色谱  2014, Vol. 32 Issue (10): 1144-1151   PDF (1692 KB)    
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童婷
张万峰
李东浩
赵锦花
常振阳
高儇博
代威
何生
朱书奎
气流吹扫-注射器微萃取-全二维气相色谱法用于原油组分的表征
童婷1, 张万峰1, 李东浩2, 赵锦花2, 常振阳1, 高儇博1, 代威1, 何生1, 朱书奎1     
1. 中国地质大学(武汉), 构造与油气资源教育部重点实验室, 湖北 武汉 430074;
2. 延边大学, 长白山生物资源与功能分子教育部重点实验室, 吉林 延吉 133002
收稿日期：2014-7-8
基金项目：国家自然科学基金项目（21077039）；高等学校学科创新引智计划（B14031）.
通讯作者：朱书奎，Tel:(027)67883067,E-mail：shukuizhu@126.com
摘要：建立了气流吹扫-注射器微萃取（GP-MSE）与全二维气相色谱/飞行时间质谱（GC×GC/TOFMS）联用分析原油成分的方法。为了找到适用于原油样品分析的GP-MSE条件，用饱和烃混合标准溶液和15种芳烃的混合标准溶液进行了条件优化，得到的最佳条件如下:取样量5 mg、萃取溶剂正己烷20 μ L、载气流速2 mL/min、加热时间3 min、加热温度300 ℃、冷凝温度-2 ℃。处理后的样品在全二维色谱/飞行时间质谱上进样分析，得到了满意结果。方法的检出限为34~93 μg/L，线性相关系数（R2）>0.99，对50种烃类化合物的回收率在82.0%~107.3%之间，相对标准偏差<10%（n=5）。结果表明GP-MSE-GC×GC/TOFMS法是一种新型绿色、高效、灵敏的分析方法，非常适合原油中挥发性与半挥发性组分的分析。
关键词： 气流吹扫-注射器微萃取     全二维气相色谱     质谱     原油    
Characterization of compounds in crude oils by gas purge micro-syringe extraction coupled to comprehensive two-dimensional gas chromatography
TONG Ting1, ZHANG Wanfeng1, LI Donghao2, ZHAO Jinhua2, CHANG Zhenyang1, GAO Xuanbo1, DAI Wei1, HE Sheng1, ZHU Shukui1     
1. Key Laboratory of Tectonics and Petroleum Resources of Ministry of Education, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China;
2. Key Laboratory of Natural Resources of Changbai Mountain and Functional Molecules of Ministry of Education, Yanbian University, Yanji 133002, China
Received: 2014-7-8
Abstract: A novel sample pretreatment method, gas purge micro-syringe extraction (GP-MSE), coupled to comprehensive two-dimensional gas chromatography/time-of-flight mass spectrometry (GC×GC/TOFMS) has been developed for the characterization of volatile and semi-volatile compounds in crude oils. In the sample pretreatment process, the analytes were carried to the microsyringe barrel by inert gas, and at the same time, trapped by an organic solvent. The whole process of extraction takes less than 10 min, and only 20 μ L of organic solvent was needed. Using two custom standard solutions containing alkanes and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), the influences of the extraction conditions were investigated. The optimized conditions were as follows: 5 mg crude oil, 20 μ L hexane (extraction solvent), extraction for 3 min at 300 ℃, condensation temperature set at -2 ℃, gas flow rate set at 2 mL/min. Under the optimized conditions, a real crude oil sample was extracted and then analyzed in detail. It showed that the proposed method was very effective in simultaneously analyzing the normal and branched alkanes, cycloalkanes, aromatic hydrocarbons, and biomarkers of crude oil such as steranes and terpanes. The recoveries obtained ranged from 82.0% to 107.3% and the detection limits ranged from 34 to 93 μg/L. The correlation coefficients (R2) were more than 0.99. The relative standard deviations (RSDs, n=5) for all the analytes were below 10%. The results indicate that the proposed method is suitable for the characterization of volatile and semi-volatile compounds in crude oils with easy operation, high sensitivity and efficiency.
Key words: gas purge micro-syringe extraction (GP-MSE)     comprehensive two-dimensional gas chromatography (GC×GC)     mass spectrometry (MS)     crude oils    

原油的化学组成复杂,通常需要经过繁琐的前处理步骤对样品进行族组分分离,再利用气相色谱(GC)或气相色谱-质谱联用(GC-MS)分离鉴定其组成。因常规一维气相色谱(1DGC)峰容量有限,色谱图上常出现“共馏峰”,影响定性定量结果的准确性。质谱多反应监测(MRM)和串联质谱(MS-MS)技术虽然在一定程度上加强了色谱分离定性能力,但仍然不能有效分辨原油中的混合物[1]。

全二维气相色谱(GC×GC)具有分辨率高、峰容量大、灵敏度高、分析速度快等优点[2],近几年在石油地质样品分析中的应用日益受到关注,并取得了一系列创新型成果,如:鉴定出一些新的原油生物标志化合物,分析重馏分油芳烃组分加氢处理产物中的单体化合物,利用原油的GC×GC指纹图谱来研究储层划分、评价原油成熟度、沉积环境和遭受生物降解程度等[3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12]。但是,大多数研究依然沿用了传统的样品前处理方法,处理一个样品需要花费数小时;有的为了避免样品处理过程中组分的损失而采用了直接进样法进行分析,这会对仪器造成污染,缩短色谱柱的使用寿命,而且复杂样品基质的干扰也会影响目标组分的定性定量分析[13]。

气流吹扫-注射器微萃取法(GP-MSE)集萃取、分离、富集和进样于一体,整个萃取过程只需5～10 min,与固相微萃取技术相比,该方法提供了一种开放式的萃取系统,几乎可以达到挥发及半挥发性组分的完全萃取,目前已成功应用于植物及土壤中多环芳烃、烷基酚、有机氯农药的分析[14, 15],本文尝试将该方法应用到原油样品的前处理中,并与全二维气相色谱/飞行时间质谱(GC×GC/TOFMS)联用,实现了对原油成分快速、高效、灵敏的分析。

1 实验部分
1.1 试剂

饱和烃混合标准溶液(包含n-C8～n-C40、pristane、phytane,0.5 g/L,Accustandard,USA);15种芳烃的混合标准溶液(包含萘、苊、二氢苊、芴、菲、荧蒽、芘、 屈 艹 、苯并[a]蒽、苯并[b]荧蒽、苯并[k]荧蒽、苯并[a]芘、茚并[1,2,3-cd]芘、二苯并[a,h]蒽、苯并[g,h,i]苝,0.2 g/L,Accustandard,USA)；层析用硅胶(上海纳辉干燥试剂厂):粒径0.177～0.149 mm,使用前在150 ℃下活化8 h;层析用氧化铝(上海纳辉干燥试剂厂):粒径0.149～0.074 mm,使用前在400 ℃下活化4 h;医用脱脂棉:氯仿抽提至不发荧光;正己烷、氯仿、二氯甲烷(色谱纯,安徽时联特种溶剂有限公司)。

1.2 标准溶液及加标样品的配制

饱和烃混合标准溶液用二氯甲烷稀释,分别配制成质量浓度为5、10、20、50、100、200、500 mg/L 的标准溶液；芳烃混合标准溶液用二氯甲烷/甲醇(1 ∶ 1,v/v)溶液稀释,分别配制成1、5、10、20、50、100、200 mg/L 的标准溶液,摇匀并置于冰箱中保存。加标样品的配制:称取150 mg原油样品两份,分别用正己烷溶解过滤后,用氯仿冲洗脱脂棉并收集沥青质,在自然挥干的沥青质中分别加入100、200 μ L标准溶液,超声混合均匀。

1.3 气流吹扫-注射器微萃取

气流吹扫-注射器微萃取装置见文献[15],样品首先在加热器上加热,在惰性气体的带动下,挥发性的目标分析物通过微量注射器针头进入针筒内,在冷凝器(冷凝温度设置为-2 ℃)内捕集。方法的操作过程如下:

(1)利用微量注射器移取10 μ L标准溶液或称取一定质量的原油样品,加入样品管中的玻璃棉上,将样品管放入样品加热槽中,塞上硅橡胶垫;(2)将100 μ L微型注射器(正己烷洗涤)通过冷凝器刺透硅橡胶垫,针尖刚好穿过硅橡胶垫底端;(3)通入氮气并调整流速,加入萃取溶剂,设定加热和冷凝温度后进行萃取;(4)萃取结束后定容至0.5 mL,取1 μ L进样分析。

1.4 GC仪器与分析条件

Agilent 7890A气相色谱仪,带氢火焰离子化检测器(FID)。色谱柱为HP-5MS(50 m×0.25 mm×0.25 μ m,J&W Scientific,USA)。载气为高纯N2(纯度≥99.9995% ),流速1 mL/min。进样口温度300 ℃。升温程序:初温50 ℃,以2 ℃/min 升到300 ℃,保持10 min。进样量1 μ L,不分流进样。

1.5 GC×GC-TOFMS仪器与分析条件

全二维气相色谱仪由Agilent 7890A气相色谱仪和两级四喷口调制器组成;Pegasus 4D型飞行时间质谱仪(美国Leco公司)。柱系统:一维柱为HP-5MS(60 m×0.25 mm×0.25 μ m,J&W Scientific,USA),二维柱为DB-17HT(1.6 m×0.10 mm×0.15 μ m,J&W Scientific,USA)。载气为高纯He(纯度≥99.9995% ),流速1 mL/min。进样口温度300 ℃。一维升温程序:初温50 ℃,以2 ℃/min 升到300 ℃,保持30 min;二维炉温比一维高10 ℃。调制器温度比一维炉温高15 ℃,调制周期6 s,其中热吹时间1.5 s。进样量1 μ L,采用不分流进样。飞行时间质谱条件:离子源温度230 ℃,电离能量-70 eV,检测器电压 1550 V,传输线温度280 ℃,采集质量数范围50～550 amu,谱图采集频率100 spectra/s,溶剂延迟时间6 min。

1.6 样品前处理

实验对比了3种样品前处理方法:(a)传统柱层析方法:取30 mg原油,用10 mL正己烷溶解,静置过夜后过滤掉沥青质,将滤液浓缩至1～2 mL后在硅胶柱上用二氯甲烷淋洗,氮吹仪上吹至近干,转移至细胞瓶并定容为1 mL后进样；(b)直接进样:取30 mg原油,用5 mL正己烷溶解,离心分离出上清液,自然挥发部分溶剂后,转移至细胞瓶并定容至1 mL后进样；(c)GP-MSE处理:取5 mg原油按照1.3节中的GP-MSE操作过程萃取后进样。

2 结果与讨论
2.1 GP-MSE法与其他前处理方法的比较

原油基质复杂,选择合适的前处理方式十分关键。针对这个问题,我们对比研究了传统的柱层析法、上清液直接进样法和GP-MSE法3种前处理方式,分别在GC-FID上进样分析,得到的色谱图如图1所示。可以看出:传统的柱层析法(图1a)中轻组分有明显损失,直接进样法(图1b)和GP-MSE法(图1c)相较于传统柱层析法,轻烃的保留均有不同程度的提高。GP-MSE法(图1c)相较于直接进样法(图1b)取样量较少,但轻烃有部分损失,这是由于在萃取及将注射器中的溶液转移至细胞瓶的过程中,可能会有一部分轻烃挥发。

图1 样品经3种前处理方法处理后的GC-FID色谱图 Fig.1 GC-FID chromatograms of a sample treated with three pretreatment methods a. column chromatography; b. direct injection; c. GP-MSE.

柱层析法是目前国内外常用的原油样品分级处理方法,但样品浓缩过程易导致轻组分损失。上清液直接进样法中各组分信息保留完整,但是该方法存在以下不足:首先,组分未被富集,一些痕量组分可能难以检测到;其次,难挥发组分在仪器和色谱柱中残留,影响仪器和色谱柱的使用寿命。GP-MSE法使用样品和溶剂量少(10 μ L),方法简单快速,整个萃取过程只需5～10 min,组分富集效果好。上述结果表明GP-MSE法非常适合原油样品的前处理。

2.2 GP-MSE条件的优化

在GP-MSE工作过程中,样品被加热,基质中的目标化合物随惰性气体进入到冷凝液中被捕集,最后再进入色谱仪进行分析。因此载气流速、样品加热温度、样品加热时间和冷凝温度都是影响萃取效率的重要参数。由于一般研究的原油样品中的目标化合物主要为挥发性在n-C8～n-C40之间的饱和烃和单环、多环芳烃,因此,本实验分别用n-C8～n-C40饱和烃混合标准溶液、芳烃混合标准溶液进行条件的优化。取10 μ L的标准溶液加入样品池中,在针筒中加入20 μ L二氯甲烷,萃取完成后,加入二氯甲烷定容至0.5 mL,取1 μ L进样。为了方便作图和对比,我们选取几个代表性的组分进行峰面积积分,然后计算各代表性组分的回收率来展开讨论。饱和烃选用n-C8、n-C16、n-C24、n-C32、n-C40等正构烷烃为代表物,芳烃选用萘、菲、 屈 艹 、二苯并[a,h]蒽、苯并[g,h,i]苝为代表物。

2.2.1 载气流速

在加热的条件下,通过控制气体流速来控制目标化合物从气相到液相的质量传输,从而影响萃取效率。为了研究载气流速的变化对萃取效率的影响,将载气流速设为1.0、2.0、3.0、4.0和4.5 mL/min(其中4.5是GP-MSE允许的最大流速),结果表明改变载气流速对饱和烃和芳烃萃取效率的影响不明显。在上述5种载气流速下,饱和烃和芳烃的回收率均达到82%以上,因此只要载气流速可以保证目标化合物气化后完全转移到注射器冷凝液中即可。本实验为了便于注射器中有机溶剂体积的控制以及考虑到节约气体,将载气流速控制在2.0 mL/min。

2.2.2 加热时间

样品池中的原油被加热,其中的挥发性、半挥发性化合物气化,随着惰性气体进入到针筒内并溶解在其中的有机溶剂中;随着时间的增加,这个过程达到一个平衡。1～2 min时随加热时间的增加,饱和烃萃取效率迅速增加,2 min时C8～C32的回收率已经达到80%以上,加热时间为3 min时所有饱和烃的萃取效率都达到80%以上,再增加加热时间,萃取效率基本不变。对于芳烃,加热时间为2 min时就已经达到平衡,回收率均达到80%以上。综合考虑两类化合物的萃取平衡,选择加热时间为3 min。

2.2.3 加热温度

加热温度升高,可以保证目标化合物中相对分子质量较大的化合物充分气化,从而能使更多的组分随惰性气体进入针筒内被捕集,但温度也不适合无限升高,还需要与色谱仪进样口温度匹配。本实验分别选择200、250、280、300和310 ℃ 5个不同的加热温度进行对比实验,结果见图2。可以看出,当温度升高到300 ℃时,所有饱和烃的回收率均达到80%以上;再升高温度,回收率基本不再增加。加热温度上升到280 ℃时,芳烃的萃取效率就已均达到 84%以上。综合考虑饱和烃和芳烃的萃取效率,实验选择的加热温度为300 ℃。在这个温度下,冷凝温度设为-2 ℃,有机溶剂就可以捕集目标化合物。

图2 加热温度对饱和烃及芳烃萃取效率的影响 Fig.2 Effect of extraction temperature on the efficiency for the saturated and aromatic hydrocarbons Extracting solvent: dichloromethane; solvent volume: 20 μ L; gas flow rate: 2 mL/min; heating time: 3 min; cooling temperature: -2 ℃.
2.3 回收率、检出限和相对标准偏差

取5 mg加标样品,按照1.3节中的操作步骤进行实验,再依据上述实验确定的测定条件,测定了35种饱和烃以及15种芳烃的检出限(S/N=3)在34～93 μ g/L 之间,线性相关系数R2＞0.99,通过5次平行试验得出的相对标准偏差(RSD)在10%以内,加标样品中这50种化合物的回收率范围为82.0% ～107.3% 。详细数据见表1和表2。

表1 35种饱和烃的线性回归方程、线性相关系数(R2)、检出限(DL)、相对标准偏差和回收率 Table 1 Linear regression equations,correlation coefficients (R2),detection limits (DL), RSDs and recoveries for the 35 saturated hydrocarbons

表2 15种芳烃的线性回归方程、R2、DL、相对标准偏差和回收率 Table 2 Linear regression equations,R2,DL,RSDs and recoveries for the 15 aromatic hydrocarbons
2.4 实际原油样品的分析

采用建立的方法,对一个实际原油样品进行了GP-MSE处理后,采用GC×GC/TOFMS对其进行分析,图3是得到的GC×GC/TOFMS总离子流色谱图,由于沸点和分子极性的不同,不同类型化合物在2D平面图上有规律地分布在不同区域,形成所谓的结构谱图,表现出明显的族分离效应和瓦片效应,易于组分的分类识别鉴定。在GC×GC/TOFMS谱图上与某一标准品具有相似保留时间和分子结构的一类化合物,具有相似的响应因子,可以用该标准品的曲线来进行定量而不会导致较大的误差[16, 17]。因此,本研究中对于缺乏标准样品的组分,选择了相应标准品的曲线来进行定量(默认它们之间的相对校正因子为1)。根据标准样品比对、GC×GC结构谱图、TOFMS谱库以及我们课题组建立的原油组分保留指数库,对该原油样品中的化合物进行了详细的鉴定,限于篇幅,表3和表4列出了部分饱和烃、芳烃组分和生物标志物的定性和定量结果。

图3 原油样品的全二维气相色谱总离子流色谱图 Fig.3 GC×GC/TOFMS total ion current chromatogram of a crude oil sample For peak numbers,see Table 4.

表3 部分饱和烃和芳烃化合物的鉴定结果 Table 3 Identification of some saturated and aromatic hydrocarbons

表4 图3中标记的多环萜烷和甾烷的鉴定结果 Table 4 Identification of polycyclic terpanes and steranes marked in Fig.3
3 结论

建立了GP-MSE-GC×GC/TOFMS用于原油成分分析的方法。相较于传统的柱层析法,GP-MSE法具有快速、高效、灵敏、有机溶剂使用量少的特点,达到了快速提取、净化同步完成的前处理目的,该技术与全二维气相色谱联用,非常适合原油中挥发性与半挥发性组分的同时快速分析。

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