Ham Petrol Su ağırladı Kesirler Kimyasal Analiz TIMS-FT-ICR MS kullanma dökülmelerini

Özet

Ham petrolün düşük enerjili su ağırladı fraksiyon (LEWAF) zamanla, bu kompleks bir karışımı kimyasal dönüşümler uğrar, çünkü analiz etmek zor bir sistemdir. Bu protokol, LEWAF numunenin hazırlanması için ve tuzağa iyon Hareketlilik Spektroskopisi-FT-ICR MS ile Foto-irradiyasyon ve kimyasal analizi için yöntemleri açıklar.

Özet

Birden fazla kimyasal süreçleri de mesai gerçekleşen kimyasal reaksiyonlar deniz suyu dahil ve nasıl ham petrol kontrol eder. Bu sistemi incelenmesi doğru doğada oluşan suda yerleştirilmiştir fraksiyonu doğal oluşumunu taklit etmek için, numunenin iyi hazırlanmasını gerektirir. Düşük enerjili su yerleştirilmiştir fraksiyonlar (LEWAF) dikkatli bir dizi oranında, ham petrol ve su karıştırılarak hazırlanmıştır. Aspiratör şişe daha sonra ışınlanır ve ayar zaman noktalarında, su örneklenmiş ve standart teknikler kullanılarak ekstre edilir. İkinci zorluk dikkate zamanla meydana gelen kimyasal değişiklikleri almalıdır numunenin, temsil karakterizasyonu olduğunu. LEWAF aromatik fraksiyonunun bir hedeflenen analiz özel yapılmış bir tuzak iyon Hareketlilik Spektroskopisi-Fourier dönüşümü iyon siklotron rezonans kütle spektrometresi (TIMS FT bağlanmış bir atmosferik basınçlı, lazer iyonizasyon kaynağı kullanılarak gerçekleştirilebilir-ICR MS). TIMS-FT-ICR MS analizi daha da çarpışma kesitler (CCS) ve kimyasal formülle izomerik bileşenlerin tanınmasını sağlayacak yüksek çözünürlüklü iyon hareketlilik ve ultra çözünürlüklü MS analizi sağlar. Sonuçlar yağ-su karışımı, ışığa maruz olduğu gibi, su içine yüzeyler önemli fotoğraf çözündürme olduğunu göstermektedir. Zaman içinde, çözündürülmüş moleküllerin kimyasal dönüşüm tipik olarak baz yağ gözlenmiştir daha büyük bir oksijen miktarı ile bu lehine nitrojen ve sülfür taşıyan türler kimlikleri sayısında bir azalma ile gerçekleşir.

Giriş

doğal nedenlerle ve insan kaynaklı maruz hem ham petrol çevresel maruziyetin çok sayıda kaynak vardır. çevreye salınması üzerine, özellikle de okyanusta ham petrol yüzeyi üzerinde bir yağ tabakasının oluşumu, atmosfere uçucu bileşenlerin kaybı ve çökelme ile bölümleme geçirebilmektedir. Bununla birlikte, klasik çözünür değildir az çözünen bir yağ ve meydana su ve bu karışımın, düşük enerjili karıştırma, düşük enerjili su yerleştirilmiştir fraksiyonu (LEWAF) olarak adlandırılan oluşturur. su içinde yağ bileşenlerinin çözündürme, tipik olarak güneş radyasyonuna yağ-su arayüzünün maruz kalma sırasında arttırılır. Okyanusta ham petrolün bu foto-çözündürme Enzimatik bozunma ^{1, 2,} güneş ışınlarına ve / veya Bunların ışığında önemli kimyasal değişiklikler maruz kalabilir. Bu kimyasal değişimleri anlamak ve onlar kütle matrisi (yani, ham petrol) varlığında meydana nasıl bu poz çevre üzerindeki etkilerini azaltmak için esastır.

Önceki çalışmalar ham petrol oksijenasyonu, organizmalar zarar biyo-birikim uğrar kontaminasyon son derece zehirli bir kaynak temsil özellikle polisiklik aromatik hidrokarbonlar (PAH), uğrar ve biyoaktif ^{3, 5, 6} olduğunu göstermiştir. sadece kütle matrisi varlığında meydana geldiği için, farklı oksijen işlemlerinin ürünlerine anlama zordur. Bu nedenle, tek bir standart analiz doğada meydana gelen değişikliklerin temsil olmayabilir. LEWAF hazırlanması çevre ortamda gerçekleşecek doğal süreçleri çoğaltmak gerekir. Özel ilgi konusu, güneş ışınlarına bağlı oluşur PAH oksijen vardır.

t "> su ağırladı fraksiyonunun çalışmada ikinci zorluk numunedeki farklı kimyasal bileşenlerin moleküler belirlenmesidir. sayesinde yüksek kütle ve oksijen derecesi nedeniyle numunenin karmaşıklığı, için, oksijenasyon ürünler tipik olarak, geleneksel analiz için uygun MS analizi ^{7, 8} ile birleştirilmiş gaz kromatografisi ile gerçekleştirilmiştir. alternatif bir yaklaşım (örneğin FT-ICR MS ultra yüksek kütle çözünürlüklü MS teknikleri kullanılarak numunenin kimyasal formülündeki karakterize etmek olan ). MS etki izobarik ayırma ek olarak, FT-ICR MS TIMS birleşerek, iyon hareketlilik spektroskopisi (IMS) boyutu örnek ^{9, 10, 11,} bu değişik izomer için ayırma ve karakteristik bilgileri içerir. atmosferik basınçta lazer ile birlikteiyonlaşma (APLI) kaynağı, analiz PAH için geçmesi değişiklikler doğru ^{13, 12,} özelliği sağlayan, numune içinde bulunan konjüge molekülleri seçici olabilir.

Bu çalışmada, yağ bileşenleri dönüşüm işlemlerini incelemek amacıyla Foto-irradiyasyon maruz LEWAFs hazırlanması için bir protokol açıklar. Ayrıca Foto-irradiyasyon üzerine meydana gelen değişimler, ve örnek çıkarılması için bir prosedürü gösterir. Ayrıca, ışığa maruz bir fonksiyonu olarak LEWAF PAH karakterize FT-ICR MS ile birlikte TIMS ile APLI kullanımını sunacaktır.

Protokol

Düşük enerjili su ağırladı Kesirler 1. Hazırlama (LEWAF)

1. Herhangi bir potansiyel kirletici maddelerin çıkarılması için metilen klorür ile şişe durulama temiz 2-L'lik bir aspiratör şişe.
2. Metilen klorür 50 mL şişe doldurmak kapatın ve 30 s için çalkalayın. Uygun atık kabı içine boşaltın. üç yıkamadan toplam tekrarlayın.
3. ışınlama maruz kalma ve bir kontrol numunesi olarak diğer şişe bir aspiratör şişesi kullanın (her mümkünse yinelenen setleri gerçekleştirmek).
4. 33 parça başına bin bir son tuzluluk için kullanılan su, 1 L başına deniz tuzu karışımının 35 g karıştırılarak yapay deniz suyu hazırlayın. altında az çözelti veya 0.45 um ya da daha küçük bir gözenek boyutu filtresi ile donatılmış bir süzme cihazı kullanılarak uçucu bileşiklerin kaybını önlemek için bir negatif basınç filtre.
5. tepe boşluğu bölgesinin ~% 20, ya da 400 mL bırakarak yapay deniz suyu ile aspiratör şişe doldurun.
6. 1 g yağ / L'lik bir mevcut konsantrasyonda bir gaz geçirmez şırınga kullanılarak ölçülmüş deniz suyu ham yağ ekleyin.
   NOT: Daha viskoz yağlar ağırlığının teslim edilmelidir.
7. yağ ilave edildikten sonra, karanlıkta (veya alüminyum folyo ile aspiratör şişe kapatılarak) izin vermek için bir girdap (yaklaşık 100 rpm) oluşturulmaksızın düşük hızda çalıştırılan bir karıştırıcı plaka kullanılarak 24 saat için çözümler karıştırın suda çözünen bileşenler solüsyon içine gitmesine ve parçacık yağı dahil önlemek için.

2. LEWAF Photo-ışınlama, Örnek Toplama ve Taşıma

1. Her fotoğraf ışınlama deney için şişe iki takım hazırlayın.
2. alüminyum folyo ile aspiratör şişe bir set Kapak; Bu karanlık denetim olacak.
3. Güneş ışınlayıcı donatılmış wi içinde 25 ° C arasındaki bir sıcaklıkta aspiratör şişe muhafaza edilmesi için bir sıcaklık kontrollü su banyosu kümesindeki aspiratör şişe yerleştirin765 W / m ^{2 'lik} ışık yoğunluğu 1.500 W ksenon ark lambası th.
4. İstenilen süre boyunca sürekli numune saçmak (bu deney 115 saat süren); Hiçbir maksimum süre yoktur.
5. belli zamanlarda sonra (bu deneyde 15, 24, 48 ve 115 saat) bir aspiratör şişesi Uncorking ve drenaj valfının açılmasıyla cam aspiratörün alt kısmından 150 mL su toplanır.
6. bir ayırma hunisi 2 dakika düzenli üfleme tıkacı önlemek için huni havalandırılması için örnek çalkalanarak metilen klorür, 50 mL'lik ilave metilen klorid ile, bir sıvı-sıvı özütleme gerçekleştirmek kullanılması.
7. Fazlar ayrılmaya ve huni stoper kaldırarak alt organik faz kaldırmak ve yavaş yavaş tahliye vanasını açmak için izin verin. SO ₄ Na ₂ 100 g ile dolu bir huni ile donatılmış bir düz dipli bir şişeye örnek boşaltın. increas için ekstre 3 kez yerine getirmek için ek metilen klorür ile huniyi durulayınekstraksiyon etkinliğini e.
   NOT: Birden fazla ekstraksiyon prosedürü ekstraksiyon etkinliğinin artırılması amacıyla yapılmaktadır.
8. , Huni kaldırmak bir Snyder sütun ekleyin ve 58 ° C olarak ayarlanmış bir sıcak su banyosu içinde düz dipli bir şişeye koyun. örnek 15 mL kalana kadar buharlaştırılmakta, daha.
9. Bir konsantre tüp içine örnek aktarın ve sıçramasına numunenin kaybını önlemek için dikkatli bir hafif bir azot akımı kullanılarak örnekleri kurutun.

Analiz için Numune 3. hazırlanması

NOT: analiz için örnek hazırlama anahtarıdır ve bakım özellikle numune içine liç neden olacak herhangi bir plastik, kullanımı yoluyla, yabancı kirleticilerin giriş önlemek için alınmalıdır.

1. 1 h: h metanol: toluen kullanılarak LC-MS optima dereceli solvenler 1 bir karışım hazırlayın.
2. , 100: bir pozitif yer değiştirme mikropipet kullanılarak, cam şişelere çözücü ekleme ve daha sonra 1 bir oranda örnekleri eklemeİlk çözücü 990 uL eklenmesi ve daha sonra örnek 10 mcL eklenerek.
   Not: Cam mikropipetler nedeniyle, metilen klorid ya da tolun için önlemek kurmaya çalışan kullanılır.
3. İsteğe bağlı: İyon hareketliliği kalibre etmek için ayarlama karışımı kullanın.
   Not: düzenli bir kalibrasyon standardı olarak kullanıldığı takdirde bir API kaynağı genellikle sızar. 1000 seyreltme: kalibrasyon iyonları spektrasında mevcut değilse, o zaman bir karışımı, bir 1 numuneye standart solüsyon bazı eklenerek hazırlanabilir.

4. Fourier Dönüşümü-İyon Cyclotron Rezonans Kütle Spektrometre (FT-ICR MS) Analizi

1. işletmek butonuna tıklayarak "İşlet" moduna cihazı ayarlayın.
2. Bir örnek şırınga içine örnek yükleyin.
3. API kaynak sekmesi altında, 200 uL / ​​saat hızında infüzyon hızını ayarlamak.
4. 1 bara nebulizatör basınç ve 300 ° C'ye kadar buharlaştırıcı sıcaklığı ayarlanır.
5. 1.2 Set kuru gaz oranıL / dakika ve 220 ° C sıcaklık.
   Not: Bu yordam Appi ve APCI her ikisine de uygulanabilir.
6. ayar düğmesini tıklayarak için "Dinle" mod aracı olarak ayarlayın. Bir spektrum ekranda görünmesi gerekir.
   Not: Gerekirse, gösterge, gerilimler, bir RF frekansları ve genlikleri olarak enstrümantal parametreler, değiştirerek analitlerin m / z aralığı iyon iletimi ve tespit artırmak için optimize edilebilir. kütle spektrometresi yeniden kalibre edilmesi gerektiğini unutmayın.
7. durdurma düğmesine tıklayarak "Dinle" modunu durdurmak.
8. kütle spektrumu başına 20-200 taramaları arasında genellikle, ortalama üzere taramalarının sayısını ayarlayın ve bir kütle spektrumu elde etmek için satın alma düğmesine basın.
   NOT: Birden fazla spektrumları Averaging gürültü azaltma ve düşük bolluk türlerinin ¹⁴ sinyalini arttırarak genel sinyal-gürültü oranını artırır.

5. Trapped iyon Hareketlilik Spectrometry (TIMS) Analizler

1. FT-ICR satın alma programı "Kromatografi" modunu etkinleştirin.
2. TIMS harici kesici üzerindeki anahtarı çevirerek "TIMS" modunu etkinleştirin.
   NOT: TIMS kullanılan gerilimler aletten dışarıdan kontrol edilir. İkinci yazılım IMS analizi gerçekleştirmek için cihazın giriş huni kontrol edecektir.
3. ek kaba pompa açın ve TIMS kontrol vanası kullanılarak, istenilen aralıkları giriş ve çıkış basıncını ayarlamak (bu deneyde, P1 1.4 mbar 2.8 mbar ve P2 ayarlandı).
   NOT: Harici pompa pompa sıcak olduğundan emin olmak için analizden önce birkaç saat açık olmalıdır ve gaz hızı değişiklikleri spektrumları hatalara neden olacağından bu performans, IMS analizi sırasında üniforma.
4. İlk IMS analizi gerçekleştirmek için gerekli olan voltaj aralığı belirlemek; bu bir de geniş bir voltaj aralığında hızlı, üstünkörü arama (250 V) ile yapılırDüşük IMS çözünürlük (1 V / çerçeve).
5. kullanılan gerilimler spektrum analiz için yeterli ise, o zaman bir daha yüksek çözünürlüklü analizi için TIMS ayarlayarak, deneyi tekrar. Bunu yapmak için, 0.1 V V / çerçeve azaltmak ve ΔV _rampanın tümünü kapsayacak şekilde kare sayısını değiştirin.
   NOT: Kullanıcı FT-ICR MS analizi öncesinde çarpışma hücre içine toplanır TIMS deney sayısını optimize etmeniz gerekebilir.

6. Veri Analizi

1. Bir veri analiz yazılımı MS verilerini açın.
2. 6 sinyal-gürültü üzerinde olanlar seçin ve "Peaks bul" işlevi kullanmak için tepe toplama kriterleri ayarlayın.
   NOT: Elde edilen spektrum içten çözeltide mevcut standartlar kullanılarak kalibre edilir. Bu kimyasal serisi tanımlamak için kullanılır ve daha sonra geniş menzilli element atama için doğruluğunu geliştirmek amacıyla tekrar yeniden kalibre edilir.
3. bir formül ata kullanarak element atama gerçekleştirmekalet veya yazılım ment.
   NOT: Formül H _1-100 N _0-2 O _0-7 S _0-2, tek ve çift elektron konfigürasyonları, izin verilen C _1-100 sınırları ve 0.5 ppm M ⁺ bir kitle hoşgörü ve [M + H] ⁺ iyonları oluşturan
4. Bir veri analiz yazılımı IMS-MS veri aktarmak ve tüm analitik aralığı için ortalama bir kütle spektrumu oluşturmak.
5. 6'nın sinyal-gürültü üzerinde seçin zirveleri. ultra yüksek çözünürlüklü MS analizi tespit edilmiştir dizi kullanılarak, dahili spektrumunu yeniden kalibre
6. FT-ICR MS analizinden formül tanımlamaları kullanarak, tüm hedef m / z listesini oluşturmak ve veri klasöründeki "Flist.txt" olarak bu kaydedin. Bu liste, veri işleme ilk aşamada kullanılacak
7. Yük ve listedeki her hedef, m / z için çıkarılan iyon kromatogram (ABM) elde etmek için verilen komut dosyasını çalıştırın.
8. girişine dosya yöneticisi python komut dosyasını değiştirinY, başlangıç gerilimi, aşama boyutu ve bu hedef analizi ^11'de adım sayısı.
9. IMS Dekonvolüsyonun komut dosyasını çalıştırın.
   Not: Bu, her ABM açın ve tekrarlamalı Gauss uydurma ile doruklarına belirleyecektir. Sonuçlar Excel dosya biçiminde ¹³ çıkış olacaktır.
   NOT: uydurma sonra, belli bir kriter altında zirveleri, dışlanır genellikle tepe yüksekliği, genişliği ve alana dayalı (belirli bir genişlikte altında zirveleri nedeniyle tipik rastgele gürültü başak analiz dışında tutulmuştur).
10. Ayar zirveleri kullanarak, iyonların ¹¹ hareketliliğin önündeki gerilim iyon hareketliliği kalibre. Bu Mason-Schamp eşitliğini kullanarak bir çarpışma kesiti dönüştürülebilir.

Sonuçlar

M / z ve TIMS bindirme voltaj göre iki boyutlu bir spektrumda TIMS-FT-ICR MS sonuçları LEWAF analizi. Kimyasal formüllerin dağılımı ve IMS (bakınız Şekil 1) tarafından tanımlanan izomer katkısıyla gözlemlenen farklı zaman noktalarında alınan örneklerin her biri, bu nedenle değişen kimyasal bileşime göre karakterize edilebilir. Tipik haliyle, m / z bilgileri analiz zirvelere element formüller atamak için kullanılabilir. APLI ku...

Tartışmalar

Protokol çerçevesinde kritik adımlar

LEWAFs kimyasal karmaşıklığı doğru doğal olarak oluşur neyi yansıtmak için laboratuvar deneyleri için sırayla doğru hazırlık gerektirir. Verilerin geçerli bir değerlendirme üç kritere menteşeleri: taşıma numune boyunca eserler giriş minimize (örneğin, analiz için numune LEWAF, örnekleme, çekimi ve hazırlık hazırlanması), deneysel protokol doğrulama (yani, koyu kontrollerini kullanarak foto-ışınlama den...

Malzemeler

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