри солнечного облучатель оборудован Wiго в 1500-W ксеноновой дуговой лампы при интенсивности излучения 765 Вт / м 2.
- Облучать образцы непрерывно в течение требуемого времени (этот эксперимент длился 115 ч); нет максимального времени.
- После того, как установленное время, (15, 24, 48, и 115 ч в этом эксперименте) собирают 150 мл воды со дна стеклянной аспиратора путем откупорить бутылку аспиратор и открытия сливного клапана.
- Используя разделительную воронку выполняют жидкость-жидкостную экстракцию метиленхлоридом добавлением 50 мл аликвотами метиленхлорида, встряхивая образец в течение 2 мин, регулярно вентилировать воронку, чтобы избежать пробку из продувание.
- Разрешить фазы для разделения, и снимите нижнюю органическую фазу, удаляя пробку из воронки и медленно откройте сливной клапан. Стекать через образец в плоскую колбу , снабженную воронкой , заполненной 100 г Na 2 SO 4. Ополосните воронку с дополнительным количеством хлористого метилена Выполните Экстракцию 3 раза с тем, чтобы повые эффективность экстракции.
Примечание: многократные экстракции выполняются с целью повышения эффективности извлечения процедуры. - Убирают воронку, добавить колонку Снайдера и поместите плоскую нижнюю колбу в ванну с горячей водой, установленной на 58 ° C. Упаривают до 15 мл пробы не остается.
- Перенести пробу в обогатительной пробирку и высушить образцы с использованием слабого тока азота осторожным, чтобы избежать потери пробы разбрызгиванием.
3. Подготовка образца для анализа
Примечание: Подготовка образцов для анализа является ключевым фактором, и необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать попадания инородных загрязняющих веществ, в частности, за счет использования каких-либо пластиков, что приведет к выщелачиванию в образец.
- Готовят смесь 1: 1 по объему смеси метанол: толуол, использующие LC-MS Optima-растворители марки.
- С помощью микропипетки объемного вытеснения, добавляют растворитель в стеклянные флаконы, а затем добавить образцы в соотношении 1: 100,сначала добавлением 990 мкл растворителя, а затем путем добавления 10 мкл образца.
Примечание: Стеклянные микропипетки используются в заказ во избежание пиявками вследствие хлористый метилен или толуол. - Необязательно: Используйте настройки смеси для калибровки подвижности ионов.
Примечание: API источников часто выщелачивание, если он регулярно используется в качестве калибровочного стандарта. Если ионы калибровки не присутствуют в спектре, то смесь может быть приготовлена путем добавления некоторых из стандартного раствора к образцу при 1: 1000 разбавлении.
4. Преобразование Фурье-ионного циклотронного резонанса масс-спектрометрии (FT-ICR MS) Анализ
- Установите прибор в режим "Operate", нажав на кнопку работать.
- Загрузить образец в образец шприца.
- На вкладке Source API, установите скорость инфузии на 200 мкл / ч скорости.
- Установите давление распылителя 1 бар и температуру испарителя до 300 ° C.
- Установить скорость сухого газа до 1,2Л / мин, а температура до 220 ° C.
Примечание: Эта процедура применима как к APPI и ИУППА. - Установите прибор в режим "Tune", нажав на кнопку Tune. Спектр должен появиться на экране.
Примечание: В случае необходимости, прибор может быть оптимизирован для того , чтобы улучшить передачу ионов и детектированием в m / z диапазона аналитов путем изменения инструментальных параметров, таких как напряжение, радиочастотах и амплитудами. Обратите внимание, что масс-спектрометр будет необходимо откалибровать. - Прекратить режим "Tune", нажав на кнопку остановки.
- Установите количество сканирований в среднем, как правило, между 20-200 сканирований в масс-спектре, и нажмите кнопку приобретения приобрести спектр масс.
Примечание: Усреднение нескольких спектров улучшает общее отношение сигнала к шуму за счет уменьшения шума и увеличения сигнала для низкого обилия видов 14.
5. Trapped ионной подвижности Spectrвыбранной геометрии (TIMS) Анализ
- Включить режим "Хроматография" по программе приобретения FT-ICR.
- Включить режим "Tims", повернув выключатель на внешнем выключателе к TIMS.
ПРИМЕЧАНИЕ: Напряжения, используемые в TIMS управляются извне от прибора. Вторая программа будет контролировать входную воронку прибора для проведения анализа IMS. - Включите дополнительный обжимной насоса и, с помощью регулирующего клапана в TIMS, регулировки входного и выходного давления до требуемых диапазонов (в этом эксперименте, Р1 был установлен до 2,8 мбар и P2 до 1,4 мбар).
Примечание: Внешний насос должен быть включен за несколько часов до анализа, чтобы убедиться, что насос тепло и что производительность равномерна во время анализа IMS, так как изменения в скорости газа приведет к возникновению ошибок в спектрах. - Сначала определить диапазон напряжения, который необходим для выполнения анализа IMS; это делается с быстрым, беглый поиск в широком диапазоне напряжений (250 В) принизкое разрешение IMS (1 V / кадр).
- Если используются напряжения, которые достаточны для анализа всего спектра, а затем повторить эксперимент, регулируя TIMS для анализа с более высоким разрешением. Для этого, уменьшить V / кадр до 0,1 V и изменить количество кадров , чтобы охватить все рампы & Dgr ; v.
Примечание: Пользователь может возникнуть необходимость оптимизации числа экспериментов Tims, которые накапливаются в клетке столкновения до анализа FT-ICR MS.
Анализ 6. Данные
- Открыть данные MS в программное обеспечение для анализа данных.
- Установите пиковую-собирание критерии для выбора тех, кто выше 6 сигнал-шум и использовать функцию "Find Пикс".
Примечание: Полученный спектр внутренне откалиброван с использованием стандартов, присутствующих в растворе. Это используется для идентификации химических рядов и затем откалибровать снова для того, чтобы улучшить точность для элементного присвоения широкого диапазона. - Выполните назначение элементарного, используя формулу ПрисвоитьМент инструментов или программного обеспечения.
Примечание: Формула Пределы C 1-100 H 1-100 N 0-2 O 0-7 S 0-2, нечетные и даже электронные конфигурации, разрешены, и массовый допуск 0,5 частей на миллион М + и [M + H] + ионы формы - Импорт данных IMS-MS для программного обеспечения для анализа данных и генерации средний масс-спектр для всего аналитического диапазона.
- Выбор пиков выше 6 сигнал-шум. Используя ряд, который был идентифицирован при анализе MS сверхвысокого разрешения, внутренне откалибровать спектра
- Используя формулу идентификаций из анализа FT-ICR MS, создать список всех целевых м / г, и сохранить это как "Flist.txt" в папке данных. Этот список будет использоваться на первом этапе обработки данных
- Загрузите и запустите предоставленный сценарий для извлечения извлеченный ионов хроматограмму (EIC) для каждого целевого м / г в списке.
- Измените сценарий питона для ввода режиссера файлаY, то пусковое напряжение, размер шага, а число шагов в этом целевом анализе 11.
- Запуск деконволюции сценария IMS.
ПРИМЕЧАНИЕ: Это открывает каждый EIC и идентифицировать пики итерационным гауссовой штуцером. Результаты будут выводиться в формате файла Excel 13.
Примечание: После установки, пики ниже определенного критерия исключены, как правило, на основе высоты, ширины и площади пика (пиков ниже определенной ширины, как правило, исключены из анализа из-за случайных импульсных помех). - Используя настраивающихся пиков, калибровки подвижности ионов от напряжения на мобильность для ионов 11. Это может быть преобразовано в поперечном сечении столкновения с использованием уравнения Мэйсон-Schamp.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Результаты
Анализ LEWAF по результатам TIMS-FT-ICR MS в двумерном спектре на основе м / г и TIMS улавливающего напряжения. Каждый из образцов, взятых в различные моменты времени, поэтому можно охарактеризовать в соответствии с изменениями химического состава, как это было отмечено распределение химических формул и изомерного вклада , идентифицированного IMS (см рисунок 1). Как правило, м / Z информация может быть использована для назначения элементные формулы для ...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Обсуждение
Критические шаги в рамках Протокола
Химическая сложность LEWAFs требует точной подготовки для того, чтобы лабораторных экспериментов, чтобы точно отражать то, что происходит естественным образом. Действительная оценка данных зависит от трех критериев: сведение к минимуму введение артефактов по всей выборке обработки (например, подготовка LEWAF, отбор проб, извлечений и подготовки пробы для анализа), проверка достоверности экспериментального протокола (т.е. с использованием тем...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Раскрытие информации
Авторы заявляют нет конкурирующих финансовых интересов.
Благодарности
Эта работа была поддержана Национальным институтом здравоохранения (грант № R00GM106414 к FFL). Мы хотели бы отметить Advanced Масс-спектрометрия фонд из Международного университета Флориды за их поддержку.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Материалы
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| <сильно>Реагенты | |||
| метиленхлорид, Optima | Fisher Scientific | DS-151-4 | Используется в качестве полученного |
| метанола, Optima LC/MS | Fisher Scientific | A456-4 | Используется в качестве полученного |
| толуола, Optima | Fisher Scientific | T291-4 | Используется в качестве полученного |
| Na2SO4, гранулированный, безводный | Fisher Scientific | S415-212 | сгорает при 450 ° С/Хранится в 105 ° C |
| Сырая нефть | Различные источники | ||
| Instant Ocean® | Аквариумные системы | SS1200 | 33 ppt солености с 0,45 μ m фильтрация пор |
| Name | Company | Номер в каталоге | Комментарии |
| Equipment | |||
| Suntext XLS+ | Atlas Chicalo Ill, США | 1,500 Вт, интенсивность света 765 W/m2Atmospheric | |
| Pressure Laser Ionization | Bruker Daltonics Inc, MA | Обратите внимание, что используется лазер с длиной волны 266 нм | |
| TIMS-FT-ICR MS Instrument | Bruker Daltonics Inc, MA | Установка, которую мы получили, состояла из 7 Т-образный магнит с ячейкой бесконечности | |
| Name | >Company< | strong>Номер в каталоге | Comments |
| Software | |||
| DataAnalysis 4.2 | Bruker Daltonics Inc, MA | ||
| Python 2.7 | требует Numpy, Scipy, Pandas, glob, oct2py и OS | ||
| Octave 4.0 |
Ссылки
- 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).
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Перепечатки и разрешения
Теги
