Peter Hancock,¹Jody Dunstan,¹Keith Hall,²Gareth Harriman³
1沃特世公司(英國曼徹斯特)
2Hall Analytical Laboratories Ltd., (英國曼徹斯特)
3GHGeoChem Ltd., (英國利物浦)

應用優勢
通用型電離源可促進APGC、UPLC^®或UPC^2TM在同一MS平臺上快速方便地實現聯用。 APGC是一種軟電離技術，與傳統的EI相比可生成更少量的碎片離子。清楚確認油藏的沉積環境。

沃特世解決方案
大氣壓氣相色譜(APGC)
Xevo^® TQ-S
MassLynx^® 軟件

關鍵詞
石油，生物標記物，串聯四極桿，MRM，APGC，甾烷，藿烷

簡介
石油勘探和油田開發在很大程度上取決于對原油及烴源巖中“生物標記物”的認識和使用，以解決關于油氣的源頭、貯藏和演變歷史的問題。這些“生物標記物”屬于分子化石，可在地質條件下穩定存在。它們還相當于石油的“DNA”，不僅能提供石油的生物來源信息，還可提供母質有機質的沉積環境以及埋藏的有機質的熱演化歷史等信息。這些信息有許多用途，尤其在上游應用方面，并且最終可將特定的地理位置與經濟生產率相關聯。由于烴類化合物未曾暴露于大氣(并降解)或高溫環境中，因此生物標記物在整個地質時期呈穩定狀態。它們為石油和烴源巖的指紋圖譜研究提供了強有力的工具，對石油與石油及其母質烴源巖之間的聯系具有重要意義。

石油可能來自多種源頭，主要來源于在陸相或水相環境中沉積的有機質。陸相石油來自于由陸生植物衍生的物質，例如煤和樹脂。生物標記物將利用雙杜松烷反映這一信息，指示樹脂的輸入，而其它生物標記物如齊墩果烷和羽扇豆烷與開花植物相關。石油的水相環境包括頁巖、碳酸鹽巖和蒸發巖中包含的海相有機質或湖泊(湖泊環境)。其中，生物標記物將反映所含的源有機質輸入和烴源巖的礦物成分。例如，24-正丙基膽甾烷(C30甾烷)遍布于海相環境中，但卻不存在于湖泊或陸相衍生石油中。同樣，大量的伽馬蠟烷表明石油的烴源巖沉積于鹽度較大的環境中。

實驗

樣品制備
用過量的正庚烷對石油樣品進行沉淀，除去其中的瀝青質。

GC條件
系統：  Agilent 7890和7683B自動進樣器
色譜柱： Restek Rxi-5Sil MS 30 m 0.25 mm，0.25 m
載氣：   氦氣，1 mL/min
溫度程序：  在50 ˚C下保持2 min以10  ˚C/min升至180 ˚C，以2.5 ˚C/min升至315  ˚C，保持11 min
進樣口溫度： 300  ˚C
進樣模式： 1 µL，不分流，1.5 min 放空
補充氣體：  氮氣，400 mL/min 傳輸線溫度： 350  ˚C

MS條件
系統：  Xevo TQ-S
電離源： APGC
電暈針電流： 2 µA
電離源補償： 50 V
源溫度： 150 ˚C
錐孔氣體：  氮氣，150 L/hr
輔助氣體：  氮氣，300 L/hr
采集模式：  多反應監測(MRM)

生物標記物在石油中濃度較低，通常被含量更高的正烷烴所掩蓋。雖然石油可通過氣相色譜—質譜(GC-MS)法結合電子轟擊離子源(EI)，在選擇離子掃描模式下進行常規分析，但是在分析之前通常必須先將其分離為飽和烴餾分和芳香烴餾分。即使如此，如果正烷烴在C25至C35范圍內含量較高(生物標記物在此區域洗脫)，那么需將正烷烴除去以對

生物標記物進行預濃縮。將從這些分析得到的質譜圖、甾烷m/z 217，藿烷m/z 191用于石油的地球化學評估中。盡管這些分析方法十分有效，但是由于目標生物標記物含量太低(C26和C30甾烷)或多種標記物被共流出(如果藿烷的豐度遠遠超過甾烷，那么甾烷的鑒別將非常困難)而造成某些信息丟失。由于樣品非常復雜，生物標記物含量相對較低，通常需要采用氣相色譜-串聯質譜法(GC-MS/MS)分析來解決具體的地球化學問題。C30甾烷在海相油源中大量存在。但是，標記物含量較低并且與4-甲基甾烷共流出，這意味著只能利用MS/MS才能對其進行準確的檢測和定量。

正如MS/MS已被證明可以改善這些化合物的質譜分析測定結果，大氣壓電離的使用體現了相較于EI的優勢。大氣壓氣相色譜(APGC)可生成分子離子M•+，但其相對豐度比在EI模式下高得多。這提高了MS第一階段的選擇性，并將高豐度的分子離子傳輸至碰撞池，以在MS/MS分析過程中實現可控的碎片解離。相比之下，在EI模式下只能生成固定的碎片離子和低豐度的分子離子。由于EI和APGC在電荷交換條件下采用相同形式的分子離子模式，因此用于APGC-MS/MS和GC-MS/MS的MRM躍遷同樣有利于將歷史數據與采用這種新途徑獲取的結果相關聯。在此應用紀要中，我們報告了一種新型分析技術，通過APGC-MS/MS方法分析烴源巖和原油中的石油生物標記物。

結果與討論
采用APGC的電離與大氣壓化學電離(APCI)類似，因為二者均可以生成分子離子。APGC是一種“軟”電離技術，生成的碎片較少。強分子離子峰的存在為MS/MS分析提供了理想的條件。

圖1顯示了海相原油中C30五環三萜烷的APGC質譜圖與EI質譜圖的對比結果。在EI模式下可以得到大量的低質量數的碎片。這導致MRM躍遷的母離子較少，并且降低了選擇性。如果選擇分子離子峰為母離子，則會降低靈敏度。在APGC模式下觀察到的碎片較少，并且分子離子峰為基峰。進行MRM分析時，獲得高強度的母離子對于降低檢測限是至關重要的。

高成熟度石油中的生物標記物含量較低，這就需要采用高靈敏度和高選擇性的質譜分析儀對這類石油進行定性和定量。圖2顯示了藿烷和甾烷的典型MS碎片。MS/MS降低了基質干擾，使地球化學工作者能夠監測特定的母離子-子離子躍遷，得到GC-MS在SIR模式下無法獲取的信息。圖3顯示了C26和C30甾烷的洗脫區域，揭示出利用GC-MS在SIR模式下將C27-C29甾烷共流出所伴隨的這些低豐度組分的相關問題。

GC-MS/MS在生物標記物分析方面最常見的應用之一是對甾烷進行檢測和定量。所得結果可定義以下方面：
1. 通過評估C30甾烷存在與否確定石油來源于海相還是非海相。
2. 通過評估C28/C29甾烷的比率以及C26甾烷確定產油烴源巖的年齡。

圖4中所示示例為來源于侏羅紀時代海相烴源巖的英國北海石油。通過在MS/MS模式下分析，地球化學工作者不僅可以確認其海相起源(存在C30甾烷)，還能夠通過C28/C29甾烷比率(0.41)和24-降重排膽甾烷或NDR比率（峰1+2/1+2+3+4=0.2)確認石油來自于侏羅系烴源巖。MS/MS的選擇性使定量更加容易，因為組分之間未發生共流出。

圖5顯示了來自科特迪瓦的混合石油的甾烷和藿烷GC-MS SIR數據。疊置的油藏所含的石油源自在海相條件下沉積的烴源巖，但也受到了來自陸相有機質的顯著影響。基于這些數據的生物標記物檢測首先為石油的陸相來源提供了解釋，因為石油所含有的大量標記物表明母質烴源巖處于河湖三角洲沉積環境。這些標記物包括齊墩果烷(源于高等植物)和豐富的C29甾烷(源于陸生植物)。C30甾烷僅可通過APGC-MS/MS鑒定，結果如圖6所示，確證了海洋環境對石油母質烴源巖的影響。

非極性GC色譜柱在石油生物標記物GC-MS分析中使用很廣泛，通過該色譜柱可得到C30藿烷之前的峰流出，通常確定為齊墩果烷。齊墩果烷的母離子(m/z 412)與C30藿烷相同，但是保留更弱。然而，羽扇豆烷與齊墩果烷具有相同的質量數和極其相似的質譜圖，不同的是其存在m/z 369的子離子。目前，人們對羽扇豆烷作為地球化學標記物的重要性知之甚少，這在很大程度上是因為它常被認作齊墩果烷。這些化合物可通過反相HPLC進行充分分離，但如果想要采用單一分析系統，APGC-MS/MS則是首選，它可以確定在C30藿烷之前洗脫的峰是齊墩果烷還是羽扇豆烷。圖7顯示了具有在C30藿烷之前流出的峰的餾分示例。通過對第二次躍遷進行監測，我們能夠很容易看出，在相同的保 留時間處無峰流出。這表明分析樣品中只含有齊墩果烷而不含有羽扇豆烷。

結論
APGC是一種軟電離技術，與傳統的EI相比可生成更少的碎片離子。APGC在干燥的條件下運行，通常能夠生成較強自由基陽離子分子離子峰的質譜圖，有利于與不同來源的EI數據庫進行直接比較。這些離子的豐富性以及MRM躍遷模式，有助于石油生物標記物特異性更強，靈敏度更高，從而提供有關石油的生物源、母質有機質的沉積環境和埋藏的有機質的熱演化歷史等信息。這些信息在上游應用方面非常有用，并且最終可將特定的地理位置與經濟生產率相關聯。

所有沃特世儀器配備的通用型電離源有利于APGC、UPLC或UPC²在同一MS平臺上快速方便地實現聯用。APGC與Xevo TQ-S聯用時可以對低含量的石油生物標記物進行定量，從而清楚確認油藏的沉積環境，這對于GC-MS系統是很難實現的。

參考文獻

1.  A G Holba, L I P Dzou, W D Masterson, W B Hughes, B Huizinga, M M  Singletary, M Moldowan, M R Mello, and E W Tegelaar. (1998). Application of  24-norcholestanes for constraining source age of petroleum. In: Advances in  Organic Geochemistry 1997. Proceedings of the 18th International Meeting,  Maastricht NL. September 22-26. Vol. Part II Biogeochemistry, Pergamon   Press & EAOG pp. 1269-1284: Org. Geochem V.29 Nos. 5/7.
2.  H P Nytoft, A Jorgen, B Koefoed, F G Christiansen, M G Fowler. Oleanane or  Lupane? Reappraisal of the presence of oleanane in Cretaceous-Tertiary oils  and sediments. In: Org. Geochem 33: 1225-1240, 2002.
3.  K E Peters, CC Walters, J M Moldowan. The Biomarker Guide. Cambridge  University Press ISBN: 0 521 83763 4, 2005.

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