Kemisk analyse af vand-indkvarteret Brøkdele af Crude olieudslip Brug TIMS-FT-ICR MS
Summary
Den lavenergi vand-indkvarteret fraktion (LEWAF) af råolie er en udfordrende system til at analysere, fordi over tid, dette kompleks blanding undergår kemiske omdannelser. Denne protokol illustrerer fremgangsmåder til fremstilling af LEWAF prøven og til at udføre foto-bestråling og kemisk analyse ved fanget ionmobilitetsspektronomi-FT-ICR MS.
Abstract
Flere kemiske processer styre, hvor råolie er indarbejdet i havvand og også de kemiske reaktioner, der opstår overtid. Studere dette system kræver omhyggelig forberedelse af prøven for nøjagtigt kopiere den naturlige dannelse af vand-indkvarteret fraktion, der forekommer i naturen. Lavenergi-vand-indkvarteret fraktioner (LEWAF) er omhyggeligt fremstillet ved at blande råolie og vand ved et sæt forhold. Emhætte flaskerne derefter bestråles, og på sæt tidspunkter, vandet samplet og ekstraheres ved hjælp af standard teknikker. En anden udfordring er den repræsentative karakterisering af prøven, som skal tage hensyn til de kemiske forandringer, der sker over tid. En målrettet analyse af den aromatiske del af den LEWAF kan udføres under anvendelse af en atmosfærisk-tryk laser ionisering kilde koblet til en specialbygget fanget ionmobilitetsspektronomi-Fouriertransformation-ion-cyklotron-resonans massespektrometer (TIMS-FT-ICR MS). Den TIMS-FT-ICR MS analyse giver høj opløsning ion mobilitet og ultrahøj opløsning MS-analyse, hvilket yderligere gør det muligt at identificere isomere komponenter ved deres sammenstød tværsnit (CCS) og kemiske formel. Resultater viser, at som blandingen olie-vand udsættes for lys, der er betydelig foto-solubilisering af overfladen olie i vandet. Over tid, den kemiske omdannelse af de solubiliserede molekyler finder sted, med et fald i antallet af identifikationer af nitrogen- og svovlholdige arter til fordel for dem med en større iltindhold end der typisk observeres i basisolien.
Introduction
Der er mange kilder til miljømæssig eksponering for råolie, både fra naturlige årsager og fra menneskeskabte eksponering. Ved udledning til miljøet, især i havet, kan råolien undergå partitionering, med dannelsen af en oliepøl på overfladen, et tab af flygtige stoffer til atmosfæren, og sedimentation. Imidlertid lavenergi blanding af dårligt opløselige olie og vandet sker, og denne blanding, som ikke klassisk solubiliseret, danner, hvad der betegnes som den lavenergi- vand-rummes fraktion (LEWAF). Solubiliseringen af oliekomponenter i vandet typisk forstærket under eksponering af olie-vand-grænsefladen for solstråling. Dette foto-opløsning af råolien i havet kan undergå betydelige kemiske ændringer på grund af denne udsættelse for solstråling og / eller på grund af enzymatisk nedbrydning 1, 2. Forståelsen af disse kemiske ændringer og hvordan de opstår i overværelse af bulk matrix (dvs. den rå olie) er fundamental for at afbøde virkningerne denne eksponering har på miljøet.
Tidligere undersøgelser har vist, at råolie undergår iltning, især de polycykliske aromatiske kulbrinter (PAH'er), som repræsenterer en meget giftig forureningskilde, der skader organismer, gennemgår bioakkumulering, og er bioaktive 3, 5, 6. Forståelse produkterne af de forskellige iltnings- processer er udfordrende, fordi de forekommer kun i nærværelse af bulk matrix. Derfor kan en enkelt, standard analyse ikke være repræsentative for de ændringer, der forekommer i naturen. Forberedelsen af LEWAF skal kopiere de naturlige processer, der finder sted i en miljømæssig omgivelser. Af særlig interesse er iltningen af PAH'er, der opstår på grund af solstråling.
t "> Den anden udfordring i studiet af vand-rummes fraktion er den molekylære identifikation af de forskellige kemiske bestanddele i prøven. På grund af kompleksiteten af prøven, der skyldes dets høje masse og graden af oxygen, iltningen produkter er typisk uegnet til den traditionelle analyse ved gaschromatografi kombineret med MS-analyse 7, 8. En alternativ fremgangsmåde er at karakterisere ændringerne i den kemiske formel af prøven ved anvendelse af ultra-høj masse løsnings MS-teknikker (f.eks FT-ICR MS ). Ved at koble TIMS til FT-ICR MS, foruden den isobarisk adskillelse i MS domæne, den ionmobilitetsspektronomi (IMS) dimension giver separation og karakteristiske informationer for de forskellige isomerer til stede i prøven 9, 10, 11. Kombineret med et atmosfærisk tryk laserionisering (APLI) kilde, kan analysen være selektiv med de konjugerede molekyler, der findes i prøven, så de ændringer, de PAH'er undergår at være præcist karakteriseret 12, 13.I dette arbejde beskriver vi en protokol til forberedelse af LEWAFs udsat for foto-bestråling for at studere de forandringsprocesser i oliekomponenter. Vi illustrerer også de forandringer, der sker på foto-bestråling, samt proceduren for prøveudtagning. Vi vil også præsentere brugen af APLI med TIMS kombineret med FT-ICR MS at karakterisere de PAH'er i LEWAF som en funktion af udsættelse for lys.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kritiske trin i protokollen
Den kemiske kompleksitet LEWAFs kræver præcis forberedelse, for at laboratorieforsøg til præcist afspejler, hvad der forekommer naturligt. En gyldig vurdering af data afhænger af tre kriterier: minimere indførelsen af artefakter i hele prøve håndtering (f.eks, forberedelse af LEWAF, prøvetagning, ekstraktioner, og forberedelse af prøven til analyse), validering af forsøgsprotokollen (dvs. ved hjælp af mørke kontrol til foto-bestråling …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af National Institute of Health (Grant nr R00GM106414 til FFL). Vi vil gerne anerkende Advanced massespektrometri Facility af Florida International University for deres støtte.
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).
