加拿大油砂沥青中极性化合物的电喷雾—高分辨质谱研究

刘鹏，黎茂稳，孙永革，蒋启贵，陶国亮，曹婷婷

(1.浙江大学 地球科学系，杭州 310027； 2.中国石油化工集团公司 油气成藏重点实验室，江苏 无锡 214126；3.中国石油化工股份有限公司 石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所，江苏 无锡 214126)

加拿大油砂沥青中极性化合物的电喷雾—高分辨质谱研究

刘鹏1,2,3，黎茂稳2,3，孙永革1，蒋启贵2,3，陶国亮2,3，曹婷婷2,3

(1.浙江大学 地球科学系，杭州 310027； 2.中国石油化工集团公司 油气成藏重点实验室，江苏 无锡 214126；3.中国石油化工股份有限公司 石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所，江苏 无锡 214126)

目前，生物降解作用对饱和烃生物标志物、芳香烃生物标志物参数以及小分子含氮化合物参数影响的研究较多，而对大分子极性化合物组成影响的研究较少。采用负离子电喷雾—傅立叶变换离子回旋共振质谱(ESI FT-ICR MS)分析不同降解级别的加拿大油砂沥青中酸性及非碱性氮化合物分子组成，结果表明，加拿大油砂沥青中杂原子化合物组成非常复杂，共鉴定出10种不同杂原子类型(N1、N1O1、N1O2、N1S1、O1、O1S1、O2、O2S1、O3、O4)的化合物，其中以O2类化合物为主。随着生物降解程度的加深，N1、N1O1及O1类化合物的相对丰度逐渐降低，而O2及O2S1类化合物的相对丰度显现出逐渐增加的趋势；高分辨质谱分析在石油大分子杂原子化合物研究方面所独有的优势，为石油地球化学研究提供了新的思路。

油砂沥青；生物降解；极性化合物；环烷酸；电喷雾—傅立叶变换离子回旋共振质谱；加拿大

生物降解作用是原油在储层中遭受的一种重要的次生蚀变作用，是原油稠化的主要机制之一[1-3]。生物降解作用对原油物理性质和分子组成的影响已经有比较深入的认识[4]。通常情况下，随生物降解作用程度的加剧，原油烃类组分优先遭到破坏和消失，导致残油就富含氮、硫、氧(NSO)杂原子烃类化合物[5]。也有研究表明[6]，在原油的生物降解过程中，降解细菌会引入新的杂原子官能团，最终形成新的杂原子化合物。目前，通常采用气相色谱质谱技术(GC-MS)对生物降解原油中的小分子杂原子化合物组成分布进行研究[7]。受分析技术限制，大分子杂原子化合物的分子组成尚不明确，分析生物降解原油中NSO化合物组成对于研究生物降解作用的细节、发生机理及重质油油藏的勘探开发均具有重要的指导作用。

近年来，电喷雾—傅立叶变换离子回旋共振质谱(ESI FT-ICR MS)的发展，为在分子层次上研究石油样品中极性化合物的分子组成特征提供了一种新手段。FT-ICR MS具有超高的分辨率和质量准确度，可以精确确定由C、H、O、N、S及它们主要同位素所组成的各种元素组合[8]。ESI电离源可以在烃类存在的条件下选择性地电离石油中的极性杂原子化合物，如分别在正离子和负离子模式下，选择性地电离石油中的碱性(主要是碱性氮化合物)和酸性(主要是石油酸)化合物，中性氮化合物(含吡咯氮化物)通常出现在负离子质谱图上。近期，FT-ICR MS分析技术逐渐受到油气地球化学研究领域的关注和重视。已有学者采用该技术研究了不同成熟度[9]、生物降解原油[10-11]及高酸值原油[12]中的极性杂原子化合物组成。以上这些研究成果展现了FT-ICR MS分析技术在重油大分子杂原子化合物研究方面所独有的优势，为地球化学研究提供了新的思路。

本文采用负离子ESI FT-ICR MS研究4个经历了不同程度的生物降解、来源于西加拿大盆地下白垩统的油砂样品，研究不同生物降解程度样品中极性化合物的分布规律。

1 实验与分析条件

1.1样品信息

本研究所用样品来源于西加拿大盆地Cold Lake，Athabasca，Wabasca和Grand rapids油砂矿，样品基本信息、族组成及生物降解等级见表1。根据加拿大联邦地质调查局多年的工作，这些油气最有可能来源于泥盆系—密西西比亚系的Exshaw组，具有相同的成熟度[12]。Li等[13]发现艾伯塔油砂样品均经过了不同程度的生物降解作用，均为高酸值石油样品。

1.2样品制备

将粉碎后的油砂样品(10 g)置于索氏抽提器中，加入200 mL氯仿∶甲醇(87∶13/V∶V)的共沸溶液，抽提24 h，然后采用旋转蒸发仪将抽提物浓缩至约5 mL，转移到20 mL的小烧杯，并采用氮气吹干溶剂，最终得到油砂沥青样品。

分别取大约10 mg油砂沥青溶于1 mL甲苯中，再取其中20 μL样品溶液再溶于1mL甲苯∶甲醇(1∶1/V∶V)混合溶液，向所得溶液中加入10 μL 28%氨水，轻轻振荡使其混合均匀，然后进行负离子ESI FT-ICR MS 分析。

1.3ESIFT-ICRMS分析

仪器：美国Bruker公司Apex-Ultra型FT-ICR MS，磁场强度为9.4 T。ESI电离源，负离子模式。 FT-ICR MS主要仪器参数：进样速度180 μL/h，极化电压4 000 V，毛细管入口电压 4 500 V，毛细管出口电压-320 V，离子源六极杆累积时间0.01 s，离子源六极杆直流电压 2.4 V，射频电压 300 V；四极杆Q1 优化质量m/z200，射频400 V；碰撞池氩气流量0.3 L/s，碰撞能量 -1.5 V，贮集时间0.2 s，激发衰减11.75 dB，采集质量范围200～900 Da，采样点数4 M，扫描谱图叠加64次以提高信噪比。

1.4数据处理

将信噪比大于6的质谱峰导出到Excel表中，将质谱仪器所测并经内部校正后的IUPAC质量数(IUPAC Mass)通过下式转换为Kendrick质量数(Kendrick Mass)[14]：

KendrickMass=IUPACMass×(14 /14.015 65)

(1)

转换后的KendrickMass与其最接近的整数质量的差值定义为质量偏差(KMD)[15]。KendrickMass的实质是将CH2的相对分子质量14.015 65 定义为整数质量单位，即14.000 00，这样转换后的质量表示所有相差14的整数质量单位所对应的化合物即具有相同的母体结构单元，但具有不同的亚甲基数，也就是取代基不同的同类型化合物具有相同的KMD数值。

表1 加拿大艾伯塔油砂沥青样品信息

注：据参考文献[12]第6章修改。

通过KMD值大小可以快速鉴定同类型化合物；通过分子量计算程序计算出各个化合物分子中C、H、S、N、O等原子的组合方式，得到各质谱峰对应的分子式(CcHhSsNnOo，c、h、n分别为分子中碳、氢、氮原子个数)，最终能得到样品中所有类型化合物的分子组成信息及其对应的等效双键数(DBE)，也即分子结构中环烷环数和双键个数之和：

(2)

数据处理通过中国石油大学(北京)开发的软件完成，相关描述见参考文献[16-17]。

2 结果与讨论

2.1油砂沥青族组分特征

油砂沥青性质数据见表1。艾伯塔油砂具有很高的酸值，在6.9～13.0mg/g (KOH/油)之间，这些油砂样品饱和烃、芳烃含量较低，非烃含量较高(质量分数大于50%)，这可能主要与原油经过生物降解有关。根据Peters等[18]建立的生物降解难易程度序列，这些油砂样品的生物降解等级分别为PM5、PM6、PM7、PM9级。

2.2油砂沥青中极性杂原子化合物分布特征

将不同生物降解级别的加拿大油砂沥青进行负离子ESI FT-ICR MS分析，图1为代表性样品(B-1)的高分辨质谱图，横坐标为质荷比(m/z)。由于加拿大油砂沥青在负离子ESI电离条件下只产生单电荷离子，故横坐标也代表了油砂沥青中酸性化合物的分子量分布。可以看出加拿大油砂沥青分子量分布在m/z=200～ 700之间，其质量重心在m/z=400附近。图1的插图部分为质量数在m/z=387的局部放大图，在m/z=387处可以鉴定出14个质谱峰，通过精确分子量可以在1×10-6以内的误差范围内确定所有质谱峰的化合物组成。定性结果表明，所鉴定出的大部分化合物为含氧化合物。

基于质谱峰的精确分子量进行定性，并将鉴定出的化合物按照杂原子类型进行归类，不同生物降解级别的加拿大油砂沥青中不同杂原子类型化合物的相对丰度见图2。此处相对丰度的定义为，质谱图中各类杂原子化合物所对应的质谱峰的强度之和与鉴定出的所有杂原子化合物对应质谱峰的强度之和(同位素峰除外)的比值。加拿大油砂沥青中杂原子化合物组成非常复杂，在4个加拿大油沥青样品中均鉴定出10种不同的杂原子化合物类型，其中均以O2类化合物(O2指分子中含有2个氧原子的烃类化合物)为主，其次还含有其他杂原子化合物类型，如N1、N1O1、N1O2、N1S1、O1、O1S1、O2S1、O3及O4类等，随着生物降解程度的变化，加拿大油砂沥青中杂原子类型(如N1、N1O1、O1、O2、O2S1类)显现出规律性变化，随着生物降解程度的加深，N1、N1O1及O1类化合物的相对丰度逐渐降低，而O2及O2S1类化合物的相对丰度显现出逐渐增加的趋势，其中N1、N1O1、O1及O2类的变化规律与Kim等[10]报道的研究结果一致。

图2 加拿大油砂沥青中极性杂原子化合物类型分布

图1 加拿大油砂沥青的负离子ESI FT-ICR MS质谱

2.3O2类化合物

图3为不同生物降解级别的加拿大油砂沥青的O2类的DBE及碳数分布图。由于在负离子ESI电离条件下，仅石油酸和中性氮化物能被选择性电离，故此处的O2类化合物主要为含羧基的酸性化合物(R-COOH)。图中横坐标为O2类化合物所对应的碳数分布，纵坐标为O2类化合物DBE的分布范围，图中点的大小表示化合物的相对丰度，点越大则表示该样品中此类化合物的相对丰度越高。可以看出，4种不同油砂沥青中O2类化合物的DBE分布均在1～14之间，主要分布在DBE为2～4及碳数分布主要在C18-C35之间，分别对应一环、二环和三环环烷酸，说明在经历生物降解的油砂沥青中，酸性化合物主要以环烷酸为主。DBE=1的O2类对应的化合物为饱和脂肪酸，在脂肪酸化合物中，具有异常高丰度的C16和C18的O2类对应的化合物分别为软脂酸和硬脂酸(图3d)。

图4为加拿大油砂沥青中不同DBE的O2类化合物的相对丰度图，此处相对丰度的定义为：在同一样品的质谱图中，分别将各个不同DBE值O2类所对应的质谱峰的强度之和与该样品中所有O2类化合物所对应质谱峰强度之和(同位素峰除外)的比值。可以看出，随着生物降解程度的加深，不同DBE的O2类化合物的相对丰度显示出规律性变化。即随着生物降解程度的加深，一环环烷酸(DBE=2)相对丰度逐渐减低，而二环、三环和四环(DBE=3,4,5)等O2类显示出相对丰度逐渐增加的趋势。因此，有望采用高缩合的O2类的相对丰度与低缩合度O2类的相对丰度之比来反映生物降解的程度，如此处可以用DBE=3的O2类的相对丰度与DBE=2的O2类的相对丰度之比值来反映生物降解程度，DBE3/DBE2、DBE4/DBE2及DBE5/DBE2见表2，该比值的变化趋势与降解级别变化趋势一致。因此，有望通过上述比值来判别生物降解级别。

图4 加拿大油砂沥青中不同DBE的O2类相对丰度

图3 加拿大油砂沥青中O2类DBE及碳数分布

表2 加拿大油砂沥青中部分环烷酸相对丰度比

注：DBE3/DBE2为油砂沥青样品DBE=3的O2类的质谱峰强度之和与DBE=2的O2类的质谱峰强度之和的比值；DBE4/DBE2、DBE5/DBE2与DBE3/DBE2类似。

2.4N1类化合物

图5为不同生物降解级别的加拿大油砂沥青的N1类的DBE及碳数分布图。由于在负离子ESI电离条件下，仅石油酸和中性氮化物能被选择性电离，故此处的N1类化合物主要为结构中含有吡咯环的氮化物。可以看出，4种不同油砂沥青中N1类化合物的DBE分布均在8～16之间，DBE=9～13及碳数分布主要在C20-C35之间的N1类化合物具有较高的相对丰度。其中DBE为9和12的N1类分别对应咔唑和苯并咔唑类化合物(图5a,b)。DBE=10的N1类对应的最可能结构为苯基吲哚或咔唑的母核结构上并了一个环烷环，具有类型Ⅰ的结构单元(图5c)；而DBE=13的N1类的可能结构为DBE=10的N1类结构的基础上再并上一个苯环，具有类型Ⅱ的结果单元(图5d)。对于油砂沥青中的中性氮化物而言，随生物降解程度的加剧，所有不同DBE的N1类均显现高碳原子数化合物消失的趋势，如在样品B-1(PM 5)中，咔唑类化合物(DBE=9)的碳原子数分布为16～47；而在样品B-4(PM 9)中，咔唑类化合物(DBE=9)的碳原子数分布为16～40。上述结果表明，对于N1类同系物而言(具有相同的DBE值)，长烷基支链取代的N1类优先被生物降解，这与Kim[10]及Liao[11]的研究结果一致。

图6为加拿大油砂沥青中咔唑(DBE=9)、苯并咔唑(DBE=12)及二苯并咔唑(DBE=15)类化合物的相对丰度图，此处相对丰度为归一化后的百分比含量，即在同一样品的质谱图中，分别将DBE=9,12,15的N1类所对应的质谱峰的强度之和与该样品中所有DBE=9,12,15的N1类化合物所对应质谱峰强度之和(同位素峰除外)的比值。可以看出，随着生物降解程度的加深，咔唑类化合物的相对丰度逐渐降低，而苯并咔唑及二苯并咔唑类化合物相对丰度显现出轻微增加，说明生物降解级别在PM 5以上，烷基咔唑类化合物比烷基苯并咔唑及二苯并咔唑类化合物更易于被生物降解。Huang等[19]曾采用GC-MS研究了辽河原油中生物降解对中性氮化物的影响，也得到了相似结论。

图5 加拿大油砂沥青中N1类DBE及碳数分布

图6 加拿大油砂沥青中DBE=9,12,15的N1类的相对丰度

3 结论

(1)负离子ESI FT-ICR MS非常适合分析石油地质样品中的中性氮和酸性杂原子化合物。

(2)加拿大油砂沥青中杂原子化合物组成非常复杂，共鉴定出10种不同杂原子类型的化合物，其中以O2类化合物为主；并且随着生物降解程度的加深，N1、N1O1、及O1类化合物的相对丰度逐渐降低，而O2及O2S1类化合物的相对丰度逐渐增加；

(3)对于O2类化合物而言，随着生物降解程度的加深，一环环烷酸(DBE=2)相对丰度逐渐降低，而二环、三环和四环(DBE=3,4,5)等环烷酸显示出相对丰度逐渐增加的趋势；可采用O2类化合物中DBE3/DBE2、DBE4/DBE2和DBE5/DBE2的比值来预测生物降级程度；

(4)加拿大油砂沥青中的N1类化合物主要为咔唑类和苯并咔唑类化合物，当生物降解等级在PM 5以上时，咔唑类化合物较苯并咔唑及二苯并咔唑类化合物更易受到降解；此外，长支链取代(或多烷基取代)的N1类化合物更易于被生物降解。

致谢：中国石油大学(北京)史权教授及张亚和博士研究生为FT-ICR MS分析提供了重要帮助，在此表示衷心地感谢。

[1] 王振齐,卢鸿,于赤灵,等.济阳坳陷郑家—王庄油田生物降解稠油成熟度及油源研究[J].江汉石油学院学报,2004,26(2):1-6.

Wang Zhenqi,Lu Hong,Yu Chiling,et al.Maturity and oil source of biodegradation viscous crude in Zhengjia-Wangzhuang oilfield of Jiyang depression[J].Journal of Jianghan Petroleum Institute,2004,26(2):1-6.

[2] Larter S,Wilhelms A,Head I,et al.The controls on the composition of biodegraded oils in the deep subsurface:part 1:biodegradation rates in petroleum reservoirs[J].Organic Geochemistry,2003,34(4):601-613.

[3] 李秀鹏,于洁.准噶尔盆地乌夏断裂带稠油类型及成因机理[J].断块油气田,2012,19(2):182-186.

Li Xiupeng,Yu Jie.Classification and genetic mechanism of heavy oil in Wuerhe-Xiazijie fault belt, Junggar Basin[J].Fault-Block Oil and Gas Field,2012,19(2):182-186.

[4] 马安来,张水昌,张大江,等.生物降解原油地球化学研究新进展[J].地球科学进展,2005,20(4):449-454.

Ma Anlai,Zhang Shuichang,Zhang Dajiang,et al.The advances in the geochemistry of the biodegraded oil[J].Advance in Earth Sciences,2005,20(4):449-454.

[5] 彼得斯 K E,沃尔特斯 C C,莫尔多万 J M.生物标志化合物指南[M].2版.张水昌,李振西,等译.北京：石油工业出版社,2011：189.

Peters K E,Walters C C,Moldowan J M.The Biomarker Guide[M].2nd ed.Zhang Shuichang,Li Zhengxi,et al,eds.Beijing：Petroleum Industry Press,2011:189.

[6] Jenisch-Anton A,Adam P,Michaelis W,et al.Molecular evidence for biodegradation of geomacromolecules[J].Geochimica et Cosmochimica Acta,2000,64(20):3525-3537.

[7] 倪春华,包建平,顾忆.生物降解作用对芳烃生物标志物参数的影响研究[J].石油实验地质,2008,30(4):386-389.

Ni Chunhua,Bao Jianping,Gu Yi.Study of biodegradation effect on aromatic biomarker parameters[J].Petroleum Geology & Experiment,2008,30(4):386-389.

[8] 史权,赵锁奇,徐春明,等.傅立叶变换离子回旋共振质谱仪在石油组成分析中的应用[J].质谱学报,2008,29(6): 367-378.

Shi Quan,Zhao Suoqi,Xu Chunming,et al.Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry and its application in petroleum analysis[J].Journal of Chinese Mass Spectrometry Society,2008,29(6):367-378.

[9] Hughey C A,Rodgers R P,Marshall A G,et al.Acidic and neutral polar NSO compounds in Smackover oils of different thermal maturity revealed by electrospray high field Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry[J].Organic Geochemistry,2004,35(7):863-880.

[10] Kim S,Stanford L A,Rodgers R P,et al.Microbial alteration of the acidic and neutral polar NSO compounds revealed by Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry[J].Organic Geochemistry,2005,36(8):1117-1134.

[11] Liao Yuhong,Quan Shi,Hsu C S,et al.Distribution of acids and nitrogen-containing compounds in biodegraded oils of the Liaohe Basin by negative ion ESI FT-ICR MS[J].Organic Geochemistry,2012,47:51-65.

[12] Li Maowen,Cheng Dingsheng,Pan Xiaohua，et al.Characterization of petroleum acids using combined FT-IR,FT-ICR-MS and GC-MS: Implications for the origin of high acidity oils in the Muglad Basin,Sudan[J].Organic Geochemistry,2010,41(9):959-965.

[13] 窦立荣,黎茂稳.高酸值油藏的形成与分布[M].北京:地质出版社,2010.

Dou Lirong,Li Maowen.Origin and distribution of high acidity oils[M].Beijing:Geological Publishing House,2010.

[14] Kendrick E A.Mass Scale Based on CH2=14.0000 for High Resolution Mass Spectrometry of Organic Compounds[J].Analytical Chemistry,1963,35(13):2146-2154.

[15] Hughey C A,Hendrickson C L,Rodgers R P,et al.Kendrick Mass Defect Spectrum:A Compact Visual Analysis for Ultrahigh-Resolution Broadband Mass Spectra[J].Analytical Chemistry,2001,73(19):4676-4681.

[16] Liu P,Xu C,Shi Q,et al.Characterization of Sulfide Compounds in Petroleum:Selective Oxidation Followed by Positive-Ion Electrospray Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry[J].Analytical Chemistry,2010,82(15):6601-6606.

[17] Shi Quan,Pan Na,Long Haiyan,et al.Characterization of Middle-Temperature Gasification Coal Tar.Part 3:Molecular Composition of Acidic Compounds[J].Energy Fuels 2013,27(1):108-117.

[18] Peters K E,Walters C C,Moldowan J M.The biomarker guide,biomarkers and isotopes in petroleum exploration and earth history[M].2nd ed.Cambridge University press,New York,2005.

[19] Huang Haiping,Bowler B F,Zhang Zhanwen. et al.Influence of biodegradation on carbazole and benzocarbazole distributions in oil columns from the Liaohe basin,NE China[J].Organic Geochemistry,2003,34(7):951-969.

(编辑黄 娟)

MolecularcharacterizationofpolarspeciesinCanadianoilsandbitumensbyelectrosprayionizationandhighresolutionmassspectrometry

Liu Peng1,2,3, Li Maowen2,3, Sun Yongge1, Jiang Qigui2,3, Tao Guoliang2,3, Cao Tingting2,3

(1.DepartmentofEarthScience,ZhejiangUniversity,Hangzhou,Zhejiang310027,China; 2.SINOPECKeyLaboratoryofPetroleumAccumulationMechanisms,Wuxi,Jiangsu214126,China; 3.WuxiResearchInstituteofPetroleumGeology,SINOPEC,Wuxi,Jiangsu214126,China)

At present, biodegradation effect on saturated hydrocarbon biomarkers, aromatic biomarker parameters and low molecular weight nitrogen compounds and their parameters is mostly studied, with less attention paid to the research of high molecular weight polar compounds. Four genetically related Canadian oil sand bitumens with various biodegradation levels have been analyzed by negative-ion electrospray ionization (ESI) and Fourier transform-ion cyclotron resonance mass spectrometry (FT-ICR MS). The results show that the neutral nitrogen and acidic heteroatom compounds in the oil sand bitumens include N1,N1O1,N1O2,N1S,O1,O1S1,O2,O2S1,O3and O4heteroatom classes, among which the O2class species are most abundant. With increasing biodegradation, the relative abundances of N1,N1O1and O1class species decrease slightly, while the relative abundances of O2and O2S1class species increase slightly. The advantage of high resolution mass spectrometry for analyzing high molecular weight polar compounds in crude oil indicates great potential for developing new petroleum geochemistry techniques.

oil sand; biodegradation; polar compound; naphthenic acid; ESI and FT-ICR MS; Canada

1001-6112(2014)01-0089-06

10.11781/sysydz201401089

2013-02-22；

：2013-12-02。

刘鹏(1980—)，男，博士后，从事油气地球化学研究工作。E-mail: liupeng_1207@163.com。

国家重点基础研究发展计划(973计划)(2012CB214801)，中国石化科技部项目(P11062)，中国博士后科学基金资助项目 (2012M520550)及中国石化油气成藏重点实验室基金资助。

TE135.6

：A