对于石油中沸点较低、结构相对简单的轻质油组分而言,通过采用气相色谱(GC)、气相色谱-质谱(GC-MS)^[7]、气相色谱-串联质谱(GC-MS/MS)^[8]和全二维气相色谱-飞行时间质谱(GC×GC-TOF MS)^[9,10]技术平台即可实现详细分子水平表征。而对于原油及重质油馏分,则由于其沸点高、杂原子含量高和组成复杂,往往需要借助高分辨质谱技术平台才能实现其分子水平表征。

目前,在石油组学研究领域应用最为广泛的是傅里叶变换离子回旋共振质谱仪(FT-ICR MS),其超高的质量分辨率使得软件可以根据测定的准确分子质量对石油分子式进行精准预测^{[1, 2, 11, 12]}。佛罗里达州立大学的Marshall等^[13]已将FT-ICR MS的磁场强度提高至21特斯拉(T),在m/z 400范围内其质量分辨率可达到百万数量级,单一谱图鉴定有机分子的数量也超过 30000 个。如图1所示,最新型的FT-ICR MS仪器在高相对分子质量端(～1600 Da)仍然可以区分1.1 mDa的微小质量差异(C₄与¹³CSH₃),充分说明质谱分辨率的提高可以极大改善石油组学分析通量与鉴定结果的准确性。

图1

Fig. 1

图1 区分1.1 mDa(C4与13CSH3,黑色)和3.4 mDa(C3与SH4,蓝色)质量偏差时,FT-ICR MS所需的分辨率与质荷比(m/z)之间的关系[13] Fig.1 Attainable FT-ICR mass resolving power as a function of mass-to-charge ratio (m/z) at 9.4 T (green) and at 21 T (red),for resolution of a 1.1-mDa split (C4 vs 13CSH3,black),or resolution of a 3.4-mDa split (C3 vs SH4,blue)[13]

对于质谱分析而言,除了质量分辨率对检测结果的影响外,选择合适的离子源对于获得准确的定性定量结果也很重要。由于石油样品的高度复杂性,传统的电子轰击电离源(EI源)容易产生大量的碎片离子,使得谱图较为复杂,因此需要更为温和的软电离技术实现石油分子的检测^[2]。比较理想的软电离技术是场电离/场解吸离子源(FI/FD),该种离子化方式可对占石油组成90%的烃类分子有较为均一的响应。但由于其离子淬灭时间短、电离效率低等缺点,使得该种电离源很难与扫描时间较长的FT-ICR MS联用^[12]。Schaub等^[14]通过引入连续流进样系统,解决了FD源进样量不连续的问题,可实现长达1 h的稳定离子流检测,从而提高FT-ICR MS谱图的信噪比和动态检测范围。Smith等^[15]通过引入自动进样器和自动FD控制器实现液体注射场解吸/电离源(LIFDI)的自动化控制,为高通量、可重复的样品测定提供了有效的技术平台。Linden等^[16]发现用氦气作为六级杆离子阱中的碰撞气,可改善LIFDI源产生的母离子传输过程中易碎裂的问题,从而提高分子离子峰强度。尽管上述实验室已经对FI/FD源与FT-ICR MS的联用技术做了较多改进,但国内相关实验室尝试将这些改进后的FI/FD源用于石油样品分析时,却并未取得理想的分析结果^[12]。因此该种离子源在商品化高分辨质谱仪器上的应用还有很长一段道路要走。

2000年以来,在生物大分子分析领域得到广泛应用的电喷雾电离源(ESI)与FT-ICR MS的联用极大地推动了石油组学技术的发展^[17]。该技术成功解决了石油分子中极性化合物分析的传统难题^[18,19],而对于极性较弱的含硫化合物,也可以通过甲基化/苯基化衍生反应^[20],实现ESI源下的有效电离。最近,Lobodin等^[21]发现,利用亲电性的金属阳离子(Ag⁺)与富电子的硫化物/芳香性化合物之间的相互作用,可以显著改善该类化合物在ESI源下的离子化效率。与甲基化衍生反应得到的结果相比,银离子加合(silver cationization)(+)ESI源不仅避免了冗余的衍生化反应步骤,而且可以实现具有较高等价双键数(DBE)重馏分化合物的检测。除了银离子加合(+)ESI源,他们还利用质谱分析时常见的碱金属加成现象^[22]改善石油分子的检测。通过锂离子加合(lithium cationization)(+)ESI源,可以显著提高重质原油中硫氧化合物的离子化效率。由于该种化合物主要集中于水油界面,因此这种离子化方式对于原油开采过程分析及原油泄漏分析具有重要实用价值^[23]。

另外一种应用较为广泛的软电离技术是大气压光致电离源(APPI)。与通常用于极性化合物电离的ESI源不同的是,该种离子源既能电离弱极性化合物,又可电离大部分烃类化合物,是石油分析比较理想的电离技术。Purcell等^[24]首次将APPI源与FT-ICR MS联用,并将其用于石油样品中弱极性的芳香组分和含硫芳烃化合物分析。他们在研究中还发现,由于APPI源响应广泛,使得质谱峰数量相对较多,因此在分子识别时往往需要更高的质量分辨率。Bae等^[25]采用15 T的FT-ICR MS结合ESI和APPI两种离子化方式,对页岩油中的极性化合物和非极性化合物进行分子组成分析,最终鉴定到 30000 种化合物。最近,Cho等^[26]利用不同类型氮化物在APPI离子化过程中产生的H/D交换数目不同(溶于氘代甲醇)的特征,将其与高分辨质谱相结合,用于不同原油来源的氮化物类型推断。

除了这几种常用离子源之外,还有大气压激光电离源(APLI)^[27]、大气压化学电离源(APCI)^[28]、基质辅助激光解吸电离源(MALDI)^[29]、解吸电喷雾电离源(DESI)^[30]、实时直接分析电离源(DART)^[31]、激光诱导声波解吸电离源(LIAD)^[32]等多种新型电离源与FT-ICR MS联用,但目前都还没有在石油组学分析中得到广泛应用。

作为石油组学分析最主流的技术平台,FT-ICR MS在石油分子水平表征方面发挥着不可替代的作用。然而其高昂的仪器价格以及维护费用限制了它在一般实验室的广泛应用,这也成为制约石油组学技术发展不可忽视的重要因素。因此,发展新的分析方法,拓宽石油组学研究平台成为必然的选择。近些年,在生物分析领域取得巨大成功的高场轨道阱质谱仪^[33,34],由于其相对较高的质量分辨率(R=100000～480000,m/z 400)和合适的性价比引起了石油组学分析领域研究人员的广泛关注。

Smith等^[35]采用线性离子阱-轨道阱质谱仪(LTQ Orbitrap MS)对生物质热解产物中非挥发性物质进行结构鉴定,证实其主要为等价双键数为9～17的含氧化合物。与石油样品所不同的是,由于生物油的复杂度较低,因此可以借助二级质谱得到的碎裂信息进行结构的推测。Pomerantz等^[36]详细考察了Orbitrap MS用于原油分析的可能性,结果如图2所示。尽管分辨率远低于FT-ICR MS,但其对原油中杂原子类型以及分布比例的测定仍然可以取得与FT-ICR MS相一致的分析结果,证实其在石油分子组成分析方面的潜力。对于高相对分子质量端以及低丰度化合物的分析,Orbitrap MS则由于分辨率和信噪比的限制,仍无法与FT-ICR MS相媲美。最近,Zhurov等^[37]考察了Orbitrap Elite仪器(R=480000,m/z 400)用于石油组学分析的性能。结果显示,虽然在胶质和软沥青馏分的分析中取得了与FT-ICR MS (9.4 T)相当的效果,但由于石油样品的高度复杂性,该仪器仍然更适合分析含硫量较低的轻石油组分。

图2

Fig. 2

图2 FT-ICR MS和Orbitrap MS得到的原油杂原子类型 分布对比图[36] Fig.2 Heteroatom class distributions measured by FT-ICR MS and Orbitrap MS[36]

由于Orbitrap MS本身的分辨率限制,使得其在组成复杂的石油样品元素组成鉴定方面弱于FT-ICR MS。因此,有研究者试图通过质量校正等后续数据处理方法改进其质量精度。Kozhinov等^[38]基于内标物的质荷比及丰度,利用迭代法对Orbitrap MS质量精度进行校正,成功将其质量偏差控制在3×10^-7(300 ppb)左右,从而实现对石油样品中元素组成的准确鉴定。尽管目前Orbitrap MS仪器在重油分子水平表征方面还存在明显不足,但随着质谱技术不断更新,更高分辨率的新型质谱仪将不断涌现,将其与高效分离方法相结合,会在一定范围内分担FT-ICR MS的一部分功能,从而更好地推进石油组学分析技术的发展。

高分辨质谱仪虽然能通过测定准确相对分子质量来推测原油中分子组成信息,但随着相对分子质量的增加,相同相对分子质量下会有多种不同元素组合的可能,大大增加了分子准确鉴定的难度^[39]。即使通过提高质谱的分辨率去区分质量差异仅有3.4 mDa的两种分子(SH₄/C₃),仍然无法获得具有空间构型的分子结构信息。而对于同分异构体的结构鉴定,单纯依赖于测定准确相对分子质量的质谱仪则更无法确定^[40]。因此亟须更为全面的分析数据对高分辨质谱得到的元素组成信息进行补充。

近年来发展迅速的高分辨离子淌度质谱仪(IM-MS)是实现这一目标的有力工具,它是将离子淌度分离与质谱联用的一种新型二维质谱分析技术。通过在质谱的离子源和质量分析器之间增加一个离子漂移管,利用不同离子与缓冲气体(常用氦气或氮气)的碰撞截面不同,从而实现对具有相同质荷比、不同分子结构式离子的检测。目前,离子淌度质谱仪已经在蛋白质结构鉴定^[41,42]、同分异构体分离^[43,44]、聚合物分子分类^[45,46]等方面取得了很好的分析效果,而对于同分异构体众多的石油分子结构的详细解析,也将具有良好的应用前景。目前,已有一些实验室开展了相关方面的研究工作。

2008年,Russell研究组^[47]首次将IM-MS用于原油组成性质评价,通过将激光解吸离子源(LDI)与采用飞行时间质量分析器的IM-MS联用,实现沥青质和脱沥青油(DAO)相对分子质量分布和碰撞截面的测定。结果表明,与DAO相比,沥青质由于含有更多的稠环芳烃和杂原子取代基而具有更紧凑的稠环结构。此外,他们还证实了在LDI离子源下,相对分子质量大于 3000 的分子测定很大程度上来源于气相分子聚集,建议在采用质谱方法做相对分子质量测定时,需将分子聚集等因素充分考虑进去。紧接着,他们又将IM-MS与FT-ICR MS技术相结合^[48],实现轻、中、重质原油的快速指纹图谱测定。与FT-ICR MS提供的分子组成信息相互补的是,IM-MS可以提供更多的分子大小和形状的结构信息。通过对碰撞截面的测定,发现随着相对分子质量的增加,原油分子的淌度变化规律由二维平面结构特征转为三维立体结构特征,从而进一步证实了原油中高相对分子质量端物质的形成来自于非共价聚集而不是单纯的二维碳氢环的拓展(图3)。

图3

Fig. 3

图3 碳氢化合物和杂原子化合物的平均淌度降低值 变化规律[48] Fig.3 Values of the average reduced mobility (K0), for the pure (CnHh) and mixed (CnHhXY,XY=N1,S1,N1,O1,NS,SO1-2 and NO1-2) hydrocarbon classes[48]

Kim研究组^[49]也做了一系列相关研究工作。他们将商品化高分辨的离子淌度质谱仪(Synapt G2)与大气压固体分析探针(ASAP)联用,探讨了石油中有机分子的结构性质变化规律。发现原油分子中同族化合物随着相对分子质量的增加,在IM-MS谱图中呈线性排列,预示着其分子结构不发生变化。而不同族化合物(缺氢数不同)随着相对分子质量的增加,在IM-MS谱图中呈非线性排列,预示着分子结构具有明显差异。而出现3、4个峰间隔的情况则预示着分子结构中可能存在芳环(图4)。因此离子淌度质谱仪可作为阐述原油分子结构的有用工具。2014年,他们又将IM-MS、FT-ICR MS技术与理论计算相结合^[50],实现对原油中非烷基取代和短链烷基取代(N＜5)的芳香族化合物分子结构式的准确鉴定。他们首先通过高分辨质谱获得准确分子式,对可能存在的结构式进行理论碰撞界面(CCS)的预测,再根据IM-MS实验测得的实际CCS数据对结构进行验证,最终确定分子的准确结构式。

图4

Fig. 4

图4 (a)3个同族化合物和(b)不同族化合物的质荷比-淌度图[49] Fig.3 Mass-mobility plots of (a) the three CH2 homologous series and (b) the H2 homologous series[49]

大量研究^{[51,52,53,54]}表明,与单一维度的MS数据相比,IM-MS可以在分子大小和形状特点的维度上提供3～5倍的数据量,可以作为高分辨质谱分析的补充工具来实现石油分子的指纹识别。

随着质谱技术及相关平台的不断发展,微型化、自动化的高通量样品分析平台成为仪器技术发展的主流^{[3, 55, 56]}。依赖于高分辨质谱技术的石油组学分析,也需要借助这一平台实现石油样品的高通量、自动化分析。特别是对于FT-ICR MS,由于其质谱图谱峰复杂,为了得到目标化合物理想的信噪比,往往需要通过多次检测信号叠加的方法获得高质量的质谱数据^[12]。其数据采集过程费时费力,而采用自动化的样品分析系统可以很好地实现高重复性的全自动化分析。Kim等^[57]以铝箔封口的96孔板为样品盘,借助NanoMate微芯片ESI MS平台,实现长达20 h的高重复性石油样品自动分析,获得具有较好信噪比和动态检测范围的样品谱图。Haapala等^[58]考察了微芯片APPI源( μ APPI)与FT-ICR MS联用后对于石油样品的分析效果,通过将进样流速由传统的50 μ L/min 降至2 μ L/min,有效避免了较大进样量对离子源和质量分析器的污染,同时还可以保证相应的分析灵敏度没有显著下降。

在石油开采和油品运输过程中,常常需要添加一些化学试剂来改进产品性能,而对这些添加剂的快速检测也是石油组学的分析目标之一。Jjunju等^[59]通过将纸喷雾(paper spray)离子化与便携式离子阱质谱联用,成功实现了复杂油品中抗腐蚀剂活性成分 烷基季铵盐的高灵敏度检测,其最低检测浓度可达1 ng/ μ L,为油品添加剂的快速、高灵敏度检测提供了一个有效的分析平台。

为了使石油组学数据与石油加工过程中的反应机理研究更好地结合,建立石油分子详细组成与产物性质之间的定量关系,成为石油组学研究的另一个核心目标。然而,由于目前常用的几种离子源对不同类型化合物响应具有一定的偏好性,因此很难获得具有较高重复性的均一响应信号,这在一定程度上影响了定量结果的可靠性^{[1, 2, 20, 60]}。此外,FT-ICR MS对较宽质量范围内离子的同时检测存在一定的困难^[12],容易产生质量歧视效应,也限制了定量石油组学技术的发展。尽管面临种种困难,但为了实现石油分子的“基因组学分析”,定量分析仍然是其必须攻克的难题。随着新型离子化技术的不断涌现以及相应化学衍生反应的发展,将高效分离方法与不同类型高分辨质谱仪相结合,必将推动石油组学定量分析向前发展。

作为一种不可再生资源,石油在未来很长一段时间内仍然是最主要的能源形式。而优质石油资源的日益枯竭使得劣质、重质原油资源的开发显得意义重大。目前,人们对于石油资源的开发利用关注点已从传统的简单粗放型炼油工艺逐渐向分子水平炼油技术平台转变,发挥每一个石油分子最大的经济价值成为现代炼油工业的终极目标。而旨在揭示石油分子详细组成与其物性、炼制性能之间关系的石油组学技术平台正是实现这一目标的有力工具。

随着越来越多的国家与研究者对分子水平炼油技术平台的关注,石油组学的发展也面临着前所未有的机遇和挑战。在石油分子详细组成分析方面,高分辨质谱技术平台的不断发展以及新型离子化方式的出现,必将极大改善人们对复杂石油样品的分子水平认识。尽管目前的主流分析仪器仍然是FT-ICR MS,但大量研究结果表明,发展多种质谱技术平台,对于石油样品的全分析、异构体分析以及真正意义上的分子水平识别具有重要意义。而更均一稳定的离子化技术以及同位素标记等定量方法的引入将使得定量石油组学的目标触手可及。另一方面,高分辨质谱仪以及复杂的石油样品分析得到的海量数据,使得组学层面的数据处理平台显得尤为重要。然而,石油组学分析在相应信息学技术发展方面却远远落后于质谱技术,从而导致高分辨质谱得到的大量数据没有得到充分利用。因此,我们也期待着越来越多的研究者能够加入这一队伍,为促进石油组学大数据时代的进步做出相应的努力。