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

1. إعداد الكسور-استيعاب المياه منخفضة الطاقة (LEWAF)

1. نظيفة زجاجات الشافطة 2-L وذلك بدهن زجاجات مع كلوريد الميثيلين من أجل إزالة أي ملوثات المحتملة.
2. ملء الزجاجات مع 50 مل من كلوريد الميثيلين، إغلاقها، وتستنهض الهمم لمدة 30 ثانية. استنزاف لهم في حاوية النفايات المناسبة. كرر ما مجموعه ثلاثة يغسل.
3. استخدام زجاجة الشافطة واحد للالتعرض التشعيع وزجاجة أخرى كعينة مراقبة (أداء مجموعات مكررة من بعضها إن أمكن).
4. إعداد مياه البحر الاصطناعي عن طريق مزج 35 غراما من ملح البحر خليط لكل 1 لتر من المياه المستخدمة لملوحة النهائية من 33 أجزاء لكل ألف. تصفية حل تحت ضئيلة أو معدومة الضغط السلبي لمنع فقدان المتطايرة باستخدام جهاز الترشيح مجهزة مرشح حجم المسام 0.45 ميكرون أو أصغر.
5. ملء الزجاجات الشافطة مع مياه البحر الاصطناعي، وترك ~ 20٪، أو 400 مل من فراغ الرأس.
6. إضافة الزيت الخام إلى مياه البحر premeasured باستخدام حقنة الغاز محكم بتركيز الاسمي للنفط 1 جم / لتر.
   ملاحظة: يجب أن يتم تسليم أكثر الزيوت اللزجة من حيث الوزن.
7. بعد إضافة زيت، مزج الحلول لمدة 24 ساعة في الظلام (أو من خلال تغطية زجاجات الشافطة مع رقائق الألومنيوم) باستخدام لوحة اثارة تعمل على سرعة منخفضة دون توليد دوامة (حوالي 100 دورة في الدقيقة) من أجل السماح لل جميع المكونات للذوبان في الماء للذهاب الى حل وتجنب إدراج النفط الجسيمات.

2. LEWAF صور-التشعيع، جمع العينات، والمناولة

1. إعداد مجموعتين من زجاجات لكل تجربة الصور التشعيع.
2. تغطية مجموعة واحدة من الزجاجات الشافطة بورق الألمنيوم. هذا سيكون معتم.
3. وضع زجاجات الشافطة في مجموعة حمام المياه التي تسيطر عليها درجة الحرارة للحفاظ على زجاجات الشافطة عند درجة حرارة 25 درجة مئوية داخل irradiator مجهزة واي الشمسيةث مصباح قوس زينون 1500-W في شدة الضوء من 765 واط / م ^2.
4. أشرق عينات باستمرار للمرة المطلوبة (هذه التجربة استمرت 115 ساعة)؛ لا يوجد الحد الأقصى للوقت.
5. بعد أوقات معينة، (15، 24، 48، و 115 ساعة في هذه التجربة) جمع 150 مل من الماء من أسفل الشافطة الزجاج بواسطة uncorking زجاجة الشافطة وفتح صمام استنزاف.
6. الاستفادة من قمع فصل إجراء استخراج السائل السائل مع كلوريد الميثيلين وذلك بإضافة 50 مليلتر مأخوذة من كلوريد الميثيلين، والهز العينة لمدة 2 دقيقة التنفيس بانتظام قمع لتجنب سدادة من تهب قبالة.
7. السماح للمراحل لفصل، وإزالة المرحلة العضوية أسفل عن طريق إزالة سدادة من قمع وببطء فتح صمام استنزاف. استنزاف العينة إلى قارورة مسطحة القاع مجهزة قمع مليئة 100 غرام من نا ₂ SO _4. شطف قمع مع كلوريد الميثيلين إضافي نفذ استخراج 3 مرات من أجل الزيادهالبريد كفاءة الاستخراج.
   ملاحظة: يتم تنفيذ عمليات الاستخراج متعددة من أجل زيادة كفاءة استخراج الإجراء.
8. إزالة القمع، إضافة عمود سنايدر ووضع قارورة مسطحة القاع في حمام الماء الساخن لتعيين 58 درجة مئوية. تتبخر حتى يبقى 15 مل من العينة.
9. نقل العينة إلى أنبوب التركيز وتجفيف العينات باستخدام تيار لطيف من النيتروجين الحذر لتجنب فقدان العينة عن طريق الرش.

3. إعداد نموذج لتحليل

ملاحظة: إعداد عينة للتحليل هو مفتاح الحل، ويجب توخي الحذر لتجنب إدخال الملوثات الخارجية، لا سيما من خلال استخدام أي البلاستيك، والتي سوف تسبب الرشح في العينة.

1. تحضير خليط من 1: 1 الخامس: • الميثانول: التولوين استخدام LC-MS أوبتيما الصف المذيبات.
2. باستخدام micropipette إيجابي التشريد، إضافة مذيب للقوارير زجاجية ثم قم بإضافة العينات عند نسبة 1: 100،أولا بإضافة 990 ميكرولتر من المذيبات وثم بإضافة 10 ميكرولتر من العينة.
   ملاحظة: تستخدم بال micropipettes الزجاج في الإمتصاص أجل تجنب بسبب كلوريد الميثيلين أو التولوين.
3. اختياري: استخدام مزيج ضبط لمعايرة التنقل أيون.
   ملاحظة: سوف مصدر API في كثير من الأحيان ليتش إذا تم استخدامه بانتظام كمعيار المعايرة. التخفيف 1000: إذا أيونات المعايرة ليست موجودة في أطياف، ثم خليط يمكن من خلال إضافة بعض الحلول القياسية لعينة في 1 إعدادها.

4. تحويل فورييه ايون السيكلوترون الرنين الطيف الكتلي (FT-ICR MS) تحليل

1. تعيين أداة لوضع "التشغيل" عن طريق النقر على زر التشغيل.
2. تحميل العينة إلى حقنة العينة.
3. تحت علامة التبويب مصدر API، تعيين معدل التسريب في 200 ميكرولتر / معدل ح.
4. ضبط ضغط البخاخات إلى 1 بار ودرجة حرارة المرذاذ إلى 300 درجة مئوية.
5. تعيين نسبة الغاز الجاف إلى 1.2لتر / دقيقة ودرجة الحرارة إلى 220 درجة مئوية.
   ملاحظة: هذا الإجراء ينطبق على كل من APPI وAPCI.
6. تعيين أداة ل"اللحن" عن طريق النقر على زر النغمة. يجب أن يظهر الطيف على الشاشة.
   ملاحظة: إذا لزم الأمر، قد يكون الأمثل الصك من أجل تحسين انتقال الأيونات وكشف في نطاق م / ض من التحاليل عن طريق تغيير معالم مفيدة، مثل الفولتية، الترددات اللاسلكية، وسعة. لاحظ أن مطياف الكتلة سوف تحتاج إلى تعديلها.
7. وقف الوضع "اللحن" عن طريق النقر على زر التوقف.
8. تعيين عدد من المسح أن يبلغ متوسط، وعادة ما بين 20-200 بالاشعة في الطيف الكتلي، والضغط على زر الشراء للحصول على الطيف الكتلي.
   ملاحظة: متوسط أطياف متعددة يحسن نسبة الشاملة إشارة إلى الضوضاء عن طريق تقليل الضوضاء وزيادة إشارة الأنواع وفرة منخفضة ^14.

5. المحاصرين ايون التنقل SPECTRometry (تيمس) تحليل

1. تمكين "اللوني" وضع على برنامج شراء FT-مجلس النواب.
2. تمكين وضع "تيمس" من خلال تحويل التبديل على قاطع خارجي لTIMS.
   يتم التحكم في الفولتية المستخدمة في TIMS خارجيا من الصك: ملاحظة. وهناك برامج الثاني السيطرة على قمع مدخل أداة لإجراء تحليل IMS.
3. بدوره على مضخة التخشين التكميلية و، وذلك باستخدام صمام السيطرة على TIMS، وضبط الضغوط مدخل ومخرج لنطاقات المطلوبة (في هذه التجربة، تم تعيين P1 إلى 2.8 مللي بار و P2 إلى 1.4 ملي بار).
   ملاحظة: يجب أن تتحول مضخة الخارجية على بضع ساعات قبل تحليل للتأكد من أن مضخة دافئة وأن أداء الجيش خلال تحليل IMS، منذ التغيرات في سرعة الغاز سوف يسبب أخطاء في الأطياف.
4. أولا التعرف على مدى الجهد المطلوب لإجراء تحليل IMS. يتم ذلك مع سريعة والبحث السريع على نطاق واسع الجهد (250 فولت) فيدقة منخفضة IMS (1 V / الإطار).
5. إذا كانت الفولتية المستخدمة هي كافية لتحليل الطيف كله، ثم كرر التجربة، وتعديل TIMS لتحليل دقة أعلى. للقيام بذلك، وانخفاض V / الإطار إلى 0.1 V وتغيير عدد من الإطارات لتغطية كل من _منحدر ΔV.
   ملاحظة: قد يحتاج المستخدم إلى تحسين عدد من التجارب TIMS التي تراكمت في الخلية الاصطدام السابقة للتحليل FT-ICR MS.

تحليل 6. البيانات

1. فتح البيانات MS في برنامج تحليل البيانات.
2. تعيين معايير اختيار الذروة لتحديد تلك المذكورة أعلاه 6 الإشارة إلى الضوضاء واستخدام وظيفة "البحث قمم".
   ملاحظة: الطيف الناتج هو معايرة داخليا باستخدام المعايير الحالية في الحل. هذا وتستخدم لتحديد سلسلة كيميائية ومن ثم يتم تعديلها مرة أخرى من أجل تحسين دقة لاحالة عنصري المدى الواسع.
3. أداء المهمة الأولي باستخدام إسناد صيغةمنة أدوات أو برامج.
   ملاحظة: حدود صيغة C _1-100 يسمح H _1-100 N _0-2 O _0-7 S _0-2، تكوينات غريبة وحتى الإلكترون، والتسامح الشامل من 0.5 جزء في المليون M ⁺ و[M + H] ⁺ أشكال أيونات
4. استيراد البيانات IMS-MS إلى برامج تحليل البيانات وتوليد متوسط ​​الطيف الشامل لمجموعة التحليلي كله.
5. حدد فوق القمم 6 الإشارة إلى الضوضاء. باستخدام هذه السلسلة التي تم تحديدها في تحليل MS الفائق الدقة، إعادة تقويم داخليا الطيف
6. باستخدام هويات صيغة من التحليل FT-ICR MS، وتوليد قائمة بجميع الهدف م / ض، وحفظ هذا بأنه "Flist.txt" في مجلد البيانات. وسوف تستخدم هذه القائمة في الخطوة الأولى من معالجة البيانات
7. تحميل وتشغيل البرنامج النصي المقدمة من أجل استخراج اللوني ايون المستخرج (EIC) لكل هدف م / ض في القائمة.
8. تعديل البرنامج النصي الثعبان لإدخال مدير ملفذ، والجهد انطلاق، حجم الخطوة، وعدد من الخطوات في هذا التحليل الهدف ^11.
9. تشغيل البرنامج النصي deconvolution IMS.
   ملاحظة: سيتم فتح كل EIC وتحديد القمم التي كتبها المناسب جاوس تكرارية. النتائج سوف يكون الناتج في شكل ملف Excel ^13.
   ملاحظة: بعد تركيب، يتم استبعاد قمم أقل من معيار معين، وعادة على أساس الطول والعرض، ومنطقة الذروة (عادة ما يتم استبعاد قمم أقل من عرض معين من التحليل بسبب ارتفاع الضوضاء العشوائية).
10. الاستفادة من قمم ضبط، معايرة التنقل أيون من الجهد في التنقل لأيونات ^11. هذا يمكن أن يكون تم تحويله إلى المقطع العرضي الاصطدام باستخدام المعادلة ماسون Schamp.

النتائج

تحليل LEWAF من النتائج TIMS-FT-ICR MS في مجموعة ثنائية الأبعاد على أساس م / ض وTIMS محاصرة التيار الكهربائي. كل من العينات، التي اتخذت في نقاط زمنية مختلفة، ولذلك يمكن وصفها على أساس التركيب الكيميائي تغيير، كما لوحظ من خلال توزيع الصيغ الكيميائية والمساه...

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 ...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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