石油生物標記物及色譜技術(shù)x

石油生物標記物及色譜技術(shù)x化石燃料生物標志物應(yīng)用與譜圖》英R.P.菲爾普著科學(xué)出版社化學(xué)化石或生物標志物或分子化石是用來描述地質(zhì)體中與已知天然產(chǎn)物有著廣泛聯(lián)系的有機物質(zhì)。化石燃料中經(jīng)詳細研究的生物標志物有烷烴、類異戊二烯烴、各種支鏈烴、具取代基的環(huán)己烷、二環(huán)烷烴、二萜烷、三萜烷、甾烷及它們的不飽和衍生物。所有的生物標志物都是烴類化合物，還有許多其他類型的化合物如脂肪酸、甾醇、醇類和卟啉也被當做生物標志物。然而成巖作用和成熟作用將最終把絕大部分這類帶有官能團的生物標志物轉(zhuǎn)變?yōu)闊N類。這些烴類的碳骨架與相應(yīng)的天然產(chǎn)物碳骨架緊密相關(guān)。一、生物標志物的分析分布廣泛并具有藿烷型結(jié)構(gòu)的生物標志物，其分析大小取決于C-21位的R取代基；R取代基的變化范圍是從H到C-13。藿烷是石油研究中一類極為重要的生物標志物。藿烷碎片在質(zhì)譜計中產(chǎn)生兩個主要離子。第一個是由A、B環(huán)碎片構(gòu)成的m/z191，而第二個是由D、E環(huán)碎片構(gòu)成的m/z148+R基，質(zhì)量取決于R取代基。m/z191離子和m/z148+R離子的相對強度則取決于17位和21位的立體化學(xué)。如果只檢測這些特征離子的相對強度而不是收集每一個掃描上的全部色譜，則應(yīng)用質(zhì)譜計來鑒定藿烷的靈敏度可以增加幾個數(shù)量級?？傠x子流（TIC）色譜圖，用全掃描的方式收集。對于所有各種類型的生物標志物實際上均可應(yīng)用這種離子檢測（SIM）和多離子檢測（MID）的技術(shù)，只要選擇好適當?shù)奶卣麟x子。單離子檢測法（SIM）鑒定各類生物標志物所用的特征離子離子（m/z）化合物類型71,75,99正烷烴77,91,105,106,119,120苯和取代基苯82,83環(huán)己烷類97正構(gòu)烯烴113,183,197無環(huán)異戊二烯類化合物109,123,194,208,222,236C14—C17二環(huán)倍半萜類109,123,163,191二萜類123,163,191三環(huán)萜類123,163,191149,163,177,191,205,219,235四環(huán)萜類五環(huán)藿烷型三萜類177脫甲基藿烷189,231某些藿烯243一蕨烯217規(guī)則甾烷[14a(H),17a(H)]218規(guī)則甾烷[14B(H),17B(H)]231甲基甾烷232,259重排甾烷273甲基—重排甾烷211單芳蒽甾類253單芳甾烷231,245三芳甾烷154聯(lián)苯156,141二甲基萘（141141）168甲基聯(lián)苯170,155三甲萘（155151)178蒽、菲202芘、熒蒽228屈252苯并芘、苯并熒蒽278苉在有機地球化學(xué)的GC-MS研究中，最常用的電離技術(shù)是電子轟擊，通常采用70eV的電能。二、生物標志物的成因和應(yīng)用烷烴原油中的正烷烴最初是用質(zhì)譜單獨檢測的，但其所以能成為一種廣泛采用的生物標志物是由于它在多數(shù)地球化學(xué)樣品中均有相當高的含量，且易于用GC-MS檢測，而無需用GC-MS。正烷烴廣泛分布于植物以及其他生物體中，可能也是生物標志物中研究的最廣泛的一類。正烷烴如在C25-C35區(qū)間的色譜圖中具有明顯的奇碳優(yōu)勢，則多是情況下是來源于高等植物蠟，但是藍綠藻來源的正烷烴以C14-C19占優(yōu)勢。未成熟沉積物抽提物有著較低含量偶數(shù)碳的正烷烴，但隨著成熟度的增加，偶數(shù)碳正烷烴將由于各種成巖反應(yīng)而生成，且來源于干酪根中間的脂肪組分或醇類、酯類或其他烷烴。細菌降解將優(yōu)先從原油和生油巖抽提物中除去正烷烴，在這種情況下實際上就消除了利用它作為源巖指標的可能性。當確認原油是經(jīng)過生物降解，而且僅有及其微量的正烷烴疊加在一個不能分辨的組分大鼓包上時，采用GC-MS或MID法檢測其分布是及其有用的。正烷烴碎片是以一種直接而簡單的方式產(chǎn)生質(zhì)譜圖。在質(zhì)譜圖中離子隨著分子中每斷裂一個額外的CH2而相差14amu。因而一個典型的正烷烴質(zhì)譜圖中離子的強度隨著質(zhì)量數(shù)的增加而呈指數(shù)的衰減。如果需要用MID鑒定正烷烴的分布時，通常采用71或99離子。無環(huán)類異戊二烯化合物在原油和生油巖抽提物中已經(jīng)檢測出三種類型的異戊二烯類連接方式，分布最多的是規(guī)則類異戊二烯化合物，具有頭對尾連接形式，如老鮫烷（C19），植烷（C20）和其他直至C40的同系物，也許還可到C45。如角鯊?fù)榈阮惍愇於╊惗际窃谝幌盗蓄^對尾中具有一個尾對尾的連接。在原油中和喜熱細菌中所觀察到的第三類異戊二烯的鍵和方式是頭對頭的連接，這一類化合物從C32到C40。在類異戊二烯化合物結(jié)構(gòu)中存在有大量的甲基支鏈點，導(dǎo)致質(zhì)譜圖中具有大量的信息，可用來確定出支鏈點的位置。在多數(shù)類異戊二烯化合物中m/z183離子的強度有所增加；因而是鑒定復(fù)雜混合物中是否存在類異戊二烯化合物的一種十分理想的離子。老鮫烷和植烷的比值用作沉積物環(huán)境的指標，當一個樣品中Pr/Ph1時，則形成于氧化環(huán)境。檢測C20以前的規(guī)則類異戊二烯化合物通常不需要用GC-MS和MID。但C20以上的類異戊二烯化合物的含量要低得多。倍半萜類倍半萜類具有m/z109和m/z123特征離子以及較強的分子離子，采用這些離子就可以迅速的鑒定倍半萜類的分布。倍半萜類最大的用處事確定原油中陸源物質(zhì)的輸入。樣品中存在大量倍半萜類的異構(gòu)體，因而有可能用立體化學(xué)的相互轉(zhuǎn)化來判斷成巖作用和成熟作用。二萜類二萜類廣泛分布在高等植物體內(nèi)，特別是樹脂中?；剂现兴l(fā)現(xiàn)的大部分二萜類烴都是具有松香酸或海松酸的骨架。大部分原油中二萜類的產(chǎn)出量是相當?shù)偷?，但采用包括m/z109或m/z123和m/z191的MID就可以很容易的檢出這些化合物。三環(huán)萜類許多原油和生油巖抽提物中已發(fā)現(xiàn)含有三環(huán)萜烷的同系物，其范圍是由C19H34—C45H86或碳數(shù)更高。該系類化合物形成的一個重要的特征碎片離子也是m/z191.沉積物和原油中的主要三環(huán)系列的三個組分是C19和C20化合物。三環(huán)萜烷幾乎分布于所有的原油中，但不包括來源于陸源物質(zhì)的原油，這種廣泛分布表明三環(huán)萜烷系來源于微生物或藻類。四環(huán)萜烷四環(huán)萜烷是原油和生油巖抽提物中分布較為廣泛的另一類化合物，是由五環(huán)的藿烷類三萜烷降解而成的，這系列的化合物要比三環(huán)化合物少，只發(fā)現(xiàn)了C24—C27的化合物。五環(huán)三萜烷對石油地球化學(xué)影響十分深遠的一類三萜烷是藿烷類。以藿烷結(jié)構(gòu)為骨架的一類五環(huán)三萜烷是一種分布廣泛地生物標志物。一般認為藿烷大多來源于一個C30的藿烷類或一個C35—細菌藿烷四醇前身物。天然產(chǎn)出的藿烷類前身物，通常具有17B(H),21B(H)的立體化學(xué)特征，并且在C-22位具有R構(gòu)型。當樣品的成熟度增加時，在17、21和22位的立體化學(xué)特征就要發(fā)生變化而形成熱力學(xué)更穩(wěn)定的藿烷，即具有17a(H)、21B(H)構(gòu)型，而22位置為S和R差向異構(gòu)體。成熟度增加時還會出現(xiàn)另一類具有17B(H)、21a(H)立體化學(xué)特征并稱做莫烷的化合物，且在C31或更高的同系物中也具有22R和22S構(gòu)型。藿烷和莫烷在質(zhì)譜計的離子源中形成兩個主要碎片，因而在復(fù)雜的混合物中很容易被檢測出m/z191的碎片是由A環(huán)和B環(huán)從分子上斷裂下來而形成的。第二個碎片是m/z148+R，是以D環(huán)和E環(huán)為基礎(chǔ)的，質(zhì)量隨取代基R而變化。用MID檢測藿烷時，就可以采用一系列關(guān)鍵離子，包括分子離子來檢測C27H46至C32H56的藿烷同系物。兩個系列化合物給出的主要碎片離子相同，而離子所呈現(xiàn)的相對強度不同，17B(H),21B(H藿)烷的m/z191m/z148+R;17B(H),21a(H莫)烷的m/z191≤m/z148+R。檢測其他藿烷系列如降藿烷和甲基藿烷時，離子組合要適當修改。C-25甲基官能團的去處意味著再去甲基藿烷中的A、B環(huán)碎片質(zhì)量數(shù)為m/z177.在A或B環(huán)上有一個額外的甲基官能團就要求用m/z205來檢測甲基藿烷的分布。藿烷分布隨著樣品成熟度的增加而發(fā)生變化。在m/z191圖上很容易檢測到兩個C27的藿烷，在一般文獻上都稱為Tm、Ts。Ts為18a(H)--三降新藿烷，是由另一些來源的物質(zhì)形成的，并廣泛分布在原油和生油巖樣品中。Tm為17a(H)--三降藿烷，是與藿烷中其他規(guī)則藿烷以相同方式形成的Tm的相對濃度受到成熟度的變化影響，而Ts是一個來源指標，并不受成熟度的影響。因此，當原油生油巖的母質(zhì)相同或者含有類似有機質(zhì)類型時，Tm/Ts即可作為成熟度指標。C29+C30/C27+C28的比值也可做成熟度指標。C29+C30被認為是原始的萜烷，C27+C28是次生萜烷。在來源相同的樣品中，當成熟度增加時，該比值趨向于1，這是由于所生成的次生藿烷的濃度相對于原始藿烷來說在不斷增加。生物降解對藿烷的分布可以起很大的影響作用，最突出的一條是形成一系列25—降藿烷同系物，用m/z177離子的MID方法檢測25—降藿烷。正烷烴的出現(xiàn)代表沒有生物降解，降藿烷的出現(xiàn)則表示有生物降解。在某些樣品中存在另一類藿烷即甲基藿烷，這類化合物可用m/z205進行檢測，是微生物活動的補充標志。甾烷甾烷已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于原油對比研究和作為生油巖研究的輸入標志?；畹纳矬w中沒有發(fā)現(xiàn)甾烷。甾烷是進入到沉積物中的原始甾醇經(jīng)過還原作用而形成的，甾烯和甾二烯則是這一轉(zhuǎn)化過程的中間產(chǎn)物。在甾醇、甾烷醇和其他前身物的轉(zhuǎn)化的早期階段，甾烯因各種微生物的化學(xué)反應(yīng)而形成。這樣生成的許多甾烯是不穩(wěn)定的，將經(jīng)歷異構(gòu)化反應(yīng)或是在適當條件下，由于催化重排作用而形成重排甾烯。在這些不飽和化合物生成之后，由于還原作用而產(chǎn)生了甾烷和重排甾烷。影響甾烷分布的因素還有生物降解作用，生物降解作用引起的重大變化是優(yōu)先從規(guī)則甾烷中去除20R的差向異構(gòu)體，而不是20S差向異構(gòu)體；同時選擇性的去除C27的甾烷。和重排甾烷相比，生物降解作用優(yōu)先去除規(guī)則甾烷，因此降解原油中重排甾烷的相對濃度會有所增加。甾烷包括芳香甾烷（用m/z143,239,或253離子可檢測原油中單芳甾烷的分布）、三芳甾烷（m/z231和245是常用的兩個離子，這些離子主要取決于化合物中甲基的取代數(shù)）。生物標志物譜圖生物標志物譜圖生物降解作用對成熟的典型石蠟烴原油組成的影響（據(jù)Alexander,1983b）化學(xué)組分生物降解程度1.典型的石蠟烴原油，豐富的正烷烴未降解2.低分子正烷烴的消失稍有講解3.90%以上的正烷烴消失4.環(huán)烷烴消失；異戊二烯類化合物減少中等程度降解5.異戊二烯烷烴消失6.C14-C16二環(huán)烷烴消失強烈降解7.50%以上的(20R)-5a,14a,17a(H甾)烷消更強烈降解失8.甾烷變化；豐富的脫甲基藿烷嚴重降解9.脫甲基藿烷占優(yōu)勢；重排甾烷的某些極端嚴重降解變化，無甾烷10.(20S)-13B(H),17a(H重)排甾烷比20R差向異構(gòu)體降解的更快異構(gòu)和反異構(gòu)烷烴同系物的存在以及奇偶優(yōu)勢通常指示植物蠟的輸入。色譜柱技術(shù)》劉國詮余兆樓編著第二版化學(xué)工業(yè)出版社一、色譜柱理論概要保留時間tR和保留體積VR是色譜圖即色譜淋洗曲線的兩個基本參數(shù)，代表從進樣點至溶質(zhì)峰的最高點之間，通過柱子的流動相的體積及相應(yīng)的通過時間。保留因子k原稱為容量因子，用來描述色譜柱中溶質(zhì)的遷移速度，被定義為溶質(zhì)的分配系數(shù)與柱子相比之積。對于一個在柱子中不保留的溶質(zhì)來說，其保留體積即為死體積V0，而V0為柱中流動相體積與柱外體積之和。柱外體積VE則為連接管路，進樣器以及檢測器等的體積之和。在實際測量中，往往使用某溶質(zhì)峰值至死體積之間的距離除以死點至原點的距離而得到。這一簡化計算的前提是柱外體積必須足夠小。為了避免柱外體積及體積排除效應(yīng)的影響，人們引進了另一個參數(shù)，即分離因子a，用以描述和表征兩種不同的溶質(zhì)在柱子中的分離過程，亦被稱為選擇因子或選擇性。在實際的色譜分離過程中，當將一個樣品注射進色譜柱后幾乎都可以觀察到一個小峰，它將先于所有其他組分而第一個流出色譜柱，通常認為這是在柱中不保留的成分及雜質(zhì)的峰，他所需要的流動相體積即代表死體積V0。常用的測定死體積的物質(zhì)有硝酸鈉、硝普鈉、硫代硫酸鈉、硅溶膠等，以不同比例的甲醇—水為流動相，測定他們在反相柱上的保留值。二、氣相色譜柱硅膠是一種氫鍵型的強極性固體吸附劑，品種有細孔硅膠、粗孔硅膠和多孔硅球等。氣相色譜使用較多的是粗孔硅膠，其孔徑為80—100nm表面積近300m2/g，可用于分析一氧化二氮、二氧化硫、硫化氫、六氟化硫、二氯氟烷及C1—C4烷烴等物質(zhì)。硅膠的分離能力主要取決于孔徑大小和含水量。用前通常要處理：對于市售的色譜專用硅膠可在200℃下活化2h后使用，如果使用市售的非色譜級專用硅膠，則先用6mol/l的鹽酸浸泡2h，然后水沖洗至無CL-，晾干后至于馬弗爐里200—500℃活化2h降溫后儲存在干燥器中備用。氧化鋁有五種不同的晶型，氣相色譜常用的主要是r型，具有中等極性，主要用于分析C1-C4烴類及異構(gòu)體，在低溫下也能用于分離氫的同位素。氧化鋁具有很好的熱穩(wěn)定性和機械強度，但其活性隨著含水量有較大的變化，故使用前通常需要進行活化處理，即450—1350℃灼燒2h。為保持其含水量穩(wěn)定，可將載氣先通過含結(jié)晶水的硫酸鈉或是硫酸銅后在進入色譜柱。經(jīng)過氫氧化鈉處理改性的氧化鋁，能在320—380℃柱溫下分析C36以下的碳氫化合物，峰形很好。《石油化學(xué)》第二版梁文杰等編著一、石油的化學(xué)組成原油或稱為石油，petroleum或crudeoil是一種從地下深處開采出來的黃色、褐色乃至黑色的可燃性粘稠液體，常與天然氣并存。主要是由遠古海洋或湖泊中的生物在地下經(jīng)過漫長的地球化學(xué)演化而形成的烴類和非烴類的復(fù)雜混合物。元素組成：碳83-87%，氫10-14%，硫0.05-8%，氮0.02-2%，氧0.05-2%。碳氫兩種元素一般占95%以上。將原油按沸點的高低切割為若干部分，即所謂餾分，每個餾分的沸點范圍稱為餾程或沸程。一般把原油中從常壓蒸餾開始餾出的溫度（即初餾點）到200℃或180℃之間的輕餾分稱為汽油餾分，也稱輕油或石腦油，常壓蒸餾200或180-350℃中間的餾分稱為柴油餾分或常壓瓦斯油簡稱AGO，而將>350℃的稱為常壓渣油或常壓重油簡稱AR。由于一般原油從350℃開始即有明顯的分解現(xiàn)象，所以對于沸點高于350℃的餾分必須在減壓下餾出。一般情況下，減壓蒸餾只能蒸出相當于常壓下<500℃的餾分，若采用新型的減壓蒸餾裝置，現(xiàn)已可蒸餾至相當于常壓下550℃左右。為便于對比，本章中均以蒸餾至相當于常壓500℃為準。所得的減壓餾分可根據(jù)其利用途徑不同稱為潤滑油餾分或減壓瓦斯油