Development of Paper-based Spray Ionization Mass Spectrometry for Characterizing Spilled Oil and Humic Substance : 유출유와 부식물질의 특성 파악을 위한 종이 기반 분무 이온화법 개발

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

High resolution mass spectrometry (HRMS) is one of the most powerful analytical techniques that can analyze complex environmental samples such as crude oil and humic substance (HS), providing information on the chemical composition and structures based on the molecular weight. For successful MS analysis, it is necessary to select a suitable ionization technique depending on the sample properties. Electrospray ionization (ESI), atmospheric pressure photoionization (APPI), and atmospheric pressure chemical ionization (APCI) are commonly used ionization techniques. ESI is useful to detect polar analytes whereas APPI and APCI are used to analyze less or non-polar compounds. Even though these techniques are very useful, they are limited in certain cases. When only low volumes of sample are available or samples are contaminated, these methods cannot be applied directly.
Recently, a variety of ambient ionization techniques such as desorption electrospray ionization (DESI), direct analysis in real time (DART), and paper spray ionization (PSI) have been developed to complement these drawbacks and applied to various research fields. Among them, paper-based spray ionization methods are fast and convenient ionization techniques for the direct analysis of various types of compounds. Paper spray ionization (PSI) is mainly used to detect polar analytes (similar to ESI) and paper spray chemical ionization (PSCI) can be applied to study less polar compounds (similar to APPI or APCI).
In this work, we identified the advantages of paper-based spray ionization usage for environmental sample analysis and used to characterize spilled oil and humic substance. In the first part, PSI was utilized to analyze the spilled oils. PSI showed the increased salt tolerance compared to ESI. It can be very useful to analyze the oil spilled at sea because there is no need to carry out sample pretreatment processes such as solid phase extraction (SPE) to reduce the salt in samples. Besides, PSI showed the good quantitative nature for spilled oil analysis. We identified the compositional changes of spilled oils depending on the degree of degradation in molecular levels. The regression model was built to estimate the degree of oxidation of spilled oils for oil spill forensics by the molecular level information.
In the second part, a newly developed paper spray chemical ionization (PSCI) was introduced and the characteristics of PSCI were determined. PSCI is based on PSI utilizing corona discharge phenomenon. PSCI differs from PSI because PSCI preferentially ionize the non- or less polar compound. PSCI can sensitively and quantitatively detect down to picogram levels of samples and it works well in both positive ion mode and negative ion mode.
In the third part, the mechanism of PSCI was studied. Images of corona dicharge were obtained using an intensified charge-coupled device (ICCD) camera and the mechanism behind the generation of corona discharge in PSCI was proposed based on back discharge.
In the fourth part, both PSI and PSCI were optimized and applied to characterize humic substances (HS). Ethanol and hexane/dichloromethane (50:50, v/v) solution were selected the most suitable spray solvent for HS analysis utilizing PSI and PSCI, respectively. PSI mainly ionized the oxygen-rich compounds in HS but oxygen-poor compounds were abundantly detected in PSCI. Compared to the ESI data, total 526 and 880 unique compounds were identified in PSI and PSCI.
In this study, we developed the PSCI and applied PSI and PSCI to the characterization of spilled oil and humic substance. PSI yielded similar results with ESI in ionizing selectivity, but PSI showed increased salt tolerance and high sensitivity enough to analyze as little as a few μg of oil or humic samples. PSCI provided quite different outcomes compared to both PSI and ESI. PSCI preferentially ionized less-polar compound like APPI and APCI. Both PSI and PSCI showed good quantitative natures and the combination of PSI and PSCI can provide more comprehensive molecular information on analytes. Therefore, PSI, PSCI can be one of the effective ionization methods in analyzing environmental samples.

국문 초록 (Abstract)

고분해능 질량분석학은 원유나 부식물질과 같은 복잡한 환경 시료를 분석할 수 있는 가장 효과적인 분석 방법 중 하나이다. 질량분석법을 통해 측정된 분자량에 근거하여 분석물질의 화학조성과 구조에 대한 정보를 얻을 수 있다. 질량분석법을 활용한 분석에는 시료의 특성에 맞는 적절한 이온화 방법을 선택하는 일이 매우 중요하다. 전기 분무 이온화 (ESI), 대기압 광이온화 (APPI), 대기압 화학 이온화 (APCI)는 질량분석학에서 가장 일반적으로 사용되는 이온화 방법이다. 전기 분무 이온화는 극성물질의 검출에 유용하며, 대기압 광이온화와 대기압 화학 이온화는 극성이 낮거나 또는 무극성 물질의 분석에 사용된다. 이러한 이온화 방법이 매우 유용함에도 불구하고 특정 조건에서 제약이 따른다. 예를 들어, 분석하려는 시료의 양이 매우 적거나 외부 환경에서 오염이 되었을 경우 이 이온화방법들은 바로 적용할 수 없다.
이러한 단점들을 보완하기 위해 최근 desorption electrospray ionization (DESI), direct analysis in real time (DART), paper spray ionization (PSI)와 같은 새로운 ambient ionization 방법들이 개발되어 여러 분야에 적용되고 있다. 그중, 종이 기반 분무 이온화 방법은 다양한 종류의 물질을 직접적으로 분석할 수 있는 빠르고 편리한 이온화 방법이다. 종이 분무 이온화 (PSI)는 ESI와 유사하게 극성 물질의 검출에 주로 사용되며, 종이 분무 화학 이온화 (PSCI)는 APPI 또는 APCI와 같이 극성이 낮은 물질 연구에 사용된다.
본 연구에서는 환경 시료의 분석에 있어 종이 기반 분무 이온화 방법들의 장점을 확인하고, 종이 기반 분무 이온화법을 유출유와 부식물질을 특성화하는 연구에 적용하였다. 첫 번째 파트에서는 종이 분무 이온화를 활용하여 유출유 분석에 있어 종이 기반 분무 이온화 방법의 장점 및 유출유의 산화 정도에 따른 성분 변화를 분자레벨에서 확인하였다. ESI와 비교했을 때, PSI는 염에 대해 더 높은 저항성을 보여주었는데 이는 바다에 유출되어 염분에 오염된 유류의 분석 시 solid phase extraction과 같은 특별한 전처리 없이 빠른 분석이 가능하다는 장점이 된다. 그리고 유출유를 사용한 정량분석에서 좋은 정량성을 보여주었으며, 분자레벨에서의 변화를 통해 유출유의 산화 정도를 파악하여 oil spill forensics에 활용하기 위한 regression model을 만들었다.
두 번째 파트에서는 본 연구를 통해 새롭게 개발된 종이 분무 화학 이온화 (PSCI)의 특징에 대해 다루었다. PSCI의 경우 PSI를 변형하여 개발된 이온화 방법으로 코로나 방전을 활용하여 극성이 낮은 물질을 분석할 수 있는 점에서 극성물질의 검출에 사용되는 PSI와 차이가 있다. 기존의 극성이 낮은 물질의 검출에 사용되어왔던 APPI나 APCI의 경우 원유 분석을 위해 mg 단위의 시료가 필요하지만 PSCI의 경우 수십 μg으로도 분석이 가능하였다. 순물질의 경우 picogram 수준의 시료도 분석이 가능하였으며 표준물질을 활용한 정량실험에서 좋은 정량성을 보여주었다. 또한, positive ion mode와 negative ion mode 모두에서 잘 작동함을 확인하였다.
세 번째 파트에서는 앞서 개발된 PSCI의 메커니즘을 확인하기 위한 연구를 수행하였다. 암실에서 ICCD 이미지를 통해 코로나 방전을 가시적으로 확인할 수 있었으며 문헌 조사를 통해 “back discharge”를 PSCI의 메커니즘으로 제안하였다.
마지막 파트에서는 PSI와 PSCI를 활용하여 자연 유기산의 일종인 fulvic acid를 분석하고 그 특성을 파악하는 연구를 수행하였다. PSI를 활용한 유기산의 분석에는 에탄올이 좋은 spray solvent로 확인되었으며, 기존의 유출유의 분석에 사용되던 전압보다 더 낮은 전압에서 이온화가 잘 일어남을 확인하였다. 그리고 PSCI의 경우 hexane과 dichloromethane의 혼합용액이 좋은 spray solvent로 확인되었다. PSI는 ESI와 유사한 결과를 보여주었으며 좀 더 산소를 많이 포함하고 있는 tannin-like 물질들이 주로 검출이 되었고, PSCI는 상대적으로 산소를 적게 함유하고 있는 lignin-like 물질들이 주로 검출되었다. ESI의 결과와 비교 시 PSI와 PSCI 분석에서 각각 526, 880개의 유니크한 물질들이 검출되었다.
본 연구를 통해 PSCI 방법을 개발하였고 PSI 및 PSCI를 환경 시료의 분석에 적용하여 그 특성을 파악할 수 있었다. PSI는 ESI와 이온 선택성에 있어 유사한 결과를 보여주었다. 하지만 PSI는 염분에 대해 높은 저항성을 보여주었으며 수 μg 수준의 유출유 및 부식산을 분석할 수 있었다. PSCI는 APPI나 APCI와 같이 극성이 낮은 물질을 우선적으로 이온화하였다. PSI와 PSCI 모두 좋은 정량성을 보여주었으며 이 두 가지 이온화 방법을 함께 사용하여 분석 물질에 대한 더욱 포괄적인 정보를 얻을 수 있었다. 그러므로 PSI와 PSCI는 환경 시료의 분석에 효과적인 이온화 방법으로 사용될 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Introduction 2
• 1.2 Research Background 5
• 1.2.1 Electrospray ionization (ESI) 5
• 1.2.2 Atmospheric pressure photoionization (APPI) 8
• 1.2.3 Atmospheric pressure chemical ionization (APCI) 12
• 1.3 Research Outline 15
• 1.4 References 17
• Chapter 2. Estimating degree of degradation of spilled oils based on relative abundance of aromatic compounds observed by paper spray ionization mass spectrometry 21
• 2.1 Introduction 22
• 2.2 Experimental Section 25
• 2.2.1 Sample Preparation 25
• 2.2.2 Mass Spectrometry 28
• 2.2.3 Data Processing 30
• 2.3 Results and Discussion 32
• 2.3.1 Investigating the Potential of PSI for Spilled Oil Analysis 32
• 2.3.2 Analysis of Degraded Oils using PSI MS 38
• 2.3.3 Estimation of the Degree of Degradation of Spilled Oil 45
• 2.4 Conclusions 49
• 2.5 References 50
• Chapter 3. Paper Spray Chemical Ionization: Highly Sensitive Ambient Ionization Method for Low- and Nonpolar Aromatic Compounds 55
• 3.1 Introduction 56
• 3.2 Experimental Section 59
• 3.2.1 Sample Preparation 59
• 3.2.2 Mass Spectrometry 61
• 3.2.3 Data Processing 65
• 3.3 Results and Discussion 66
• 3.3.1 Positive-ion-mode PSCI 66
• 3.3.2 Sensitivity and Quantitative Nature of (+) PSCI 75
• 3.3.3 Negative-ion-mode PSCI 79
• 3.4 Conclusions 82
• 3.5 References 83
• Chapter 4. Mechanism behind the Paper-Based Chemical Ionization Phenomenon 87
• 4.1 Introduction 88
• 4.2 Experimental Section 90
• 4.3 Results and Discussion 91
• 4.4 Conclusions 97
• 4.5 References 98
• Chapter 5. Optimization and Application of Paper-Based Spray Ionization Mass Spectrometry for Analysis of Natural Organic Matter 101
• 5.1 Introduction 102
• 5.2 Experimental Section 104
• 5.2.1 Sample Preparation 104
• 5.2.2 Mass Spectrometry 104
• 5.2.3 Data Processing 106
• 5.3 Results and Discussion 108
• 5.3.1 Optimization and Evaluation of PSI & PSCI for SRFA Analysis 108
• 5.3.2 Comparison of ESI, PSI, and PSCI-MS Spectra 122
• 5.4 Conclusions 128
• 5.5 References 129
• Chapter 6. Conclusions 133
• English Abstract 136
• Korean Abstract 139