石油生物标记物及色谱技术x

石油生物标记物及色谱技术x化石燃料生物标志物应用与谱图》英R.P.菲尔普著科学出版社化学化石或生物标志物或分子化石是用来描述地质体中与已知天然产物有着广泛联系的有机物质。化石燃料中经详细研究的生物标志物有烷烃、类异戊二烯烃、各种支链烃、具取代基的环己烷、二环烷烃、二萜烷、三萜烷、甾烷及它们的不饱和衍生物。所有的生物标志物都是烃类化合物，还有许多其他类型的化合物如脂肪酸、甾醇、醇类和卟啉也被当做生物标志物。然而成岩作用和成熟作用将最终把绝大部分这类带有官能团的生物标志物转变为烃类。这些烃类的碳骨架与相应的天然产物碳骨架紧密相关。一、生物标志物的分析分布广泛并具有藿烷型结构的生物标志物，其分析大小取决于C-21位的R取代基；R取代基的变化范围是从H到C-13。藿烷是石油研究中一类极为重要的生物标志物。藿烷碎片在质谱计中产生两个主要离子。第一个是由A、B环碎片构成的m/z191，而第二个是由D、E环碎片构成的m/z148+R基，质量取决于R取代基。m/z191离子和m/z148+R离子的相对强度则取决于17位和21位的立体化学。如果只检测这些特征离子的相对强度而不是收集每一个扫描上的全部色谱，则应用质谱计来鉴定藿烷的灵敏度可以增加几个数量级。总离子流（TIC）色谱图，用全扫描的方式收集。对于所有各种类型的生物标志物实际上均可应用这种离子检测（SIM）和多离子检测（MID）的技术，只要选择好适当的特征离子。单离子检测法（SIM）鉴定各类生物标志物所用的特征离子离子（m/z）化合物类型71,75,99正烷烃77,91,105,106,119,120苯和取代基苯82,83环己烷类97正构烯烃113,183,197无环异戊二烯类化合物109,123,194,208,222,236C14—C17二环倍半萜类109,123,163,191二萜类123,163,191三环萜类123,163,191149,163,177,191,205,219,235四环萜类五环藿烷型三萜类177脱甲基藿烷189,231某些藿烯243一蕨烯217规则甾烷[14a(H),17a(H)]218规则甾烷[14B(H),17B(H)]231甲基甾烷232,259重排甾烷273甲基—重排甾烷211单芳蒽甾类253单芳甾烷231,245三芳甾烷154联苯156,141二甲基萘（141141）168甲基联苯170,155三甲萘（155151)178蒽、菲202芘、荧蒽228屈252苯并芘、苯并荧蒽278苉在有机地球化学的GC-MS研究中，最常用的电离技术是电子轰击，通常采用70eV的电能。二、生物标志物的成因和应用烷烃原油中的正烷烃最初是用质谱单独检测的，但其所以能成为一种广泛采用的生物标志物是由于它在多数地球化学样品中均有相当高的含量，且易于用GC-MS检测，而无需用GC-MS。正烷烃广泛分布于植物以及其他生物体中，可能也是生物标志物中研究的最广泛的一类。正烷烃如在C25-C35区间的色谱图中具有明显的奇碳优势，则多是情况下是来源于高等植物蜡，但是蓝绿藻来源的正烷烃以C14-C19占优势。未成熟沉积物抽提物有着较低含量偶数碳的正烷烃，但随着成熟度的增加，偶数碳正烷烃将由于各种成岩反应而生成，且来源于干酪根中间的脂肪组分或醇类、酯类或其他烷烃。细菌降解将优先从原油和生油岩抽提物中除去正烷烃，在这种情况下实际上就消除了利用它作为源岩指标的可能性。当确认原油是经过生物降解，而且仅有及其微量的正烷烃叠加在一个不能分辨的组分大鼓包上时，采用GC-MS或MID法检测其分布是及其有用的。正烷烃碎片是以一种直接而简单的方式产生质谱图。在质谱图中离子随着分子中每断裂一个额外的CH2而相差14amu。因而一个典型的正烷烃质谱图中离子的强度随着质量数的增加而呈指数的衰减。如果需要用MID鉴定正烷烃的分布时，通常采用71或99离子。无环类异戊二烯化合物在原油和生油岩抽提物中已经检测出三种类型的异戊二烯类连接方式，分布最多的是规则类异戊二烯化合物，具有头对尾连接形式，如老鮫烷（C19），植烷（C20）和其他直至C40的同系物，也许还可到C45。如角鲨烷等类异戊二烯类都是在一系列头对尾中具有一个尾对尾的连接。在原油中和喜热细菌中所观察到的第三类异戊二烯的键和方式是头对头的连接，这一类化合物从C32到C40。在类异戊二烯化合物结构中存在有大量的甲基支链点，导致质谱图中具有大量的信息，可用来确定出支链点的位置。在多数类异戊二烯化合物中m/z183离子的强度有所增加；因而是鉴定复杂混合物中是否存在类异戊二烯化合物的一种十分理想的离子。老鮫烷和植烷的比值用作沉积物环境的指标，当一个样品中Pr/Ph1时，则形成于氧化环境。检测C20以前的规则类异戊二烯化合物通常不需要用GC-MS和MID。但C20以上的类异戊二烯化合物的含量要低得多。倍半萜类倍半萜类具有m/z109和m/z123特征离子以及较强的分子离子，采用这些离子就可以迅速的鉴定倍半萜类的分布。倍半萜类最大的用处事确定原油中陆源物质的输入。样品中存在大量倍半萜类的异构体，因而有可能用立体化学的相互转化来判断成岩作用和成熟作用。二萜类二萜类广泛分布在高等植物体内，特别是树脂中。化石燃料中所发现的大部分二萜类烃都是具有松香酸或海松酸的骨架。大部分原油中二萜类的产出量是相当低的，但采用包括m/z109或m/z123和m/z191的MID就可以很容易的检出这些化合物。三环萜类许多原油和生油岩抽提物中已发现含有三环萜烷的同系物，其范围是由C19H34—C45H86或碳数更高。该系类化合物形成的一个重要的特征碎片离子也是m/z191.沉积物和原油中的主要三环系列的三个组分是C19和C20化合物。三环萜烷几乎分布于所有的原油中，但不包括来源于陆源物质的原油，这种广泛分布表明三环萜烷系来源于微生物或藻类。四环萜烷四环萜烷是原油和生油岩抽提物中分布较为广泛的另一类化合物，是由五环的藿烷类三萜烷降解而成的，这系列的化合物要比三环化合物少，只发现了C24—C27的化合物。五环三萜烷对石油地球化学影响十分深远的一类三萜烷是藿烷类。以藿烷结构为骨架的一类五环三萜烷是一种分布广泛地生物标志物。一般认为藿烷大多来源于一个C30的藿烷类或一个C35—细菌藿烷四醇前身物。天然产出的藿烷类前身物，通常具有17B(H),21B(H)的立体化学特征，并且在C-22位具有R构型。当样品的成熟度增加时，在17、21和22位的立体化学特征就要发生变化而形成热力学更稳定的藿烷，即具有17a(H)、21B(H)构型，而22位置为S和R差向异构体。成熟度增加时还会出现另一类具有17B(H)、21a(H)立体化学特征并称做莫烷的化合物，且在C31或更高的同系物中也具有22R和22S构型。藿烷和莫烷在质谱计的离子源中形成两个主要碎片，因而在复杂的混合物中很容易被检测出m/z191的碎片是由A环和B环从分子上断裂下来而形成的。第二个碎片是m/z148+R，是以D环和E环为基础的，质量随取代基R而变化。用MID检测藿烷时，就可以采用一系列关键离子，包括分子离子来检测C27H46至C32H56的藿烷同系物。两个系列化合物给出的主要碎片离子相同，而离子所呈现的相对强度不同，17B(H),21B(H藿)烷的m/z191m/z148+R;17B(H),21a(H莫)烷的m/z191≤m/z148+R。检测其他藿烷系列如降藿烷和甲基藿烷时，离子组合要适当修改。C-25甲基官能团的去处意味着再去甲基藿烷中的A、B环碎片质量数为m/z177.在A或B环上有一个额外的甲基官能团就要求用m/z205来检测甲基藿烷的分布。藿烷分布随着样品成熟度的增加而发生变化。在m/z191图上很容易检测到两个C27的藿烷，在一般文献上都称为Tm、Ts。Ts为18a(H)--三降新藿烷，是由另一些来源的物质形成的，并广泛分布在原油和生油岩样品中。Tm为17a(H)--三降藿烷，是与藿烷中其他规则藿烷以相同方式形成的Tm的相对浓度受到成熟度的变化影响，而Ts是一个来源指标，并不受成熟度的影响。因此，当原油生油岩的母质相同或者含有类似有机质类型时，Tm/Ts即可作为成熟度指标。C29+C30/C27+C28的比值也可做成熟度指标。C29+C30被认为是原始的萜烷，C27+C28是次生萜烷。在来源相同的样品中，当成熟度增加时，该比值趋向于1，这是由于所生成的次生藿烷的浓度相对于原始藿烷来说在不断增加。生物降解对藿烷的分布可以起很大的影响作用，最突出的一条是形成一系列25—降藿烷同系物，用m/z177离子的MID方法检测25—降藿烷。正烷烃的出现代表没有生物降解，降藿烷的出现则表示有生物降解。在某些样品中存在另一类藿烷即甲基藿烷，这类化合物可用m/z205进行检测，是微生物活动的补充标志。甾烷甾烷已经被广泛应用于原油对比研究和作为生油岩研究的输入标志。活的生物体中没有发现甾烷。甾烷是进入到沉积物中的原始甾醇经过还原作用而形成的，甾烯和甾二烯则是这一转化过程的中间产物。在甾醇、甾烷醇和其他前身物的转化的早期阶段，甾烯因各种微生物的化学反应而形成。这样生成的许多甾烯是不稳定的，将经历异构化反应或是在适当条件下，由于催化重排作用而形成重排甾烯。在这些不饱和化合物生成之后，由于还原作用而产生了甾烷和重排甾烷。影响甾烷分布的因素还有生物降解作用，生物降解作用引起的重大变化是优先从规则甾烷中去除20R的差向异构体，而不是20S差向异构体；同时选择性的去除C27的甾烷。和重排甾烷相比，生物降解作用优先去除规则甾烷，因此降解原油中重排甾烷的相对浓度会有所增加。甾烷包括芳香甾烷（用m/z143,239,或253离子可检测原油中单芳甾烷的分布）、三芳甾烷（m/z231和245是常用的两个离子，这些离子主要取决于化合物中甲基的取代数）。生物标志物谱图生物标志物谱图生物降解作用对成熟的典型石蜡烃原油组成的影响（据Alexander,1983b）化学组分生物降解程度1.典型的石蜡烃原油，丰富的正烷烃未降解2.低分子正烷烃的消失稍有讲解3.90%以上的正烷烃消失4.环烷烃消失；异戊二烯类化合物减少中等程度降解5.异戊二烯烷烃消失6.C14-C16二环烷烃消失强烈降解7.50%以上的(20R)-5a,14a,17a(H甾)烷消更强烈降解失8.甾烷变化；丰富的脱甲基藿烷严重降解9.脱甲基藿烷占优势；重排甾烷的某些极端严重降解变化，无甾烷10.(20S)-13B(H),17a(H重)排甾烷比20R差向异构体降解的更快异构和反异构烷烃同系物的存在以及奇偶优势通常指示植物蜡的输入。色谱柱技术》刘国诠余兆楼编著第二版化学工业出版社一、色谱柱理论概要保留时间tR和保留体积VR是色谱图即色谱淋洗曲线的两个基本参数，代表从进样点至溶质峰的最高点之间，通过柱子的流动相的体积及相应的通过时间。保留因子k原称为容量因子，用来描述色谱柱中溶质的迁移速度，被定义为溶质的分配系数与柱子相比之积。对于一个在柱子中不保留的溶质来说，其保留体积即为死体积V0，而V0为柱中流动相体积与柱外体积之和。柱外体积VE则为连接管路，进样器以及检测器等的体积之和。在实际测量中，往往使用某溶质峰值至死体积之间的距离除以死点至原点的距离而得到。这一简化计算的前提是柱外体积必须足够小。为了避免柱外体积及体积排除效应的影响，人们引进了另一个参数，即分离因子a，用以描述和表征两种不同的溶质在柱子中的分离过程，亦被称为选择因子或选择性。在实际的色谱分离过程中，当将一个样品注射进色谱柱后几乎都可以观察到一个小峰，它将先于所有其他组分而第一个流出色谱柱，通常认为这是在柱中不保留的成分及杂质的峰，他所需要的流动相体积即代表死体积V0。常用的测定死体积的物质有硝酸钠、硝普钠、硫代硫酸钠、硅溶胶等，以不同比例的甲醇—水为流动相，测定他们在反相柱上的保留值。二、气相色谱柱硅胶是一种氢键型的强极性固体吸附剂，品种有细孔硅胶、粗孔硅胶和多孔硅球等。气相色谱使用较多的是粗孔硅胶，其孔径为80—100nm表面积近300m2/g，可用于分析一氧化二氮、二氧化硫、硫化氢、六氟化硫、二氯氟烷及C1—C4烷烃等物质。硅胶的分离能力主要取决于孔径大小和含水量。用前通常要处理：对于市售的色谱专用硅胶可在200℃下活化2h后使用，如果使用市售的非色谱级专用硅胶，则先用6mol/l的盐酸浸泡2h，然后水冲洗至无CL-，晾干后至于马弗炉里200—500℃活化2h降温后储存在干燥器中备用。氧化铝有五种不同的晶型，气相色谱常用的主要是r型，具有中等极性，主要用于分析C1-C4烃类及异构体，在低温下也能用于分离氢的同位素。氧化铝具有很好的热稳定性和机械强度，但其活性随着含水量有较大的变化，故使用前通常需要进行活化处理，即450—1350℃灼烧2h。为保持其含水量稳定，可将载气先通过含结晶水的硫酸钠或是硫酸铜后在进入色谱柱。经过氢氧化钠处理改性的氧化铝，能在320—380℃柱温下分析C36以下的碳氢化合物，峰形很好。《石油化学》第二版梁文杰等编著一、石油的化学组成原油或称为石油，petroleum或crudeoil是一种从地下深处开采出来的黄色、褐色乃至黑色的可燃性粘稠液体，常与天然气并存。主要是由远古海洋或湖泊中的生物在地下经过漫长的地球化学演化而形成的烃类和非烃类的复杂混合物。元素组成：碳83-87%，氢10-14%，硫0.05-8%，氮0.02-2%，氧0.05-2%。碳氢两种元素一般占95%以上。将原油按沸点的高低切割为若干部分，即所谓馏分，每个馏分的沸点范围称为馏程或沸程。一般把原油中从常压蒸馏开始馏出的温度（即初馏点）到200℃或180℃之间的轻馏分称为汽油馏分，也称轻油或石脑油，常压蒸馏200或180-350℃中间的馏分称为柴油馏分或常压瓦斯油简称AGO，而将>350℃的称为常压渣油或常压重油简称AR。由于一般原油从350℃开始即有明显的分解现象，所以对于沸点高于350℃的馏分必须在减压下馏出。一般情况下，减压蒸馏只能蒸出相当于常压下<500℃的馏分，若采用新型的减压蒸馏装置，现已可蒸馏至相当于常压下550℃左右。为便于对比，本章中均以蒸馏至相当于常压500℃为准。所得的减压馏分可根据其利用途径不同称为润滑油馏分或减压瓦斯油