CN102749405A - 石油样品中五环三萜烷类化合物的定量分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石油样品中五环三萜烷类化合物的定量分析方法。该方法包括以下步骤：(1)制备得到待测样品；(2)利用全二维气相色谱-氢火焰离子化检测器分析待测样品，得到样品的GC×GC-FID谱图；(3)利用全二维气相色谱-飞行时间质谱分析待测样品，得到待测样品的GC×GC-TOFMS谱图；(4)数据处理：由步骤(3)得到的五环三萜烷类化合物的保留时间和质谱信息，确定五环三萜烷类化合物和标样在GC×GC-FID谱图上的出峰位置，根据峰面积计算并得到五环三萜烷类化合物的定量结果。该方法适用于所有原油和岩石抽提物样品中的五环三萜烷类化合物的定量。

Description

石油样品中五环三萜烷类化合物的定量分析方法

技术领域

本发明涉及一种石油样品中五环三萜烷类化合物的定量分析方法，尤其涉及一种石油样品中五环三萜烷类化合物的全二维气相色谱精确定量分析方法，属于石油样品分析技术领域。

背景技术

五环三萜烷是普遍存在于石油样品中的一类五元环类生物标志化合物，此类化合物的分布特征是研究石油的母质类型、沉积环境以及成熟度等方面信息的重要指标，是油源对比和油气二次运移等研究的主要目标化合物。

对五环三萜烷类化合物的定量分析在混源油识别、混源比例计算、油气二次运移示踪、生物降解原油程度判识、石油炼制加工、环境保护等方面的研究中有重要作用。五环三萜烷类化合物在石油样品中含量较低，常规色谱分离时由于共馏峰较多，无法对其进行色谱定量。长期以来，这类化合物的定量分析都是采用色谱-质谱方法。但受标样合成条件的限制，国内外的定量都是采用单一的标样，要么是5α-雄甾烷，要么是氘代的甾烷。众所周知，五环三萜烷类化合物的分子结构格架是五元环，其离子电离的特征离子峰是m/z191；而所用标样甾烷的分子结构格架是四元环，其离子电离的特征离子峰是m/z217，无论是裂解机理还是裂解碎片离子都与五环三萜烷类化合物的生物标志化合物有很大不同。依据分析化学的原理，质谱定量至少需要一种结构相似、具有相同特征离子峰的物质做标样，但目前利用单一的标样对各类生标定量，定量结果的准确性可想而知。即使使用氘代的五环三萜烷标准样品在GC-MS上为五环三萜烷类化合物定量，下列几点不足也无法避免：第一，五环三萜烷类化合物与色谱柱的柱流失物质有相同的特征离子，利用m/z191定量这类化合物时，含量低的物质容易被掩盖或者干扰，从而得到错误的定量结果；第二，Wang等(Wang H T，Weng N，Zhang S C，et al.Comparisonof geochemical parameters derived from comprehensive two-dimensional gaschromatography with time-of-flight mass spectrometry and conventional gas，chromatography-mass spectrometry.Science China：Earth Sciences，2011，54(12)：1892-1901)实验证实Ts(18α(H)-22，29，30-三降藿烷)和Tm(17α(H)-22，29，30-三降藿烷)与C₂₉以后的三环萜烷在它们共有的特征离子m/z191下具有共馏现象，用常规GC-MS定量时，它们的相互干扰会影响定量结果；第三，Peters等(Peters K E，MoldowanJ M著，张水昌等译，《生物标志化合物指南：生物标志化合物和同位素在环境与人类历史研究中的应用》；北京：石油工业出版社，2011：250-260)指出伽马蜡烷的对称结构有可能产生两个完全相同的m/z 191碎片，有时也可能一个，这种不确定性难以保证伽马蜡烷定量的准确性。

全二维气相色谱(GC×GC)是上世纪90年代发展起来的一种分离复杂混合物的全新手段，它的正交分离系统能够使五环三萜烷类化合物得到较好的分离。用全二维气相色谱-飞行时间质谱(GC×GC-TOFMS)分析石油样品中五环三萜烷类化合物的方法已见报道(王汇彤，翁娜，张水昌，等.全二维气相色谱/飞行时间质谱对饱和烃分析的图谱识别及特征.质谱学报，2010，31(1)：18-27；李水福，胡守志，曹剑，等.基于反相柱系统分析的原油烃类化合物全二维色-质谱图特征.石油实验地质，2011，33(6)：645-651)。但是将已公开的GC×GC-TOFMS分析方法直接移植到全二维气相色谱-氢火焰离子化检测器(GC×GC-FID)上应用，是不可行的。受一维和二维色谱柱的耐温性限制，应用已公开的全二维气相色谱分析方法，无法得到高沸点的C32以上的升藿烷系列化合物。延长高温保留时间可能会有更多的升藿烷类化合物馏出，但是会降低色谱柱的使用寿命，且色谱分析时间和质谱采集时间较长。分析一个样品至少需要2小时以上的时间，在质谱采集期间需要不停灌充液氮，既浪费时间又增加分析成本。此外，在已发表的方法中没有涉及定量方面的报道。

综上所述，国内外至今还没有一种令人满意的五环三萜类化合物的定量分析方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种定量分析石油样品中五环三萜烷类化合物的方法，该方法能够实现对于石油样品中的五环三萜烷类化合物进行精确的定量分析。

为达到上述目的，本发明提供了一种石油样品中五环三萜烷类化合物的定量分析方法，其是采用全二维气相色谱对石油样品中的五环三萜烷类化合物进行定量分析的方法，能够为油气勘探、石油炼制、环境保护等研究人员提供可靠的定量分析数据。该方法包括以下步骤：

(1)、样品前处理

将3g细硅胶在振荡情况下装入玻璃柱；取20mg原油或岩石抽提物样品，少量正己烷溶解，加入配制好的5α-雄甾烷标准样品溶液200μL，然后全部转入玻璃柱中，加入10mL正己烷淋洗，收集洗脱馏分，浓缩至1.5mL自动进样瓶中，得到待测样品；

(2)、全二维气相色谱-氢火焰离子化检测器仪分析

利用全二维气相色谱-氢火焰离子化检测器分析步骤(1)制备的待测样品，得到待测样品的全二维气相色谱检测谱图；

其分析条件分为全二维气相色谱条件和检测器条件，其中，

全二维气相色谱条件为：一维色谱柱为HP-5MS柱，升温程序为80℃保持0.2min，以5℃/min的速率升到280℃保持0.2min，再以0.8℃/min的速率升到305℃保持1min；二维色谱柱是DB-17HT柱，采用与一维色谱相同的升温程序，起始温度和终止温度比一维色谱高5℃(即升温程序为85℃保持0.2min，以5℃/min的速率升到285℃保持0.2min，再以0.8℃/min的速率升到310℃保持1min)；气相色谱进样口温度为310℃，采用分流进样模式，分流比为15∶1，进样量为1μL；以氦气为载气，流速为1.2mL/min；

调制器采用与一维色谱相同的升温速率，起始温度和终止温度比一维色谱高50℃(即升温程序为130℃保持0.2min，以5℃/min的速率升到330℃保持0.2min，再以0.8℃/min的速率升到355℃保持1min)，调制周期为6s，其中热吹时间为1.5s；

检测器条件为：所述检测器为氢火焰离子化检测器，其中载气、氢气、空气的流速分别为23mL/min、60mL/min、400mL/min；氢火焰离子化检测器温度310℃，采集频率为200谱图/s，溶剂延迟时间为1700s；

(3)、全二维气相色谱-飞行时间质谱仪分析

利用全二维气相色谱-飞行时间质谱仪分析步骤(1)制备的待测样品，得到待测样品的全二维气相色谱-质谱检测谱图；

其分析条件分为全二维气相色谱条件和飞行时间质谱条件，其中，

采用与步骤(2)相同的全二维气相色谱条件，质谱传输线和离子源温度分别为280℃和240℃，质谱检测器电压为1475V，质量扫描范围为40-520u，采集速率为100谱图/s，飞行时间质谱条件中溶剂延迟时间与步骤(2)中溶剂延迟时间相同，为1700s；

(4)、数据处理

对步骤(2)和步骤(3)得到的待测样品谱图进行数据处理，根据步骤(3)得到的全二维气相色谱-质谱检测谱图得到五环三萜烷类化合物的保留时间和定性信息，确定步骤(2)中五环三萜烷类化合物(一般确定常用五环三萜烷类化合物的出峰位置即可)和5α-雄甾烷在全二维气相色谱-氢火焰离子化检测(GC×GC-FID)谱图上的出峰位置，得到它们的峰面积积分结果，采用内标法计算得到五环三萜烷各个化合物的含量。

在检测分析过程中，相对于现有的方法，通过采用本发明提供的预处理方法，可以减少样品的采样量，并且在较少采样量的情况下仍能够获得良好的检测分析结果。

在数据处理过程中，确定出峰位置就是对照化合物的相对保留时间，根据全二维气相色谱-飞行时间质谱上化合物的保留时间，来确定FID检测器上化合物的出峰时间。对于峰面积积分结果的计算可以运用Chroma TOF软件的数据处理功能得到，样品分析后，可以在Chroma TOF软件中编辑相应的数据处理方法，然后运行这个数据处理方法得到积分结果。Chroma TOF软件是二维色谱仪自带的软件，具体处理方法可以参照现有的方式进行。

在本发明提供的上述方法中，优选地，HP-5MS柱的尺寸为30m×0.25mm×0.25μm。

在本发明提供的上述方法中，优选地，DB-17HT柱的尺寸为1.6m×0.1mm×0.1μm。

在本发明提供的上述方法中，优选地，细硅胶的粒径为100-200目，并且，所述细硅胶在200℃下进行4h的活化处理。

本发明提供的是一套完整的石油样品中五环三萜烷类化合物的定量分析方法，包括样品前处理、化合物定性及定量分析。本发明提供的全二维气相色谱-氢火焰离子化检测器分析方法通过控制两维色谱柱类型及长度，一维、二维色谱及调制器升温程序，载气流速，调制周期，热吹时间，检测器温度等工艺参数，得到了在色谱条件下有效分离五环三萜烷类化合物的方法。在本发明提供的方法中，16个参数是相辅相成的整体，更改任意参数都不能达到理想的分离效果。与已公开的全二维气相色谱-飞行时间质谱方法相比，本发明提供的方法所采用的色谱柱成本低，分析时间短，至少节省色谱分析时间49min以上，节省质谱采集时间72min以上，节省液氮60％以上，大大提高了分析效率，节约了分析成本。

与目前常规GC-MS定量方法相比，用全二维气相色谱仪分析五环三萜烷类化合物时，正交分离系统能够消除共馏峰的干扰，与氢火焰离子化检测器联用为这些化合物定量，无需昂贵的标准样品，用常规的标准样品就能得到准确的定量结果，且操作简单。实验结果显示：用本发明提供的定量分析方法得到的五环三萜烷类化合物定量结果的重复性好，18个常用藿烷和伽马蜡烷的7次重复试验定量结果RSD(相对标准偏差)小于5％，能够满足复杂体系的分析要求。

目前在国内石油地质实验领域，全二维气相色谱仪器的普及率很高，但由于建立方法需要投入的成本较高、且专业人员较少等问题的限制，至今还没有建立起一种有效地化合物分析方法。本发明提供的定量分析方法适用于所有原油和岩石抽提物样品中的五环三萜烷类化合物定量分析。该方法具有操作简单易学且重复性好的特点，其所得到的五环三萜烷类化合物定量结果相对于其他方法更加真实、可靠，适于在油气勘探、石油炼制、环境保护等研究和生产领域中应用，为理论研究和生产服务提供服务。该方法值得在行业内推广。

附图说明

图1a-图1c为南堡511井的灰色泥岩抽提样品的饱和烃组分中五环三萜烷的色谱图。

图2为18个藿烷化合物和伽马蜡烷用飞行时间质谱采集到的质谱图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

实施例

本实施例提供了一种石油样品中五环三萜烷类化合物的定量分析方法，采用该方法对渤海湾盆地南堡凹陷地区泥岩抽提物样品6个和1个柴达木盆地柳43井(样品的井号、井深、层位信息列于表1)原油样品进行分析，其包括以下步骤：

(1)样品前处理

将约3g的细硅胶(100-200目，200℃活化4h)在振荡的情况下装入玻璃柱中；各取20mg左右的样品，用适量正己烷溶解(重蒸过的分析纯)，加入5α-雄甾烷标准样品(浓度为0.0533mg/mL，溶剂为CH₂Cl₂)，然后全部转入玻璃柱中，加入10mL正己烷淋洗，收集洗脱馏分，浓缩至1.5mL自动进样瓶中待用，得到待测样品；

(2)全二维气相色谱分析-氢火焰离子化检测器分析

利用全二维气相色谱-氢火焰离子化检测器(GC×GC-FID)分析步骤(1)制备的待测样品，得到待测样品的全二维气相色谱检测谱图；

全二维气相色谱仪(GC×GC)是美国LECO公司产品，它是由美国Agilent公司的7890A气相色谱仪和LECO公司的双喷口冷热调制器组成，氢火焰离子化检测器(FID)是美国Agilent公司产品；GC×GC-FID的分析条件分为全二维气相色谱条件和FID检测器条件，其中：

全二维气相色谱条件为：一维色谱柱为HP-5MS柱(30m×0.25mm×0.25μm)，升温程序为80℃保持0.2min，以5℃/min的速率升到280℃保持0.2min，再以0.8℃/min的速率升到305℃保持1min；二维色谱柱是DB-17HT柱(1.6m×0.1mm×0.1μm)，采用与一维色谱相同的升温程序，起始温度和终止温度比一维色谱高5℃；气相色谱进样口温度为310℃，采用分流进样模式，分流比为15∶1，进样量为1μL；以氦气为载气，流速为1.2mL/min；

调制器采用与一维色谱相同的升温速率，起始温度和终止温度比一维色谱高50℃，调制周期为6s，其中热吹时间为1.5s；

检测器条件为：所述检测器为氢火焰离子化检测器，其中载气、氢气、空气的流速分别为23mL/min、60mL/min、400mL/min；氢火焰离子化检测器温度310℃，采集频率为200谱图/s，溶剂延迟时间为1700s；

(3)、全二维气相色谱-飞行时间质谱仪分析

利用全二维气相色谱-飞行时间质谱仪(GC×GC-TOFMS)分析步骤(1)制备的待测样品，得到待测样品的全二维气相色谱-质谱检测谱图；

全二维气相色谱-飞行时间质谱仪是美国LECO产品，型号是Pegasus 4D，其分析条件分为全二维气相色谱条件和飞行时间质谱条件，其中，

采用与步骤(2)相同的全二维气相色谱条件，质谱传输线和离子源温度分别为280℃和240℃，质谱检测器电压为1475V，质量扫描范围为40-520u，采集速率为100谱图/s，飞行时间质谱条件中溶剂延迟时间与步骤(2)中溶剂延迟时间相同，为1700s；

(4)、数据处理

利用数据处理软件处理步骤(2)和步骤(3)得到的待测样品谱图；

数据处理过程可以是由全二维气相色谱自带的ChromaTOF软件完成，这是本领域公知的；该软件适用于GC×GC-FID系统和GC×GC-TOFMS系统，软件有自动计算基线、峰查找、谱库检索和峰面积积分等功能；在处理GC×GC-FID数据过程中，可以先编辑好峰查找的条件，然后进行数据处理，软件会计算出所有化合物的保留时间和峰面积积分结果；在处理GC×GC-TOFMS数据过程中，可以先编辑好峰查找和谱库检索的条件，然后进行数据处理，软件会计算出化合物的保留时间和定性信息；其中得到的定性信息是根据飞行时间质谱采集到的化合物质谱图(见图2)，与标准物质谱图(例如NIST谱库中的标准物质谱图)进行比对，根据匹配度的高低得到的一个检索结果，并据此进行计算，得到化合物的种类、数量等信息；对于NIST谱库中未收录的化合物，可以通过与专业书籍(中华人民共和国石油天然气行业标准，生物标志物谱图SY5397-91)中标准物质的质谱图进行人工比对，得到该化合物的种类、数量等信息；具体处理方法可以参照现有的方式进行。

根据GC×GC-TOFMS得到的五环三萜烷类化合物的出峰信息，确定常用藿烷、伽马蜡烷和5α-雄甾烷在GC×GC-FID谱图上的出峰位置(南堡511井的待测样品的谱图如图1a所示)，并得到它们的峰面积积分结果；

由于在FID检测器上所有碳氢化合物的响应因子均相等，因此采用内标法得到7个样品中18个常用藿烷和伽马蜡烷的定量结果，详见表1。用上述实验方法重复分析柳43井样品7次，得到18个常用藿烷和伽马蜡烷的定量重复性结果RSD小于5％(见表2)。

图1a-图1c为南堡511号井的灰色泥岩抽提样品的饱和烃组分中五环三萜烷的色谱图，图中标记出18个常规藿烷化合物和伽马蜡烷。其中，图1a是该样品在GC×GC-FID下的全二维3D图，图1b是伽马蜡烷附近化合物在GC×GC-FID下的全二维点阵图，图中每个黑点代表一个化合物，图1c是该样品在GC-MS选择离子m/z 191下的色谱图。从图1c 可以看出，在GC-MS条件下伽马蜡烷由于附近化合物的干扰而未被很好的检出，而在GC×GC-FID谱图上，伽马蜡烷可以与附近化合物很好的被分开(如图1b所示)。

表1 7个样品中18个常用藿烷和伽马蜡烷的GC×GC-FID定量结果

表2 柳43#样品分析7次得到的18个常用藿烷和伽马蜡烷的GC×GC-FID定量结果

Claims (4)

1.一种石油样品中五环三萜烷类化合物的定量分析方法，其包括以下步骤：

(1)、样品前处理

将3g细硅胶在振荡情况下装入玻璃柱；取20mg原油或岩石抽提物样品，少量正己烷溶解，加入配制好的5α-雄甾烷标准样品溶液200μL，然后全部转入玻璃柱中，加入10mL正己烷淋洗，收集洗脱馏分，浓缩至1.5mL自动进样瓶中，得到待测样品；

(2)、全二维气相色谱分析-氢火焰离子化检测器分析

利用全二维气相色谱-氢火焰离子化检测器分析步骤(1)制备的待测样品，得到待测样品的全二维气相色谱检测谱图；其分析条件分为全二维气相色谱条件和检测器条件，其中，

全二维气相色谱条件为：一维色谱柱为HP-5MS柱，升温程序为80℃保持0.2min，以5℃/min的速率升到280℃保持0.2min，再以0.8℃/min的速率升到305℃保持1min；二维色谱柱是DB-17HT柱，采用与一维色谱相同的升温程序，起始温度和终止温度比一维色谱高5℃；气相色谱进样口温度为310℃，采用分流进样模式，分流比为15∶1，进样量为1μL；以氦气为载气，流速为1.2mL/min；

调制器采用与一维色谱相同的升温速率，起始温度和终止温度比一维色谱高50℃，调制周期为6s，其中热吹时间为1.5s；

氢火焰离子化检测器的检测条件为：载气、氢气、空气的流速分别为23mL/min、60mL/min、400mL/min；氢火焰离子化检测器的温度为310℃，采集频率为200谱图/s，溶剂延迟时间为1700s；

(3)、全二维气相色谱-飞行时间质谱仪分析

利用全二维气相色谱-飞行时间质谱仪分析步骤(1)制备的待测样品，得到待测样品的全二维气相色谱-质谱检测谱图；其分析条件分为全二维气相色谱条件和飞行时间质谱条件，其中，

采用与步骤(2)相同的全二维气相色谱条件，质谱传输线和离子源温度分别为280℃和240℃，质谱检测器电压为1475V，质量扫描范围为40-520u，采集速率为100谱图/s，飞行时间质谱条件中溶剂延迟时间与步骤(2)中溶剂延迟时间相同，为1700s；

(4)、数据处理

对步骤(2)和步骤(3)得到的待测样品谱图进行数据处理，根据步骤(3)得到的全二维气相色谱-质谱检测谱图得到五环三萜烷类化合物的保留时间和定性信息，确定步骤(2)中五环三萜烷类化合物和5α-雄甾烷在全二维气相色谱检测谱图上的出峰位置，得到它们的峰面积积分结果，采用内标法计算得到五环三萜烷各个化合物的含量。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述HP-5MS柱的尺寸为30m×0.25mm×0.25μm。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述DB-17HT柱的尺寸为1.6m×0.1mm×0.1μm。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述细硅胶的粒径为100-200目，并且，所述细硅胶在200℃下进行4h的活化处理。

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