التحليل الكيميائي للالكسور-استيعاب المياه من النفط الخام التسربات عن طريق TIMS-FT-ICR MS
Summary
جزء استيعاب المياه منخفضة الطاقة (LEWAF) من النفط الخام هو نظام تحديا للتحليل، لأنه مع مرور الوقت، وهذا خليط معقد يخضع التحولات الكيميائية. يوضح هذا البروتوكول طرق لإعداد العينة LEWAF ولأداء الصور التشعيع والتحليل الكيميائي من قبل المحاصرين ايون التنقل الطيف-FT-ICR MS.
Abstract
السيطرة على العمليات الكيميائية المتعددة كيف النفط الخام يتم إدماجها في مياه البحر، وكذلك التفاعلات الكيميائية التي تحدث الوقت بدل الضائع. دراسة هذا النظام يتطلب إعداد دقيق للعينة من أجل تكرار بدقة التكوين الطبيعي للجزء-استيعاب المياه التي تحدث في الطبيعة. تعد الكسور استيعاب المياه منخفضة الطاقة (LEWAF) بعناية عن طريق خلط زيت الخام والمياه بنسبة محددة. ثم يتم المشع زجاجات الشافطة، وعلى مجموعة من النقاط الزمنية، وأخذ عينات من المياه واستخراجها باستخدام تقنيات القياسية. والتحدي الثاني هو توصيف التمثيلي للعينة، والتي يجب أن تأخذ بعين الاعتبار التغيرات الكيميائية التي تحدث مع مرور الوقت. تحليل المستهدفة من جزء العطرية من LEWAF يمكن القيام بها باستخدام مصدر التأين ليزر في الغلاف الجوي الضغط بالإضافة إلى التنقل أيون المحاصرين مبنية خصيصا قياس الطيف تحويل فورييه أيون مطياف الكتلة سيكلوترون صدى (TIMS-FT-ICR MS). يقدم التحليل TIMS-FT-ICR MS عالية الدقة التنقل أيون والفائق الدقة التحليل MS، الأمر الذي يزيد من السماح لتحديد مكونات ايزوميريا من قبل من الاصطدام عبر أقسام (CCS) والصيغة الكيميائية. وأظهرت النتائج أن ما يتعرض خليط الزيت عن الماء للضوء، وهناك كبير الصور الإذابة من النفط السطحية في المياه. مع مرور الوقت، والتحول الكيميائي للجزيئات بالفاعلات يحدث، مع انخفاض في عدد من الهويات من النيتروجين والأنواع الحاملة للكبريت لصالح تلك التي تحتوي على نسبة أكبر من الأوكسجين من عادة لوحظت في قاعدة النفط.
Introduction
وهناك مصادر عديدة للالتعرض البيئي للنفط الخام، سواء لأسباب طبيعية ومن التعرض البشري. لدى الافراج عنه الى البيئة، لا سيما في المحيط، يمكن للنفط الخام الخضوع التقسيم، مع تشكيل لبقعة الزيت على السطح، وخسارة من المكونات المتطايرة في الجو، والترسيب. ومع ذلك، خلط منخفضة الطاقة من النفط ضعيف الذوبان والمياه لا يحدث، وهذا الخليط، وهي ليست بالفاعلات كلاسيكي، يشكل ما يشار اليها على انها جزء-استيعاب المياه منخفضة الطاقة (LEWAF). وما يزيد من ذوبان مكونات النفط في الماء عادة أثناء التعرض للواجهة الزيت عن الماء لأشعة الشمس. هذه الصور الإذابة من النفط الخام في المحيط يمكن أن تخضع لتغيرات كيميائية كبيرة بسبب هذا التعرض لأشعة الشمس و / أو بسبب تدهور الأنزيمية 1 و 2. فهم هذه التغيرات الكيميائية و كيف تحدث في وجود مصفوفة الأكبر (أي النفط الخام) هو أمر أساسي لتخفيف آثار هذا التعرض له على البيئة.
وقد أظهرت الدراسات السابقة أن النفط الخام يمر الأوكسجين، وخاصة الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات متعددة الحلقات، التي تمثل مصدرا شديد السمية من التلوث الذي يضر الكائنات الحية، يخضع لالتراكم الأحيائي، وغير النشطة بيولوجيا 3 و 5 و 6. فهم نواتج عمليات الأوكسجين مختلفة يمثل تحديا لأنها تحدث فقط في وجود مصفوفة كبيرة. لذلك، قد لا يكون، وتحليل قياسي واحد التمثيلي للتغيرات التي تحدث في الطبيعة. إعداد LEWAF يجب تكرار العمليات الطبيعية التي تحدث في بيئة البيئي. أهمية خاصة هو الأوكسجين من متعددة الحلقات، والذي يحدث نتيجة للإشعاع الشمسي.
ر "> أما التحدي الثاني في دراسة جزء-استيعاب المياه هو تحديد الجزيئي للمكونات الكيميائية المختلفة في العينة. ونظرا لتعقيد العينة، والناجمة عن كتلته عالية ودرجة من الأكسجين، والمنتجات الأوكسجين هي عادة غير صالحة للتحليل التقليدي التي تقوم بها اللوني للغاز جنبا إلى جنب مع تحليل MS 7 و 8. وثمة نهج بديل هو لوصف التغييرات في الصيغة الكيميائية للعينة عن طريق استخدام تقنيات MS فائقة قرار كتلة (على سبيل المثال، FT-ICR MS ). فمن خلال دمج TIMS إلى FT-ICR MS، بالإضافة إلى فصل إسوي الضغط في المجال MS، يوفر الطيف حركة الايونات (IMS) بعد الانفصال والمعلومات المميزة لأيزومرات مختلفة موجودة في عينة 9 و 10 و 11. جنبا إلى جنب مع الضغط الجوي الليزرالتأين (APLI) مصدر، فإن التحليل يمكن أن تكون انتقائية لجزيئات مترافق وجدت في العينة، والسماح للالتغييرات التي متعددة الحلقات تخضع ليكون تتميز بدقة 12 و 13.في هذا العمل، ونحن تصف بروتوكول لإعداد LEWAFs تتعرض لأشعة الصور من أجل دراسة عمليات التحول من مكونات النفط. نحن لتوضيح أيضا التغيرات التي تحدث على الصور إشعاع، فضلا عن إجراء لاستخراج عينة. سنقدم أيضا استخدام APLI مع TIMS جانب FT-ICR MS لتوصيف هذه الكربوهيدرات في LEWAF بوصفها وظيفة من التعرض للضوء.
Protocol
Representative Results
Discussion
خطوات حاسمة في إطار بروتوكول
التعقيد الكيميائي للLEWAFs يتطلب إعداد دقيق من أجل التجارب المعملية لتعكس بدقة ما يحدث بشكل طبيعي. تقييم صحيح للبيانات يتوقف على ثلاثة معايير هي: التقليل من إدخال القطع الأثرية في جميع أنحاء عينة التعامل …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد هذا العمل من قبل المعهد الوطني للصحة (منحة رقم R00GM106414 إلى FFL). ونود أن نعترف مرفق المتقدم الطيف الكتلي من جامعة فلوريدا الدولية على دعمهم.
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).
