电喷雾傅立叶变换离子回旋共振质谱对石油酸定量分析可行性的考察.doc

电喷雾傅立叶变换离子回旋共振质谱对石油酸定量分析可行性的考察周帅帅1(1、中国石油大学（北京） 102299)摘 要：本实验以D35-硬脂酸标样为研究对象，进行电喷雾-傅立叶变换离子回旋共振质谱分析。通过考察标样的信号强度随仪器参数（累积时间和碰撞电压）的变化情况，确定D35-硬脂酸信号响应的最优仪器参数（0.1 s、12 V）。分别在实验室常用仪器条件和最优仪器条件下考察D35-硬脂酸信号强度与标样浓度的变化关系，确定浓度与信号呈线性变化的浓度范围（110-8110-5 mol/L），同时估算了高分辨质谱原油样品中石油酸的平均含量（4.7610-8 mol/L）。此外发现了D35-硬脂酸二倍体的形成规律，通过优化仪器条件可以避免酸二倍体形成对石油酸定量产生的不利影响。石油酸的平均含量处于浓度与信号呈线性变化的浓度范围之间，说明实现高分辨质谱定量分析原油中石油酸具有较好的可行性。Abstract: In this article we do research on D35 stearic acid with the help of FT-ICR MS. To find out the best instrumental parameters (0.1s, 12V) for the research, we examined the intensity of signal of D35 stearic acid under different instrumental parameters (cumulative time, collide volt). To find out the linear relation between the intensity of signal and the concentration of D35 stearic acid, the experiment is carried out both under usual experimental and the best instrumental parameter conditions. We find out that the intensity of signal is of linear relation with D35 concentration only under concentration range from （110-8110-5 mol/L. At the same time, the concentration of D35 in crude oil is estimated.( 4.7610-8mol/L) Besides that we also find that D35 can form double form, which can be eliminated by perfecting instrumental parameters. The concentration of D35 in crude oil is in the concentration range of the linear relation between intensity of signal and D35s concentration, in that case, we can say that it is possible to use high resolution mass spectrometer to find the quantity of D35 stearic acid in crude oil. 关键词：电喷雾 高分辨质谱 石油酸 定量Main words: FT-ICR MS stearic acid fix quantity前 言：高酸原油中石油酸的含量一般在1%左右。以常规原油加工工艺加工高酸原油，会造成各个工艺装置造成腐蚀以及反应器催化剂床层堵塞，严重影响炼厂的经济效益。此外，加工高酸原油还会带来产品质量等问题。研究高酸值原油中石油酸组成与分布对更好地研究腐蚀机理和高酸原油的开发利用，对我国的石油能源安全战略具有重大的意义。虽然传统分析石油酸的方法很多，然而这些分析方法在分析石油酸这样复杂的有机化合物时能力十分有限。有的只是提供了石油酸的结构信息，很难得到石油酸的确切含量；有的虽可以定量出石油酸的含量，但却不能给出石油酸的具体分布特征与结构组成信息。近年来傅立叶变换质谱技术(FT-ICR MS)的出现，为高酸原油的石油酸组成研究提供了一种新思路。它可以真正从在分子水平上分析重质油酸性分的化学组成。但是目前利用高分辨分析石油酸的成果只局限于分子水平的定性分析，而缺少对石油酸定量分析的方法，建立石油酸分子组成的定量分析方法是这一技术发展的必然趋势。定量分析研究高酸值原油中石油酸组成与分布可以使人们更好地研究腐蚀机理和对高酸原油开发利用，对我国的石油能源安全战略具有重大的意义。本课题对建立高分辨质谱定量分析石油酸方法的可行性进行考察，为高分辨质谱定量分析方法的建立提供理论依据和指导。内 容：实验器材及试剂器材：电子天平1台；取样用注射器（1 mL、10 L）各两个；取样瓶（2 mL）若干。仪器：使用仪器为Bruker公司Apex Ultra 型FT-ICR MS，磁场强度9.4T。ESI电离源，极化电压4500 V，进样速度180L/h，质量范围200-1 000 u，谱图叠加32次以提高信噪比。试剂：甲苯（重蒸，分析纯），甲醇（重蒸，分析纯），氨水（28 %）。样品：D35-硬脂酸标样化合物。实验方法石油样品中酸浓度估算前面通过实验已经证明羧酸化合物的信号强度在浓度为110-8 mol/mL到110-5 mol/mL范围内呈现较好的线性变化关系，如果石油样品在进行高分辨质谱分析时其中的石油酸化合物浓度在这个线性范围内，则实现高分辨质谱定量分析石油酸比较容易。世界范围内原油在的酸值一般在0-16 mg/g，假设原油的酸值为8 mg/g，原油的平均分子量为500，原油中有600种酸类化合物，原油在进行高分辨质谱分析时的样品浓度为0.2 mg/mL。1 mol原油的质量为500 g，其中石油酸的含量为一般原油在高分辨质谱分析时的样品摩尔浓度为原油样品中含有的石油酸浓度为平均每种酸的浓度为估算得到的原油样品中石油酸浓度正好处于这个线性浓度范围之间，说明在此浓度时原油样品中的石油酸在高分辨质谱中的信号强度与相应石油酸的浓度成正比，实现高分辨质谱定量分析石油酸是可行的。1、仪器条件的考察选取D35-硬脂酸标样化合物（浓度分别为1.5710-6、110-8 mol/L）为分析对象，考察在一定浓度下标样化合物在电喷雾高分辨质谱中的信号强度随着重要仪器参数的变化情况。本实验着重对两个参数（碰撞电压，累计时间）进行考察，因为在高分辨质谱分析样品时，离子在碰撞池内部的累积和碰撞情况对最后得到的谱图有较大的影响，因此碰撞电压和累计时间是高分辨质谱两个比较重要的参数。所选的范围分别为累积时间：00.70 s，碰撞电压：030 V。考察方法是在一定的碰撞电压下考察不同累积时间对应的D35-硬脂酸标样信号强度；在一定的累积时间下考察不同碰撞电压对应的D35-硬脂酸标样信号强度。2、浓度与信号线性关系的考察两种仪器条件：1）根据之前对仪器条件考察的结果来确定，选择在标样信号比较强时相应的碰撞池参数；2）选用实验室分析原油样品常用的仪器参数条件。考察的标样浓度范围：配制不同浓度的标样溶液（甲苯：甲醇（1:3）溶剂和15L氨水），由低浓度到高浓度逐一进行ESI FT-ICR MS分析，考察浓度与信号强度的线性变化关系。实验结果、实验仪器参数的考察D35-硬脂酸标样化合物的离子ESI FT-ICR MS质谱图如图5.1所示图5.1 -ESI模式下D35-硬脂酸质谱图从图5.2、5.3中可以看到信号强度与累积时间的变化关系不是线性增强的。随着累积时间的增加信号强度逐渐增强，在0至0.15s之间增强的趋势比较显著，之后信号增加的趋势逐渐趋于平缓。图5.2信号强度随累积时间的变化(1.5710-6 mol/L)图5.3信号强度随累积时间的变化(110-8 mol/L)从图5.4、5.5中可以看到随着碰撞电压的增加信号强度先增强后减弱，在815 V之间信号强度整体较强。图5.4信号强度随碰撞电压的变化(1.5710-6 mol/L)图5.5信号强度随碰撞电压的变化（110-8 mol/L）、线性关系考察根据对图5.2、5.3进行分析设定最佳信号强度时累计时间，累积时间设定为0.1 s根据对图5.4、5.5的分析得到最佳信号强度时的碰撞电压，综合累计时间设定碰撞电压为1.5 V和12 V（1.5V为实验室常规的碰撞电压 12 V为根据考察结果信号较强条件下的碰撞电压）。将不同浓度的样品D35-硬脂酸进行分析，重复两次。得到的信号强度样品浓度关系结果见图5.6。在110-8到110-5 mol/L浓度范围内，D35-硬脂酸的信号强度与浓度存在较好的线性关系。图5.6 D35-硬脂酸的信号强度与浓度的线性变化关系在进行高分辨质谱分析时，如果原油样品中酸的浓度处于这个线性浓度区间，则通过高分辨质谱对石油酸进行定量分析具有可行性。如果在进行高分辨质谱分析时，如果原油样品中酸的浓度不在这个线性浓度范围，可以通过浓缩或者稀释来调节浓度，使其落在适当的浓度范围，从而使高分辨质谱对石油酸的定量分析成为可能。图5.7 原油样品酸浓度处于线性浓度范围示意图硬脂酸二倍体在考察仪器条件的同时发现，在一些仪器条件（碰撞电压 6 V，累积时间 0.16 s)下的质谱图中存在质荷比为637的不同丰度的峰，见图5.8，经鉴定为D35-硬脂酸形成的二倍体。一般情况下，在高分辨质谱分析过程中二倍体的形成会造成质谱谱图峰形失真，对石油酸的定量效果带来影响。研究石油酸倍体的形成规律有助于更好的理解倍体形成机理，可以通过优化仪器条件，避免倍体的形成，以消除石油酸倍体对石油酸定量产生的不利影响。图5.8 -ESI模式下D35-硬脂酸及其二倍体质谱图通过对比不同累积时间和碰撞电压下酸倍体的丰度，发现硬脂酸二倍体的信号强度随着累积时间的增加先增加后减弱；而随着碰撞电压的增加，二倍体信号强度逐渐降低。见图5.9、5.10。图5.9 D35-硬脂酸二倍体信号强度随累计时间的变化图5.10 D35-硬脂酸二倍体信号强度随碰撞电压的变化对于这种现象的解释，可以将二倍体的产生过程看作一个化学反应，在最开始碰撞池离子累积时间很短的时候，碰撞池内的单体酸离子浓度几乎为零，随着累积时间的增加，单体酸浓度逐渐增大，到了一定程度之后可以结合产生二倍体，在这段范围内倍体信号强度随着累积时间增加而增强，但是随着累积时间的继续增加，碰撞池内离子浓度逐渐增大，使得离子之间碰撞的几率不断增大，而碰撞的结果导致二倍体碎裂成单体，所以随着累积时间的继续增加，二倍体的信号强度反而降低。碰撞电压代表碰撞能量，碰撞电压越大，碰撞之后碎裂成单体酸的概率随之越大，所以碰撞电压增大，二倍体的信号逐渐降低。综上所述，在通过高分辨质谱定量分析石油酸时，可以通过适当的延长碰撞池离子累积时间或者适当增大碰撞能量来消除二倍体给定量分析带来的不利影响。结 论：1、D35-硬脂酸的信号强度与累积时间的变化关系不是线性增强的，随着累积时间的增加信号强度逐渐增强，在00.15s之间增强的趋势比较显著，之后信号增加的趋势逐渐趋于平缓；D35-硬脂酸的信号强度随着碰撞电压的增加信号强度先增强后减弱，在815V之间信号强度整体较强。2、在110-8到110-5 mol/L的浓度范围内，D35-硬脂酸信号强度与浓度存在较好的线性关系。估算得到高分辨原油样品中酸浓度处于线性浓度范围内。3、在高分辨质谱分析的过程中可能形成石油酸二倍体，可以通过适当的延长碰撞池离子累积时间或者适当增大碰撞能量来消除二倍体的形成对定量分析带来的不利影响。4、以上实验结果分析表明，实现高分辨质谱定量分析石油中石油酸含量与分布是可行的。参考文献1 Hsu C S，Liang Z，Campana J E. 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