Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Detection of organic biomarkers in crude oils using ToF-SIMS
Stockholm University, Faculty of Science, Department of Geology and Geochemistry.
Show others and affiliations
2009 (English)In: Organic Geochemistry, ISSN 0146-6380, E-ISSN 1873-5290, Vol. 40, no 1, 135-143 p.Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

In this study, we show that time of flight-secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS) can be used todetect organic biomarkers, such as hopanes and steranes, in non-fractionated crude oils, without extractionand chemical preparation. Hopanes and steranes may provide valuable information on the history oflife on early Earth, particularly if they are present in fluid inclusions in ancient rocks. Due to the presenceof different generations of inclusions in even very small rock samples, it would be advantageous to find amethod capable of detecting biomarkers in single oil rich fluid inclusions. The capability of ToF-SIMS fordetailed chemical analysis of very small sample amounts makes it a potential technique for such analysis,and in this work this possibility is explored. The presence of hopanes and steranes in four different crudeoils of different ages and stages of biodegradation was investigated using ToF-SIMS and GC–MS. By combininganalyses of biomarker standards, crude oils and chromatographic oil fractions, specific peaks forthe different biomarkers were identified in the ToF-SIMS spectra. The presence of these peaks in the spectrafrom the crude oil samples could be attributed to the biomarkers based on exact mass determinationand by comparison with the spectra from the biomarker containing and biomarker lacking fractions,respectively. In addition, the results show that a significant biomarker signal may be obtained from a 10 µm2 oil sample, demonstrating the potential of ToF-SIMS for analysis of single oil bearing fluid inclusions,which in turn may contribute to a better understanding of the early history of life on Earth.

Place, publisher, year, edition, pages
2009. Vol. 40, no 1, 135-143 p.
Keyword [en]
ToF-SIMS, biomarkers, oil, time-of-flight secondary ion mass spectrometry
National Category
Earth and Related Environmental Sciences
Research subject
Geochemistry
Identifiers
URN: urn:nbn:se:su:diva-16184DOI: 10.1016/j.orggeochem.2008.08.010ISI: 000262806300014OAI: oai:DiVA.org:su-16184DiVA: diva2:182704
Available from: 2008-12-15 Created: 2008-12-15 Last updated: 2011-02-22Bibliographically approved
In thesis
1. ToF-SIMS as a tool for analysing organic material in geological samples -Fluid inclusions and beyond
Open this publication in new window or tab >>ToF-SIMS as a tool for analysing organic material in geological samples -Fluid inclusions and beyond
2009 (English)Licentiate thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

In situ analysis of organic material in rocks has potential to answer questions in geochemistry, astro- and geobiology. Recently, successful studies which included in situ analyses of geological samples with time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS) were carried out. In this PhD project possibilities and limitations of ToF-SIMS analysis of organic material in geological samples will be further explored. The main objective of the project is to develop an approach for analysis of single oil-bearing fluid inclusions and most importantly the detection of biomarkers, such as hopanes and steranes, in these inclusions. Analysis of oil-bearing fluid inclusions is attractive as they may provide an uncontaminated source of Precambrian hopanes and steranes, which are key biomarkers for tracking the early evolution of life on Earth. Due to presence of several inclusion generations, single inclusion analysis is preferred in order to constrain biomarkers to specific inclusions. The small sample amount in oil-bearing fluid inclusions, however, usually makes it difficult to analyse single inclusions with standard technique gas chromatography mass spectrometry (GC-MS). ToF-SIMS with high sensitivity, high mass resolution, imaging and depth profiling capabilities provides an excellent tool for analysis of these types of samples. The development of the approach for analysis of single oil-bearing inclusions was done in a two-step process; i) a number of crude oils were analysed with ToF-SIMS and GC-MS to facilitate interpretation of ToF-SIMS spectra of these types of samples and, ii) a procedure that combines micrographs with ion etching and ToF-SIMS analysis was developed for analysis of inclusions. With this approach it was possible to detect hopanes and steranes in single oil-bearing fluid inclusions. The next step of the project will be to analyse inclusions in Precambrian rocks in search for hopanes and steranes. In addition to the Precambrian samples, the capabilities of ToF-SIMS in analysis of geological samples will be further explored with analysis of additional samples, including Martian meteorites and microbial mats from hot springs in Yellowstone National Park.

Abstract [sv]

In situ-analys av organiskt material i geologiska prover har potential att svara på viktiga frågor i geokemi, geo- och astrobiologi. Time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS) har nyligen framgångsrikt använts för in situ-analys av geologiska prover. Målet för doktorandprojektet är att utforska möjligheterna och begränsningarna för analys av organiskt material i geologiska prover med ToF-SIMS.Huvudmålet med projektet är att utveckla en metod som kan detektera hopaner och steraner i enskilda oljebärande vätskeinneslutningar. Vätskeinneslutningar är intressanta då de är en potentiell källa för prekambriska biomarkörer som hopaner och steraner vilka används till att utforska livets tidiga utveckling på jorden. Analys av enskilda inneslutningar är emellertid oftast nödvändigt för att kunna tidsbegränsa biomarkörer. På grund av de flesta inneslutningar är små (10 μm i diameter) är det inte möjligt att analysera en enskild vätskeinneslutning med standardtekniken gaskromatografi-masspektrometri. ToF-SIMS med sin höga känslighet, höga massupplösning och kapacitet för 2D representation av analysdata och djupprofilering av prover är ett utmärkt instrument för analys av enskilda inneslutningar.Metoden för analys av enskilda inneslutningar utvecklades i två steg. Först analyserades ett antal råoljor med ToF-SIMS och GC-MS för att underlätta förståelsen av ToF-SIMS spektra av dessa typer av prover och därefter utvecklades en metod för analys av enskilda inneslutningar som består av mikroskopering, jonetsning och ToF-SIMS analys av det exponerade inneslutningsmaterialet. Med den utvecklade metoden var det möjligt att detektera hopaner och steraner i enskilda oljebärande vätskeinneslutningar. Nästa steg i projektet blir att analysera enskilda inneslutningar i prekambriska prover i hopp om att detektera hopaner och steraner i dessa. Dessutom kommer andra prover att analyseras i projektet, inklusive marsmeteoriter och biofilmer från heta källor i Yellowstone, USA.

Keyword
Organic material, ToF-SIMS
National Category
Other Earth and Related Environmental Sciences
Research subject
Geochemistry
Identifiers
urn:nbn:se:su:diva-33653 (URN)
Presentation
2009-02-06, 14:00 (English)
Supervisors
Available from: 2011-08-29 Created: 2009-12-23 Last updated: 2011-08-29Bibliographically approved
2. Single fluid inclusion analysis using ToF-SIMS: Implications for ancient Earth biodiversiy and paleoenvironment studies
Open this publication in new window or tab >>Single fluid inclusion analysis using ToF-SIMS: Implications for ancient Earth biodiversiy and paleoenvironment studies
2011 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Alternative title[sv]
ToF-SIMS-analys av enskilda vätskeinneslutningar : Implikationer för studier av tidiga jordens biodiveristet och paleomiljö
Abstract [en]

When and how life first emerged on the Earth is an area of intense research. Signs of the first life on Earth, including morphological fossils, are scarce and hard to interpret. An alternative approach is to study organic biomarkers, which are molecular fossils commonly considered as bona fide biosignatures.

The main objective of the project is to develop an approach for analysis of single oil-bearing fluid inclusions and most importantly the detection of organic biomarkers in these inclusions. Analysis of oil-bearing fluid inclusions is advantageous since the inclusions may provide an uncontaminated sample source of Precambrian hopanes and steranes, which are key biomarkers for tracing the early evolution of life on Earth. Due to the presence of several inclusion generations, single inclusion analysis is desired in order to constrain biomarkers to specific inclusions. Time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS) could be an excellent tool for analysis of these types of samples.

The development of the approach for analysis of single oil-bearing inclusions was done in a two-step process; i) a number of crude oils were analysed with ToF-SIMS and gas chromatography mass-spectrometry (GC-MS) to facilitate interpretation of ToF-SIMS spectra of these types of samples and, ii) a procedure that combines micrographs with ion etching and ToF-SIMS analysis was developed for analysis of inclusions. The feasibility of the technique was demonstrated for oil inclusions from the Siljan impact crater in which hopanes and steranes where detected. Single oil-bearing fluid inclusions trapped in mid-Proterozoic sandstones from Northern Australia were subsequently analyzed, and steranes and hopanes were detected in these inclusions. If applied on older inclusions this approach may help answer some of the questions regarding the emergence and evolution of life on Earth, and if applied on extraterrestrial samples, also the possibility of life on other planets and moons.

Abstract [sv]

Livets uppkomst och tidiga utveckling på jorden är ett hett forskningsfält. Hur och när livet och dess olika domäner (arkéer, bakterier och eukaryoter) uppstod på jorden är fortfarande oklart vilket beror på att de första tecknen på liv, vilka inkluderar morfologiska fossil, spårfossil och isotoper, är få och svåra att tolka. Ett alternativt sätt att studera det tidiga livet är att studera organiska biomarkörer som är organiska molekyler som anses unika för liv.

Huvudmålet med projektet är att utveckla en metod som kan detektera organiska biomarkörer i enskilda oljebärande vätskeinneslutningar. Vätskeinneslutningar, som är små mängder vätska (picoliter) infångad in en sten, är intressanta då de är en potentiell provkälla för prekambriska (äldre än 500 miljoner år) biomarkörer, som hopaner och steraner, vilka används för att utforska livets tidiga utveckling på jorden. Analys av enskilda inneslutningar är emellertid oftast nödvändigt för att kunna tidsavgränsa biomarkörer. På grund av att de flesta inneslutningar är små (10 µm i diameter) är det inte möjligt att analysera en enskild vätskeinneslutning med standardtekniken gaskromatografi-masspektrometri (GC-MS). Time-of-flight secondary ion mass spektrometri (ToF-SIMS) med sin höga känslighet, höga massupplösning och kapacitet för 2D-representation av analysdata och djupprofilering av prover är en utmärkt teknik för analys av enskilda inneslutningar.

Metoden för analys av enskilda inneslutningar utvecklades i två steg. Först analyserades ett antal råoljor med ToF-SIMS och GC-MS för att underlätta förståelsen av ToF-SIMS-spektra från dessa typer av prover. Därefter utvecklades en metod som bestod av mikroskopering för att lokalisera inneslutningen, jonetsning för att öppna inneslutningen och ToF-SIMS analys av det exponerade innehållet. Metoden testades framgångsrikt på enskilda inneslutningar i hydrotermala vener av flusspat och kalcit i ordovicisk (488-443 miljoner år sedan) kalksten. Därefter användes den utvecklade metoden för att analysera enskilda vätskeinneslutningar i 1,43 miljarder år gammal sandsten från norra Australien, i vilka hopaner och steraner detekterades. De detekterade steranerna visar att trots att havet under denna tid var syrefritt existerade det lokala syrerika miljöer där eukaryoter kunde överleva. Om den utvecklade metoden används på ännu äldre inneslutningar, vilka har daterats till 3,2 miljarder år, kan den komma att svara på några de mest fundamentala frågorna kring livets uppkomst och tidiga utveckling. Om metoden används på utomjordiska prover kan den svara på frågan om det finns liv på andra planeter eller månar.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: Department of Geological Sciences, Stockholm University, 2011. 29 p.
Series
Meddelanden från Stockholms universitets institution för geologiska vetenskaper, 343
Keyword
ToF-SIMS, time-of-flight secondary ion mass spectrometry, fluid inclusions, biomarkers, hopanes, steranes, early life, paleoenvironment, oil, eukaryotes
National Category
Earth and Related Environmental Sciences
Research subject
Geochemistry
Identifiers
urn:nbn:se:su:diva-54909 (URN)978-91-7447-237-0 (ISBN)
Public defence
2011-03-25, Nordenskiöldsalen, Geovetenskapens hus, Svante Arrhenius väg 12, Stockholm, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Note
At the time of the doctoral defense, the following papers were unpublished and had a status as follows: Paper 3: Manuscript. Paper 4: Submitted. Available from: 2011-03-03 Created: 2011-02-21 Last updated: 2011-02-27Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text

Other links

Publisher's full text

Search in DiVA

By author/editor
Siljeström, Sandra
By organisation
Department of Geology and Geochemistry
In the same journal
Organic Geochemistry
Earth and Related Environmental Sciences

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 123 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf