Gas chromatography coupled to high resolution time-of-flight mass spectrometry as a high-throughput tool for characterizing geochemical biomarkers in sediments

FAPESP - FUNDAÇÃO DE AMPARO À PESQUISA DO ESTADO DE SÃO PAULOThe performance of gas chromatography coupled to high-resolution time-of-flight mass spectrometry (GC-HRTofMS) for characterizing geochemical biomarkers from sediment samples was evaluated. Two approaches to obtain the geochemical biomarkers were tested:2018FAPESP - FUNDAÇÃO DE AMPARO À PESQUISA DO ESTADO DE SÃO PAULOFAPESP - FUNDAÇÃO DE AMPARO À PESQUISA DO ESTADO DE SÃO PAULO2012/21395-0The authors would like to thank FAPESP (scholarship 2012/21395-0) for sponsoring this stud

Application of ultra high resolution mass spectrometry and ion mobility mass spectrometry in organic geochemistry

Orientador: Marcos Nogueira EberlinTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de QuímicaResumo: O petróleo é uma mistura complexa, constituída de milhares de compostos e sua caracterização é fundamental em diversos processos da indústria petrolífera. A abordagem moderna para a caracterização total dos compostos polares (N, O, S) do petróleo é através da petroleômica, utilizando a espectrometria de massas de altíssima resolução e exatidão obtida em espectrômetros de ressonância ciclotrônica de íons com análise por transformada de Fourier (FT-ICR MS). FT-ICR MS é o equipamento ideal para estas análises, no entanto a literatura carece de informações quanto a otimização do número de scans e do efeito da resolução na análise petroleômica. Determinamos como condições ideais para a análise destas amostras de altíssima complexidade a obtenção de espectros de MS com poder de resolução de 400.000 em m/z 400 e acúmulo de 100 mscans. Foram analisados também os compostos polares presentes em outras fontes de combustíveis fósseis, como carvão mineral e folhelho. Os resultados mostraram padrões distintos em relação à origem do material e possivelmente ao grau de evolução térmica. Comparamos a análise por FT-ICR MS dos ácidos carboxílicos de amostras de petróleo com os resultados das análise de frações ácidas por FAB MS obtidas no CENPES . PETROBRAS, mostrando que as análises por FT-ICR MS apresentam resultados superiores na identificação da distribuição de DBE sendo que por FAB MS não temos informações relativas a DBE superior a 7. A análise abrangente da composição de ácidos do petróleo é de extrema importância com conta da corrosão e formação de depósitos e emulsões, dependentes da composição destes ácidos. Comparamos alguns resultados da análise por FT-ICR MS com TOF MS (UHRT) de altíssima resolução, 100.000. Os resultados obtidos com UHRT MS estão próximos as análises por FT-ICR MS com 200.000 de resolução em m/z 400. Obtivemos a identificação de boa parte das classes de heteroátomos úteis nas análises petroleômicas. Analisamos por Travelling Wave Ion Mobility Mass Spectrometry (TWIM MS) padrões de ácidos, destilados e amostras de petróleo. Os resultados obtidos mostraram uma tendência da redução do drift time com o aumento da DBE dos analitos. As amostras de petróleo também revelaram perfis distintos para diferentes faixas de drift time, sendo possível diferenciar classes de compostos polares (O2, N e NO). Os resultados obtidos mostraram o grande potencial da análise por FT-ICR MS e UHRT MS, complementados pela análise estrutural fornecida pela mobilidade iônica com o uso da TWIM MS.Abstract: Crude oil is a complex mixture consisting of thousands of compounds and their characterization is essential in various processes of the petroleum industry. The modern approach to the characterization of total polar compounds (N, O, S) of oil is through petroleomics MS, using the ultra-high resolution mass spectrometry and accuracy obtained in ion cyclotron resonance spectrometers with analysis by Fourier transform (FT-ICR MS). FT-ICR MS is the ideal equipment for these analyses, however the literature lacks information about the optimization of scan number and the effect of resolving power in the petroleomic analysis. We determine the ideal conditions for the analysis of these samples of high complexity getting MS spectra with resolving power of 400,000 in m/z 400 and accumulation of 100 mscans. Polar compounds in crude oil, and other sources of fossil fuels such coal and shale were analyzed. The results showed distinct patterns in relation to the origin of the material and possibly the degree of thermal evolution. We compare the performance of FT-ICR MS with FAB MS in the analysis of carboxylic acids composition of crude oil samples. Analyses by FT-ICR MS feature superior results in identifying the distribution of DBE. FAB MS does not have information on DBE exceeding 7. Comprehensive analysis of the composition of crude oil acids is of extreme importance with account of corrosion and formation of deposits and emulsions, dependent on the composition of these acids. We compare some results of the analysis by FT-ICR MS with ultra-high resolution TOF MS (UHRT) with 100,000 of resolving power. The results obtained with UHRT MS are equivalent to the FT-ICR MS with 200,000 resolving power at m/z 400. We obtained the identification of most of the classes of heteroatoms useful in petroleomic analysis and the results show that UHRT performance is near to FTICR. Traveling Wave Ion Mobility Mass Spectrometry (TWIM MS) show good results to study the patterns of ion mobility of acid samples, distillates cuts and crude oil samples. The results showed a trend of reducing the drift time with increasing DBE of the analytes. The crude oil samples also revealed different drift time profiles for different classes of polar compounds (O2, N, and NO). The results obtained show the great potential of FT-ICR MS and UHRT MS analysis, complemented by structural analysis provided by ion mobility with the use of TWIM MS, of distillate cuts and crude oil samples.DoutoradoQuimica OrganicaDoutor em Ciência

Ecologia quimica e coevolução na interface Traidini (Papilionidae)/ Aristolochia (Aristolochiaceae)

Orientador : Keith S. Brown JrDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de BiologiaResumo: Desde a formulação da hipótese de coevolução entre plantas e borboletas por Ehrlich e Raven em 1964 poucos trabalhos têm demonstrado a sua existéncia no sentido estrito. evidenciando-se geralmente o fenomeno de colonização. O objetivo deste trabalho é estudar as interações entre um qrupo restrito de borboletas (Troidini) e suas únicas plantas de alimento larval (Aristolochia) com respeito a mediação quimica na utilização das plantas hospedeiras pelas larvas. Para isto foram criadas larvas de diferentes espécies de Troidini em diferentes espécies de (Aristolochia) encontradas na região sudeste brasileira. Com estes dados e informações da literatura foi possivel estabelecer a utilização e preferência por cada espécie vegetal por cada espécie de Troidini. A análise quimica de 11 espécies de Aristolochia mostrou a existéncia de três classes de compostos secundários mais abundantes: ácidos aristoloquicos (nitrofenantrenos), ácidos labdanóicos (diterpenos) e alcaloides (não identificados neste trabalho). A presença e ausência destes compostos permitiu a reunião destas espécies em três grupos que são utilizados diferentemente pelos Troidini. A análise quimica de 17 espécies de Troidini mostrou a presença de ácidos aristolóquicos e alcaloides. Surpreendentemente larvas de B. polydamas criadas em A. Galeata, uma especie sem acidos aristolóquicos nas folhas, apresentaram estes compostos indicando a possibilidade de sua biossintese pelas larvas. Esta especie só empupou em A. Galeata com o acréscimo de ácidos aristolóquicos. Isto indica a necessidade destes compostos para o total desenvolvimento das larvas nesta planta. Na natureza é possivel observar larvas comendo outras partes da planta que contém estes compostos tais como ramos, flores e frutos. Os ácidos labdanóicos apresentaram efeito fagoinibidor nas espécies testadas sendo que P. neophilus e B. polydamas são menos sensiveis a estes compostos. Estas duas espécies também apresentaram aumento de consumo na presença de AAs. o que indica um efeito fagoestimulante desdes compostos. Algumas frações neutras polares também apresentaram atividade fagoinibidora. Estes resultados permitem a reformulação da hipótese de coevolução entre dois grupos por Brown et. al. (1991a)Abstract: Since Ehrlich and Raven's paper on butterflv plant coevolution (1964) few works have shown the existence of this phenomenon; generally, colonization seems responsible for present patterns of insect/plant relationships. The object of this work is the studv of chemical ecology of the Troidini/Aristolochia interface: a restricted group of herbivores specialized on a single small plant family. Larvae of many species of Troidini reared on different SE Brazilian Aristolochia species showed a variable specificity and preference in these relationships. Chemical analysis Df 11 Aristolochia species indicated three principal classes of secondary compounds: aristolochic acids (nitrophenanthrenes), labdanoic acids (diterpenes) and alkaloids. The presence or absence of these compounds permitted the division of the Aristolochia species into three groups, differentially used by Troidini species. Chemical analysis of 17 Troidini species showed the presence of aristolochic acids and alkaloids. Aristolochi acids were present in B. polydamas larvae reared on leaves of A. galeata (without these compounds) indicating the possible biosynthesis of these compounds. Larvae of B. polydamas reared on leaves of A. galeata pupated successfully only when aristolochic acids were aded in the diet, indicating that they are necessary to complete development; in nature they feed on stems, flowers or fruits which centain these compounds. Labdanoic acids have antifeedant effect on the larvae of many Troidini species: P. neophilus and B. polydamas (polyphagous species) are more tolerant of these compounds, and show stimulation of feeding by aristolochic acids. Some polar neutral fractions (glycosides?) also showed antifeedant activity. The results of the present stucly lead to a revision of the coevolutionary hypothesis at this interface, proposed by Brown et. al. (1991a)MestradoEcologiaMestre em Ciências Biológica

Gas Chromatography Coupled to High Resolution Time-of-Flight Mass Spectrometry as a High-Throughput Tool for Characterizing Geochemical Biomarkers in Sediments

The performance of gas chromatography coupled to high-resolution time-of-flight mass spectrometry (GC-HRTofMS) for characterizing geochemical biomarkers from sediment samples was evaluated. Two approaches to obtain the geochemical biomarkers were tested: (1) extraction with organic solvent and subsequent derivatization and (2) in-situ derivatization thermal desorption. Results demonstrated that both approaches can be conveniently applied for simultaneous characterization of many geochemical biomarkers (alkanes, alkanols, sterols, and fatty acids), avoiding conventional time-consuming purification procedures. GC-HRTofMS reduces both sample preparation time and the number of chromatographic runs compared to traditional methodologies used in organic geochemistry. Particularly, the approach based on in-situ derivatization thermal desorption represents a very simple method that can be performed in-line employing few milligrams of sediment, eliminating the need for any sample preparation and solvent use. The high resolving power (m/Δm50% 25,000) and high mass accuracy (error ≤ 1 ppm) offered by the “zig-zag” time-of-flight analyzer were indispensable to resolve the complexity of the total ion chromatograms, representing a high-throughput tool. Extracted ion chromatograms using exact m/z were useful to eliminate many isobaric interferences and to increase significantly the signal to noise ratio. Characteristic fragment ions allowed the identification of homologous series, such as alkanes, alkanols, fatty acids, and sterols. Polycyclic aromatic hydrocarbons were also identified in the samples by their molecular ions. The characterization of geochemical biomarkers along a sedimentary core collected in the area of Valo Grande Channel (Cananéia-Iguape Estuarine-Lagunar System (São Paulo, Brazil)) provided evidences of environmental changes. Sediments deposited before opening of channel showed dominance of biomarkers from mangrove vegetation, whereas sediments of the pos-opening period showed an increase of biomarkers from aquatic macrophyte (an invasive vegetation)