劉靖新，曹 青，修 遠(yuǎn)，馬晨菲

（中國(guó)石油 石油化工研究院，北京 102206）

原油中酸性物質(zhì)主要是石油酸，其組成復(fù)雜、結(jié)構(gòu)多樣［1-5］。Qian等［6］利用傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜儀成功鑒定出3 000多種石油酸。李恪等［7］使用FTIR、核磁共振波譜、質(zhì)譜等多種表征手段對(duì)九區(qū)原油中的石油羧酸的組成和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，得到了各類型石油酸的結(jié)構(gòu)模型。

液相色譜已廣泛應(yīng)用于石化分析領(lǐng)域，如行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/SH/T 0509—2010《石油瀝青四組分測(cè)定法》［8］即采用了氧化鋁柱色譜將石油瀝青和渣油等試樣分離成四組分，但可能是受到石油分子極性以及相對(duì)分子質(zhì)量的影響，液相色譜技術(shù)用于石油酸試樣表征方面的研究較少，Hsu等［9］認(rèn)為液相色譜技術(shù)與常壓化學(xué)電離源結(jié)合可有效表征石油酸的組成。田松柏［10］指出，復(fù)雜的質(zhì)譜圖解析工作難度較高，先采用氣相色譜-質(zhì)譜或液相色譜-質(zhì)譜將石油酸分開，可極大程度地降低對(duì)質(zhì)譜儀分辨率的要求及質(zhì)譜圖解譜的難度。Robson等［11］利用色譜技術(shù)結(jié)合對(duì)原油中的極性和非極性化合物進(jìn)行分子剖析。

本工作采用高效液相色譜-飛行時(shí)間質(zhì)譜聯(lián)用法（HPLC-TOF MS），利用電噴霧電離源對(duì)九區(qū)原油中的石油酸進(jìn)行了分析，對(duì)質(zhì)譜直接進(jìn)樣法和HPLC-TOF MS法分析石油酸組成進(jìn)行了比較，優(yōu)化了溶劑、流動(dòng)相等條件，并對(duì)九區(qū)原油中的石油酸組分進(jìn)行了定性以及半定量分析。研究結(jié)果有助于加強(qiáng)對(duì)于新疆區(qū)塊含酸原油分子層面的認(rèn)知。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

ACQUITY UPLC H-Class型液相色譜儀、Synapt G2-Si型高分辨飛行時(shí)間質(zhì)譜儀：Waters公司；Nicolet 6700型傅里葉變換紅外光譜儀：Thermo公司；HSS T3C18型色譜柱：Waters公司；LabTech EV型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀：萊伯泰科公司。

甲醇：質(zhì)譜純，F(xiàn)isher公司；甲酸、甲酸銨：質(zhì)譜純，Sigma公司；環(huán)己烷、無(wú)水乙醇、NaOH、HCl（10%（w））、氨水（25%（w））：分析純，北京化學(xué)試劑公司；九區(qū)原油：中國(guó)石油獨(dú)山子石化公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

液相色譜：流動(dòng)相主要采用甲醇體系洗脫，流速為0.3 mL/min，并對(duì)流動(dòng)相添加劑（甲酸、甲酸銨、氨水）組成等進(jìn)行優(yōu)化。

質(zhì)譜條件：采用ESI負(fù)離子電離模式，毛細(xì)管電壓-2.5 kV，離子源溫度120 ℃，脫溶劑溫度280 ℃，脫溶劑流量800 L/h，錐孔氣流速50 L/h。

HPLC-TOF MS分析：毛細(xì)管電壓-2.5 kV，離子源溫度150 ℃，脫溶劑溫度450 ℃，脫溶劑流量800 L/h，錐孔氣流速50 L/h。

紅外光譜采集條件：掃描范圍500～4 000 cm-1。

1.3 石油酸的分離與純化

按文獻(xiàn)［12］的方法對(duì)九區(qū)原油中的石油酸進(jìn)行分離與純化：1）稱取20 g九區(qū)原油試樣，加入140 g環(huán)己烷進(jìn)行稀釋，稀釋后倒入清潔的分液漏斗中，用10 g環(huán)己烷洗凈瓶中殘油，轉(zhuǎn)入分液漏斗中；2）另配制120 mL NaOH溶液（1%（w）），與120 mL無(wú)水乙醇混合均勻，取40 mL混合溶液加入到盛有原油的分液漏斗中，振蕩3 min，靜置1 h，等待分層，收集下層醇水溶液。共重復(fù)此操作6次；3）將步驟2中收集的醇水溶液加入清潔的分液漏斗中，加入10 mL環(huán)己烷，振蕩、靜置，除去有機(jī)相中的油污，重復(fù)操作，直至有機(jī)相溶液在濾紙上點(diǎn)樣時(shí)不出現(xiàn)油漬；4）收集步驟3中的醇水溶液，加入HCl（10%（w））酸化至pH ＜ 3，再用40 mL環(huán)己烷抽提，重復(fù)操作3次；5）收集有機(jī)相，棄水相，用高純水洗滌有機(jī)相至水相pH約為7，將環(huán)己烷溶液轉(zhuǎn)移至燒瓶中，旋蒸去除溶劑，即得石油酸試樣。

1.4 石油酸組成的定性和半定量分析方法

采用ESI-MS分析石油酸組成時(shí)，得［M-H］-特征峰，進(jìn)而獲得石油酸的相對(duì)分子質(zhì)量。石油酸主要組成為一元有機(jī)羧酸，其分子式可表達(dá)為CnH2n+zO2，其中，n為碳原子數(shù)，z為相對(duì)同碳數(shù)飽和脂肪酸氫原子數(shù)增量。根據(jù)高分辨質(zhì)譜獲得的精確相對(duì)分子質(zhì)量可推測(cè)出相應(yīng)元素組成。當(dāng)石油酸濃度極低時(shí)，石油酸濃度與其分子的離子峰強(qiáng)度成正比，考慮羧酸結(jié)構(gòu)的相似性及組成的復(fù)雜性，忽略質(zhì)譜對(duì)不同羧酸的響應(yīng)差異。通過(guò)歸一化處理，可計(jì)算出不同類型羧酸化合物的相對(duì)百分含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 九區(qū)原油的基本性質(zhì)

九區(qū)原油試樣的主要性質(zhì)見表1。從表1可知，九區(qū)原油屬于低硫中間-環(huán)烷基原油，酸值4.92 mg，屬于高酸原油，其中的石油酸主要以環(huán)烷酸為主。

表1 克拉瑪依九區(qū)原油主要性質(zhì)Table 1 Main properties of Karamay district 9 curde oil

2.2 石油酸的紅外光譜分析結(jié)果

圖1為九區(qū)原油中石油酸的FTIR譜圖。

圖1 九區(qū)原油中石油酸的FTIR譜圖Fig.1 FTIR spectrum of petroleum carboxylic acids in district 9 crude oil.

從圖1可看出，3 200～2 500 cm-1處為一組二聚體酸的特征吸收峰，1 705 cm-1處為二聚體酸羰基的特征吸收峰，939 cm-1處為二聚體酸羥基彎曲振動(dòng)峰，因此，該試樣具有典型環(huán)烷酸的結(jié)構(gòu)特征。從羰基的峰形可看出，試樣主要是一元酸。同時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)［7］報(bào)道推測(cè)這些酸羰基主要是直接或通過(guò)較短的直鏈連接在五元或六元環(huán)上。由于722 cm-1附近無(wú)明顯吸收，可知直鏈狀結(jié)構(gòu)（CH2）n中n＞ 4的結(jié)構(gòu)體很少，說(shuō)明正構(gòu)脂肪酸含量少，環(huán)烷酸中包括烷基側(cè)鏈在內(nèi)多為較短支鏈取代基。

2.3 質(zhì)譜直接進(jìn)樣條件的優(yōu)化

首先，不經(jīng)色譜分離，選擇質(zhì)譜直接進(jìn)樣分析，采用ESI負(fù)離子模式檢測(cè)試樣，結(jié)果見圖2。從圖2可看出，譜圖呈現(xiàn)出2種質(zhì)量分布狀態(tài)，第一個(gè)分布在m/z=209～351之間，第二個(gè)分布在m/z=353～513之間。結(jié)合元素組成可知，第一個(gè)分布的分子組成為CnH2n+zO2，推測(cè)試樣為一元羧酸，第二個(gè)分布的分子組成為CxHyO4，推測(cè)試樣為羧酸二聚體。

二聚體的存在會(huì)影響石油酸定量的準(zhǔn)確性。因此，需要將二聚體解聚。按文獻(xiàn)優(yōu)化結(jié)果［13］，采用甲醇為主要溶劑對(duì)二聚體進(jìn)行解體，實(shí)驗(yàn)對(duì)添加了不同濃度的甲酸銨、氨水的溶劑體系進(jìn)行比較。通過(guò)比較，選擇體積比為9∶1的甲醇/水溶液體系對(duì)二聚體進(jìn)行解體，其中含有0.1%（φ）的氨水。甲醇/水/氨水溶液負(fù)離子ESI-MS法的石油酸平均質(zhì)譜圖見圖3。

圖2 純甲醇溶液負(fù)離子ESI-MS法的石油酸質(zhì)譜圖Fig.2 Mass spectrum of petroleum carboxylic acids by negative ESI-MS using pure methanol.

圖3 甲醇/水/氨水溶液負(fù)離子ESI-MS法的石油酸質(zhì)譜圖Fig.3 Mass spectrum of petroleum carboxylic acids by negative ESI-MS using methanol/water/ammonia solution.

與圖2相比，圖3中低相對(duì)分子質(zhì)量的一元羧酸的峰強(qiáng)度增加，質(zhì)量分布向低相對(duì)分子質(zhì)量方向移動(dòng)。說(shuō)明在此條件下，大多數(shù)二聚體解離。

2.4 液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分離條件的優(yōu)化

黃思棋等［14］對(duì)石油酸試樣的分離條件進(jìn)行優(yōu)化，分別用甲醇（含0.1%（w）甲酸）-水（含0.1%（w）甲酸）體系、甲醇-0.1%（w）甲酸體系、甲醇-5 mmol/L甲酸銨體系、甲醇-0.1%（w）氨水體系4種流動(dòng)相進(jìn)行分析。

在使用甲醇（含0.1%（w）甲酸）-水（含0.1%（w）甲酸）體系梯度洗脫時(shí)，觀測(cè)到大部分石油酸需要純甲醇洗脫，推測(cè)由于石油酸結(jié)構(gòu)中環(huán)烷基非極性較強(qiáng)所致。使用甲醇-0.1%（w）甲酸體系分析的質(zhì)譜圖見圖4。從圖4可看出，響應(yīng)最強(qiáng)的質(zhì)譜峰為m/z=435，經(jīng)過(guò)元素組成分析，發(fā)現(xiàn)被檢測(cè)到的石油酸多以二聚體形式存在。這可能與體系的pH有關(guān)，偏酸性條件有效地保護(hù)了氫鍵結(jié)構(gòu)。使用甲醇-0.1%（w）氨水體系分析的質(zhì)譜圖見圖5。從圖5可看出，甲醇-0.1%（w）氨水體系既可滿足色譜分離要求，又能兼顧質(zhì)譜響應(yīng)需要，得到m/z=209～671之間的質(zhì)量分布。

圖4 HPLC-TOF MS分離的石油酸質(zhì)譜圖Fig.4 Mass spectrum of petroleum carboxylic acids by HPLC-TOF MS.Condition：methanol-0.1%(w)formate acid solution.

圖5 HPLC-TOF MS分離的石油酸質(zhì)譜圖Fig.5 Mass spectrum of petroleum carboxylic acids by HPLC-TOF MS.Condition：methanol-0.1%(w) ammonia solution

2.5 九區(qū)原油中石油酸分布

2.5.1 質(zhì)譜直接進(jìn)樣數(shù)據(jù)與HPLC-TOF MS數(shù)據(jù)比較

圖3和圖5給出了質(zhì)譜直接進(jìn)樣和經(jīng)HPLC分離后采集 的質(zhì)譜圖，對(duì)比可知，通過(guò)色譜分離獲得的質(zhì)譜圖中，高質(zhì)量端化合物響應(yīng)（如m/z=377～515）明顯強(qiáng)于直接進(jìn)樣方法的，且檢測(cè)到了更多的酸性化合物。兩種方法得到的質(zhì)量數(shù)和強(qiáng)度分布均有差異，這是由于直接進(jìn)樣時(shí)，試樣中各化合物間電噴霧電離會(huì)出現(xiàn)相互抑制的問(wèn)題，導(dǎo)致直接進(jìn)樣分析得到的數(shù)據(jù)并不能較好地反映出石油酸的真實(shí)分布，從而影響定量分析。而通過(guò)HPLC分離，使不同類型的石油酸化合物分時(shí)到達(dá)質(zhì)譜可較好地解決這一問(wèn)題。

2.5.2 石油酸定性分析結(jié)果

通過(guò)HPLC分離，復(fù)雜的石油酸組分按照極性不同，流出順序依次為烷基苯酸、羧酸二聚體和環(huán)烷酸。圖6給出了烷基苯酸m/z=435和羧酸二聚體m/z=575及環(huán)烷酸m/z=377三個(gè)典型化合物的提取離子流譜圖。從圖6可看出，三種物質(zhì)已基本實(shí)現(xiàn)分離。通過(guò)HPLC分離后進(jìn)入質(zhì)譜檢測(cè)可有效地降低對(duì)質(zhì)譜分辨率的要求和譜圖解析的難度。

根據(jù)流出時(shí)間的差異，將質(zhì)譜數(shù)據(jù)分割成三組進(jìn)行處理，圖7給出了三個(gè)餾分的質(zhì)譜圖。

圖6 三個(gè)典型石油酸化合物的提取離子流譜圖Fig.6 Extracted ion chromatographs of three representative petroleum carboxylic acids.

圖7 經(jīng)過(guò)色譜分離后得到的石油酸質(zhì)譜圖Fig.7 Mass spectra of petroleum carboxylic acids separated by HPLC.

圖7a中質(zhì)量分布m/z=353～481是碳數(shù)分布在24～33之間的烷基苯酸，其中，最高峰的m/z=435（［M-H］-），絕對(duì)強(qiáng)度2.2×107，推斷分子組成為C30H43O2。圖7b中質(zhì)量分布m/z=505～671是碳數(shù)分布在32～44之間的羧酸二聚體，最高峰m/z=575（［M-H］-），絕對(duì)強(qiáng)度 1.4×107，推斷分子組成為C37H67O4。圖7c質(zhì)量分布m/z=209～661是碳數(shù)分布在13～46之間的飽和脂肪酸和環(huán)烷酸，其中，最高峰m/z=377（［M-H］-），絕對(duì)強(qiáng)度2.2×108，推斷分子組成為C25H45O2，為二環(huán)環(huán)烷酸。

雖然不同結(jié)構(gòu)化合物質(zhì)的譜響應(yīng)有差異，但比較譜峰強(qiáng)度差異后仍可得出：石油酸中的環(huán)烷酸含量較多，且二環(huán)環(huán)烷酸量最大，其次為一環(huán)和三環(huán)環(huán)烷酸。飽和脂肪酸、烷基苯酸和以二聚體形式存在的羧酸含量較低。除此以外，還發(fā)現(xiàn)了低含量含有O2S和O3S的酸性化合物存在［6］。綜上可知，原油中石油酸的主要組成為脂肪酸、環(huán)烷酸和烷基苯酸，以及含有噻吩結(jié)構(gòu)的一元有機(jī)羧酸，而不飽和脂肪酸和多元羧酸忽略不計(jì)。

2.5.3 石油酸半定量分析結(jié)果

通過(guò)歸一化處理，可計(jì)算出不同類型羧酸化合物的相對(duì)百分含量具有相同的表達(dá)式CnH2n+zO2。圖8a為質(zhì)譜直接進(jìn)樣方法計(jì)算得到的石油酸分布，z=0為飽和脂肪酸，z=-18～-2為環(huán)烷酸，還包含烷基苯酸結(jié)構(gòu)，但二者無(wú)法區(qū)分。由于液相色譜的分離作用，可以將不同類型石油酸分離并定量。圖8b為HPLC-TOF MS方法得到的九區(qū)原油中石油酸分布?？招闹鶊D代表飽和脂肪酸以及環(huán)烷酸類化合物的分布（z=-18～0）；黑色實(shí)心柱圖代表烷基苯酸類化合物的分布（z=-22～-12）。從圖8可看出，兩種方法檢測(cè)到的石油酸分布趨勢(shì)類似，但化合物類型與相對(duì)含量存在差異。九區(qū)原油中石油酸的飽和脂肪酸含量較少，二環(huán)環(huán)烷酸（z=-4）含量最多，其相對(duì)含量高達(dá)27%，其次為三環(huán)環(huán)烷酸（z=-6），再為一環(huán)環(huán)烷酸（z=-2）。z=-16的石油酸由多環(huán)環(huán)烷酸和烷基苯酸共存，且分布中烷基苯酸含量最高（圖b）。但由于電噴霧電離的離子抑制效應(yīng)，質(zhì)譜直接進(jìn)樣的方法（圖a）得到的石油酸種類較少，并沒有檢測(cè)到z=-20，-21的結(jié)構(gòu)。且與圖b相比，其主要羧酸的相對(duì)含量差異較大（如二、三環(huán)環(huán)烷酸含量等）。

李恪等［7］早期使用紅外、核磁和質(zhì)譜等方法對(duì)九區(qū)原油中石油酸的類型進(jìn)行分析，證實(shí)鏈狀羧酸含量在10%以下，環(huán)烷酸中以一至四環(huán)酸為主，尤以二、三環(huán)酸居多。這與本工作的定量結(jié)果相符。本工作采用原油直接萃取石油酸方法，利用HPLC的分離作用，使烷基苯酸類化合物分開定量，使不同類型石油酸化合物的定量分析結(jié)果更加準(zhǔn)確。對(duì)于不同原油，Wu等［12］對(duì)于遼河重油的石油酸分析表明，石油酸中也以環(huán)烷酸居多，且二環(huán)環(huán)烷酸相對(duì)含量高達(dá)20%。

圖8 質(zhì)譜直接進(jìn)樣（a）和HPLC-TOF MS（b）兩種方法得到的石油酸分布Fig.8 Acid distributions by direct MS(a) and HPLC-TOF MS(b).

3 結(jié)論

1）采用HPLC-TOF MS技術(shù)，結(jié)合負(fù)離子電噴霧電離方式，可將烷基苯酸、與飽和脂肪酸和環(huán)烷酸分離，有助于獲得最接近真實(shí)分布的石油酸組成。

2）采用原油直接萃取石油酸方法，利用HPLC的分離作用，使不同類型石油酸化合物的定量分析結(jié)果更加準(zhǔn)確。

3）九區(qū)原油總的石油酸主要由環(huán)烷酸構(gòu)成，且二環(huán)環(huán)烷酸含量最高；另含有少量飽和脂肪酸、烷基苯酸、羧酸二聚體，以及低含量含有O2S和O3S的酸性化合物。