Kemiska analyser av vatten-hyses Fraktioner av råoljespill Använda TIMS-FT-ICR MS
Summary
Den låga energi vatten hyses fraktion (LEWAF) av råolja är en utmanande system för att analysera, eftersom tiden genomgår denna komplexa blandning kemiska omvandlingar. Detta protokoll illustrerar metoder för framställning av LEWAF provet och för att utföra foto bestrålning och kemisk analys av fångade jon rörlighet spektrometri-FT-ICR MS.
Abstract
Flera kemiska processer styra hur råolja införlivas i havsvatten och även de kemiska reaktioner som uppstår övertid. Studera detta system kräver en noggrann beredning av provet för att exakt reproducera den naturliga bildandet av vatten hyses fraktion som förekommer i naturen. Energisnåla vatten hyses fraktioner (LEWAF) är noggrant förberedd genom att blanda råolja och vatten vid en uppsättning förhållande. Aspirator flaskorna bestrålas sedan, och vid bestämda tidpunkter, vattnet samplas och extraheras med användning av standardtekniker. En andra utmaning är representativ karaktärisering av provet, som måste ta hänsyn till de kemiska förändringar som sker över tiden. En riktad analys av den aromatiska fraktionen av LEWAF kan utföras med hjälp av en atmosfärstryck laser jonisering källa kopplad till en specialbyggd fångade jon rörlighet spektrometri-Fouriertransformen-jon cyklotron resonans masspektrometer (TIMS-FT-ICR MS). Den TIMS-FT-ICR MS-analys ger hög upplösning jon rörlighet och ultrahög upplösning MS-analys, vilket ytterligare möjliggöra identifiering av isomera komponenter genom sina tvärsnitt kollisions (CCS) och kemisk formel. Resultaten visar att i blandningen av olja och vatten utsätts för ljus, det finns en betydande foto solubilisering av ytolja i vattnet. Över tiden, den kemiska omvandlingen av de solubiliserade molekyler äger rum, med en minskning av antalet identifieringar av kväve- och svavelbärande arter till förmån för de med en större syrehalt än var oftast observerats i basoljan.
Introduction
Det finns många källor till miljöexponering för råolja, både från naturliga orsaker och från mänsklig exponering. Vid utsläpp i miljön, särskilt i havet, kan råoljan genomgår uppdelning, med bildandet av en oljefläck på ytan, en förlust av flyktiga komponenter till atmosfären, och sedimentering. Emellertid lågenergi blandning av den dåligt lösliga oljan och vattnet sker, och denna blandning, som inte är klassiskt solubiliserad, bildar vad som hänvisas till som den låg energi vatten hyses fraktion (LEWAF). Solubiliseringen av oljekomponenterna i vattnet typiskt förbättras under exponering av typen olja-vattengränsytan för solstrålning. Detta foto-solubilisering av råolja i havet kan genomgå betydande kemiska förändringar på grund av denna exponering för solstrålning och / eller på grund av enzymatisk nedbrytning 1, 2. Att förstå dessa kemiska förändringar och hur de förekommer i närvaro av bulkmatrisen (dvs råolja) är grundläggande för att mildra effekterna denna exponering har på miljön.
Tidigare studier har visat att råolja genomgår syresättning, särskilt polycykliska aromatiska kolväten (PAH), som utgör en mycket giftig föroreningskälla som skadar organismer genomgår bioackumulering, och är bioaktiva 3, 5, 6. Förstå produkterna av olika syresättningsprocesser är en utmaning eftersom de förekommer endast i närvaro av bulkmatrisen. Därför kan en enda, standardanalys inte vara representativa för de förändringar som sker i naturen. Beredningen av LEWAF måste replikera naturliga processer som sker i en miljö miljö. Av särskilt intresse är syresättningen av PAH, som uppstår på grund av solstrålning.
t "> Den andra utmaningen i studien av vatten hyses fraktionen är den molekylära identifieringen av de olika kemiska beståndsdelarna i provet. På grund av komplexiteten av provet, som orsakats av dess höga massa och grad av syre, syreprodukter typiskt olämpliga för traditionell analys utförs med gaskromatografi i kombination med MS-analys 7, 8. ett alternativt tillvägagångssätt är att karakterisera förändringar i den kemiska formeln för provet genom att använda ultrahög massa upplösning MS-tekniker (t.ex. FT-ICR MS ). Genom att koppla TIMS till FT-ICR MS, förutom den isobara separation i MS-domänen tillhandahåller jonrörlighet spektrometri (IMS) dimensionen separationen och karakteristisk information för de olika isomererna är närvarande i provet 9, 10, 11. i kombination med ett atmosfärstryck laserjonisering (APLI) källa, kan analysen vara selektiv för de konjugerade molekyler som finns i provet, vilket gör att de förändringar som de PAH genomgår att vara exakt kännetecknas 12, 13.I detta arbete, beskriver vi ett protokoll för framställningen av LEWAFs exponerats för foto bestrålning i syfte att studera de omvandlingsprocesser av oljekomponenterna. Vi illustrerar även de förändringar som inträffar vid foto bestrålning, såväl som förfarandet för prov extraktion. Vi kommer också att presentera användningen av APLI med TIMS tillsammans med FT-ICR MS att karakterisera PAH i LEWAF som en funktion av exponeringen för ljus.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kritiska steg i protokollet
Den kemiska komplexiteten i LEWAFs kräver noggrann förberedelse för att laboratorieexperiment för att spegla vad som händer naturligt. Ett giltigt bedömning av uppgifterna hänger på tre kriterier: att minimera införandet av artefakter hela provhantering (t.ex. beredning av LEWAF, provtagning, extraktioner, och beredning av provet för analys), validera experimentprotokollet (dvs med hjälp av mörka kontroller för foto bestrålning experim…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av National Institute of Health (Grant nr R00GM106414 till FFL). Vi skulle vilja erkänna Advanced Mass Spectrometry Facility Florida International University för deras stöd.
Materials
| Reagents | |||
| methylene chloride | |||
| methanol | |||
| toluene | |||
| Na2SO4 | |||
| Crude oil | |||
| Instant Ocean® | Aquarium Systems | 33 ppt salinity with 0.45 μm pore filtration | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Equipment | |||
| Suntext XLS+ | Atlas Chicalo Ill, USA | 1500 w xeon arc lamp, light intensity of 765 W/m2 | |
| Atmospheric Pressure Laser Ionization | Bruker Daltonics Inc, MA | Note a 266 nm laser is used | |
| TIMS-FT-ICR MS Instrument | Bruker Daltonics Inc, MA | The set up we had consisted of a 7T magnet with an infinity cell | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Software | |||
| DataAnalysis 4.2 | Bruker Daltonics Inc, MA | ||
| Python 2.7 | Requires Numpy, Scipy, Pandas, glob, oct2py, and os | ||
| Octave 4.0 |
References
- 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, 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, 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).
