Chemische analyse van water opgevangen fracties van ruwe olieverontreiniging met behulp van TIMS-FT-ICR MS
Summary
De lage-energie-water-ondergebracht fractie (LEWAF) van ruwe olie is een uitdagende systeem te analyseren, want na verloop van tijd, dit complex mengsel ondergaat chemische omzettingen. Dit protocol illustreert werkwijzen voor de bereiding van de LEWAF monster en voor het uitvoeren van foto-bestraling en chemische analyse van gevangen ionenmobiliteitsspectrometrie-FT-ICR MS.
Abstract
Meervoudige chemische processen bepalen hoe ruwe olie in het zeewater wordt opgenomen en ook de chemische reacties die overuren optreden. Bestuderen van dit systeem vereist een zorgvuldige voorbereiding van het monster om nauwkeurige simulatie van de natuurlijke vorming van het in water opgenomen fractie die in de natuur. Lage-energie-water opgevangen fracties (LEWAF) worden zorgvuldig voorbereid door het mengen van ruwe olie en water op een ingestelde verhouding. Aspirator flessen worden vervolgens bestraald en op vaste tijdstippen, wordt het water opgevangen en geëxtraheerd onder toepassing van standaardtechnieken. Een tweede uitdaging is de vertegenwoordiger karakterisering van het monster, die moet rekening houden met de chemische veranderingen die zich voordoen in de tijd. Een gerichte analyse van de aromatische fractie van de LEWAF kan worden uitgevoerd met een atmosferische druk ionisatiebron laser gekoppeld met een op maat gemaakte gevangen ionenmobiliteitsspectrometrie-Fourier transform ion cyclotron resonantie spectrometrie (TIMS-FT-ICR MS). De TIMS-FT-ICR MS analyse biedt ion mobiliteit een hoge resolutie en ultrahoge resolutie MS analyse, die de identificatie van isomere componenten verder mogelijk maken door hun botsing doorsneden (CCS) en de chemische formule. Resultaten tonen dat de olie-watermengsel wordt blootgesteld aan licht, is er aanzienlijke foto-solubilisatie van het oppervlak olie in het water. Tijd, de chemische omzetting van de opgeloste moleculen plaatsvindt, hetgeen een daling van het aantal identificaties van stikstof- en zwavel-houdende verbinding in het voordeel van die met een groter gehalte zuurstof dan werden gewoonlijk waargenomen in de basisolie.
Introduction
Er zijn tal van bronnen van milieu blootstelling aan ruwe olie, zowel van natuurlijke oorzaken en van antropogene blootstelling. Bij lozing in het milieu, met name in de oceaan, de ruwe olie kan partitionering ondergaan, onder vorming van een olievlek op het oppervlak, een verlies aan vluchtige bestanddelen in de atmosfeer, en sedimentatie. De lage-energie mengen van de slecht oplosbare olie en het water optreedt, en dit mengsel, dat niet oplosbaar klassieke vormt wat de lage-energie-water opgevangen fractie (LEWAF) genoemd. Het oplossen van de olie componenten in het water wordt typisch verhoogd tijdens de blootstelling van het olie-water interface zonnestraling. Deze foto-solubilisatie van de ruwe olie in de oceaan significante chemische veranderingen ondergaan door deze blootstelling aan zonnestraling en / of door enzymatische afbraak 1, 2. Inzicht in deze chemische veranderingen en hoe ze voorkomen in aanwezigheid van de massieve matrix (dat wil zeggen de ruwe olie) is fundamenteel voor het verzachten van de effecten dit risico heeft op het milieu.
Eerdere studies hebben aangetoond dat ruwe olie ondergaat oxygenatie, met name de polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAK's), die een zeer giftige bron van verontreiniging die schadelijk organismen, ondergaat bioaccumulatie vertegenwoordigen en bioactief 3, 5, 6. Inzicht in de producten van de verschillende oxygenatie processen uitdaging omdat ze alleen optreden in aanwezigheid van de massieve matrix. Daarom kan een afzonderlijke standaard analyse niet representatief voor de veranderingen in de natuur. De voorbereiding van de LEWAF moet de natuurlijke processen die plaatsvinden in een milieu-omgeving te repliceren. Van bijzonder belang is de oxygenatie van PAK, die door zonnestraling optreedt.
t "> De tweede uitdaging in de studie van het water opgevangen fractie de moleculaire identificatie van de verschillende chemische bestanddelen in het monster. Vanwege de complexiteit van het monster veroorzaakt door de hoge massa en zuurstofgehalte, de oxygenatie producten doorgaans ongeschikt voor de traditionele analyse door gaschromatografie in combinatie met MS analyse 7, 8 uitgevoerd. Een alternatieve benadering is om de veranderingen in de chemische formule van het monster te karakteriseren door gebruik massaresolutie ultrahoge MS technieken (bijvoorbeeld FT-ICR MS ). Door het koppelen TIMS FT-ICR MS, naast de isobare scheiding in de MS domein, de ionenmobiliteitsspectrometrie (IMS) afmeting bepaalt de scheiding en karakteristieke informatie voor de verschillende isomeren in het monster 9, 10, 11. In combinatie met een atmosferische druk laserionisatie (APLI) bron, kan de analyse selectief de geconjugeerde moleculen in het monster, waarbij de veranderingen die het PAK ondergaan om accuraat kenmerk 12, 13.In dit werk beschrijven we een protocol voor de bereiding van LEWAFs blootgesteld aan foto-bestraling om de transformatieprocessen van de oliecomponenten bestuderen. We laten ook de veranderingen die optreden bij foto-bestraling en de procedure voor monstername. We zal eveneens het gebruik van APLI met TIMS combinatie met FT-ICR MS de PAK's in de LEWAF karakteriseren als functie van de blootstelling aan licht.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kritische stappen in het protocol
De chemische complexiteit van LEWAFs vereist nauwkeurige voorbereiding zodat de laboratoriumexperimenten nauwkeurig weergeven wat van nature voorkomt. Een geldige beoordeling van de gegevens hangt af van drie criteria: het minimaliseren van de introductie van artefacten hele monster hanteren (bijv, de voorbereiding van de LEWAF, bemonstering, extracties, en de voorbereiding van het monster voor analyse), het valideren van de experimentele protocol …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door het National Institute of Health (Grant No. R00GM106414 om FFL). Wij willen graag de Advanced Mass Spectrometry Facility van Florida International University erkennen voor hun steun.
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).
