Accurate Mass Analysis of Hydraulic Fracturing Waters: Identification of Polyethylene Glycol Surfactants by LC/Q-TOF-MS

Význam tématu

Detekce polyethylenglykolů v odpadních vodách z hydraulického štěpení je klíčová pro identifikaci kontaminace podzemních i povrchových vod. PEGy slouží jako spolehlivé indikátory přítomnosti frakčních tekutin neobsahujících se běžně v přírodních podmínkách, což usnadňuje rychlou odezvu na environmentální rizika.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem studie bylo vyvinout a demonstrovat rychlou metodu pro rozpoznání a charakterizaci komplexních směsí PEG surfaktantů ve vratných vodách z frackingu. Kombinací UHPLC separace a vysoce přesné Q-TOF hmotnostní spektrometrie autoři vytvořili databázi přesných hmotností a retenčních časů pro více než 40 řetězců PEG a jejich aduktů.

Použitá metodika a instrumentace

Metoda byla založena na ultra vysokovýkonném kapalinovém chromatografu Agilent 1290 Infinity LC spojeném s Agilent 6540 UHD Accurate-Mass Q-TOF MS

• Kolona ZORBAX Eclipse XDB-C8 4,6×150 mm 3,5 μm při 25 °C
• Mobilní fáze A 0,1 % kyseliny mravenčí ve vodě, B acetonitril, gradient 10 % B na 100 % B za 25 minut, průtok 0,6 mL/min
• MS ESI pozitivní režim, rozsah m/z 50–1000, rozlišovací schopnost 30 000 při m/z 1522
• Referenční kalibrace v reálném čase s purinem a HP-921

Hlavní výsledky a diskuse

Chromatogram odhalil bimodální rozdělení polymerních šarží s polární zónou eluce 4–12 minut a méně polární zónou 12–14 minut. Rozdíly m/z mezi sousedními řetězci činily průměrně 44,0266, odpovídající jednotce CH2CH2O. Aplikace Kendrickovy hmotnostní škály umožnila snadnou diferenciaci protonových, sodíkových a amonných aduktů a potvrzení řetězcové struktury MS/MS fragmenty s.lossy po 44,026 u.

Přínosy a praktické využití metody

Rychlá identifikace více než 40 PEG sloučenin včetně jejich aduktů během dvou minut počítačového zpracování zajišťuje efektivní monitoring frakčních operací. Vytvořená databáze podporuje rutinní screening vodních vzorků a usnadňuje regulaci a ochranu zdrojů pitné vody.

Budoucí trendy a možnosti využití

Metoda je perspektivní pro rozšíření na další typy etoxylovaných surfaktantů a kontaminantů. Očekává se automatizace zpracování dat, integrace s novými databázemi a nasazení v terénních mobilních laboratořích pro okamžitý screening.

Závěr

Kombinace UHPLC a vysoce přesné Q-TOF MS spolu s Kendrickovou hmotnostní škálou představuje výkonný nástroj pro rychlou a spolehlivou identifikaci PEG surfaktantů ve frakčních vodách. Postavená databáze usnadňuje opakovatelné a rychlé analýzy s minimem lidské intervence.

Reference

• 1. D M Kargbo R G Wilhelm D J Campbell Natural gas plays in the Marcellus Shale Challenges and potential opportunities Environ Sci Technol 44 5679-5684 2010
• 2. E M Thurman I Ferrer J Blotevogel T Borch Analysis of hydraulic fracturing flowback and produced waters using accurate mass identification of ethoxylated surfactants Anal Chem 86 9653-9661 2014
• 3. E Kendrick A mass scale based on CH2 14.0000 for high resolution mass spectrometry of organic compounds Anal Chem 35 2146-2154 1963
• 4. I Ferrer E T Furlong E M Thurman Liquid Chromatography Mass Spectrometry MSMS and Time of Flight MS Analysis of Emerging Contaminants Ferrer I Thurman E M Eds ACS Symposium Series 850 American Chemical Society Washington DC pp 376-393