基于激光解吸电离质谱法的正构烷烃的测定

金 钊

（利诚检测认证集团股份有限公司，广东 中山 528400）

目前从石油馏分中提取烷烃的溶剂沉淀法和分子筛相关的分离方法都比较烦琐，且需要大量的样品，在有些情况下甚至难以应用。石油不可能从所用的溶剂中完全提取，至少有一部分与其他高质量材料沉淀[1]。有研究者用尿素包合方法从沉积物、石油原油和石油衍生馏分等复杂混合物中分离烷烃，得到了较好的分离效果[2]。气相色谱/质谱（GC/MS）测定受到能够在气相中通过气相色谱柱的烷烃尺寸上限的限制。对普通色谱柱，烷烃的这个极限出现在C35～C40左右[3-4]。

相比之下，激光解吸/电离法可以直接从固相中提取样品分子。该工艺绕过了热蒸发大碳数、相对不开合的烷烃所固有的困难，还可以避免或减少样品在蒸发前的降解。有研究者已将基质辅助激光解吸/电离质谱（MALDI-MS）应用于石油和烷烃馏分的分离，以AgNO3为基质，用MALDI-MS对原油中的高质量烷烃进行了检测。研究表明C24以下的烷烃不会电离，但较大的烷烃（C80以上）作为银加合物被成功电离[5]该文开发了一种基于尿素包合和薄层或纸色谱相结合分离原油中烷烃的方法。将烷烃以尿素加合物的形式从原油中分离出来。最后以AgNO3为基质，持色谱纸或板为靶，用MALDI-MS 进行分析。

1 材料与方法

1.1 样品和试剂

原油样品分别来自某油田和商业购买；碳数分别为20、22、25、30、40、44、50 和60 的正构烷烃样品，购买自上海嵘馥新能源科技有限公司；Polywax 500 标准品（C20-C60范围）、Polywax 655 和1000 标准品（分别为C40～C60和C40～C80），购买自东莞市乔科化学有限公司；AgNO3（99.9999%）、尿素（分析级，99%）、四氢呋喃（99.8%）和HPLC 级氯仿和甲醇，购买自Aldrich 公司。

1.2 烷烃分离方法

用两种方法分离烷烃，第一种是从溶液中的粗样品中分离（常规尿素包合法）；第二种是从吸附在平面色谱板上的粗样品中分离（尿素包合-平面色谱法）。

常规尿素包合法：首先，将原油（2 g）用氯仿（10 mL）稀释，搅拌混合物，加热至40°C。50 mg 的标准物质[六方烷（CH3（CH2）58CH3；分子量842 u）或Polywax 1000]溶于1 mL 氯仿中，加入原油混合物中，保持溶液的最终体积恒定为10 mL。用该标准物评价尿素包合法对烷烃的回收率，并检查质谱法的检测限度。其次，在样品溶液中加入溶于甲醇（100 mL）的尿素（10 g）。混合物在45°C～50°C 搅拌1 h，室温放置一夜，以沉淀尿素-烷烃加合物和多余的尿素。在这个过程中溶剂蒸发到接近干燥。再次，分离加合物晶体。为了从烷烃-尿素加合物中分离未反应的原油成分，混合物用100 mL 氯仿清洗，浆液用熔块玻璃过滤漏斗进行真空过滤。进一步将加合物结晶用100 mL 氯仿洗涤，并过夜干燥。用10 mL 蒸馏水于室温下在漏斗中洗涤晶体，然后用80 mL 热蒸馏水（80°C）进行二次洗涤。将含有烷烃的漏斗放置在160°C 下过夜，以确保完全干燥。最后，通过过滤漏斗倒入热甲苯（90°C，30 mL）以溶解蜡和储存的溶液，并用以分析。

尿素包合-平面色谱法：常规尿素包合法经过改进，可与纸层析和平面层析相结合使用。在使用之前，用氯仿清洗Whatman 1 号滤纸（切成矩形块）和聚酯背硅涂层PC 板。将以含Polywax 1000（0.005 g·mL-1）为参考物质的氯仿原油（0.2 g·mL-1）加热至40℃，再将原油和尿素溶液混合（体积比1 ∶10），搅拌并加热至45°C～50°C 保持1 h，涂在纸/板上并晾干。尿素和从原油中除去的非加合物倾向于在条带顶部附近聚集。在MALDI-MS 分析之前，切割和干燥从尿素包合物中解放出来的底部带，为基体的应用做准备。顶部的条带也被切割并准备用于MALDI-MS，以测试是否有一些烷烃（意外地）到达了板的顶部。

1.3 气相色谱法

在配备高温毛细管柱（HT5 相，25m 长，0.032mmid，0.1μm 膜厚）的气相色谱仪上进行分析。载气为氦气，流速为1mL·min-1。柱式烘箱温度从40°C 缓慢上升到380°C，保持10min。程序温度注入器以分裂模公式（比10 ∶1）运行，其温度以100°C·min-1从80°C 上升到350°C，保持5min。

1.4 基质辅助激光解吸/电离质谱（MALDI-MS）

使用1μL 移液管尖端将样品溶液沉积在不锈钢MALDI靶上。干燥后，基质溶液（1mg·mL-1AgNO3在水中）使用新鲜移液管尖端沉积在样品上。将样品斑点在干净的二氧化硅PC 板上，然后将基质溶液应用于样品之上。MALDI-MS检测的样品包括

溶解在四氢呋喃（1 mg·mL-1）中的标准正构烷烃，原油样品和标准尿素包合法得到的烷烃馏分。除非另有说明，这些样品直接应用于金属靶。

聚蜡样品在氯仿溶液（5 mg·mL-1）中，斑点在硅胶PC板上。

将滤纸和PC 板（来自尿素包合PC 法）切成小段，贴在MALDI 靶上，覆盖基体溶液。

分析使用Bruker 质谱计进行，配备氮激光器（337nm）。在反射镜TOF 模式下获得质谱（共10 次），延迟提取周期为200 ns，正离子模式下最大提取电压为20 kV。采用低质量（m/z200）截止以避免基体离子使探测器饱和。采样率设置为GS·s-1，仪器的质量分辨率在m/z3000 下为25000。

2 结果与讨论

2.1 MALDI-MS 分析烷烃

验证以AgNO3 为基体的MALDI-MS 检测正构烷烃标准品和Polywax 样品。标准正构烷烃的MALDI 质谱如图1所示，碳数为20～60。不同m/z 值出现的峰对应于[烷烃+Ag]+离子，即各正构烷烃与加合银离子的质量之和。所有光谱均在m/z215 和m/z323 附近出现了质量峰群，分别对应于银-二聚体和银-三聚体阳离子。由于质量截止较低（m/z200），没有观察到银单体离子（Ag+）产生的峰值。图1 中的附图为C30 正构烷烃谱的展开图以及同位素分布的特征模式。测量了所有记录的光谱中[烷烃+107Ag]+∶[烷烃+109Ag]+离子峰的高度比，与银同位素的自然丰度比较符合。在图1 中，从某些光谱中可以观察到m/z400 以下的峰，尤其是C50和C60正构烷烃。这些低质量峰部分来自银盐中的杂质，部分来自碎片离子。随着烷烃链长度的增加，需要更高的激光功率来获得光谱。在分析Polywax 样品的过程中，这种效应被标记出来，结果表明比正烷烃标准更难电离。将色谱纸或色谱板作为支撑可以使靶区的均匀性更好，也可以更好地控制样品的浓度，提高灵敏度和一枪对一枪的再现性。

Polywax500、655 和1000 样品的MALDI 质谱如图2 所示，使用涂硅PC 板作为样品夹。观察到相邻组间质量差异为28m/z 单位的峰组，对应于-CH2CH2-单元的质量。Polywax500、655 和1000 的峰分布的m/z 值分别代表C26～C48、C34～C72和C40～C110的偶数碳编号烷烃。这些范围与供应商给出 的一 致：Polywax500 在C20和C60之间，Polywax655在C40和C60之间，Polywax1000 在C40和C80之间。对低于900u～1000u 的质量，代表特定烷烃的每组峰的模式可以与分析纯正构烷烃标准时观察到的模式相匹配（如图1 所示）。然而，当m/z 大于1000 时，光谱分辨率趋于下降，每个烷烃的信号呈现为一个宽峰，无法识别特征同位素分布。尽管如此，Polywax1000 光谱在m/z1800 左右的范围内呈现出与基线相区分的峰值，对应于约120 个碳原子的烷烃。在图2 中，从低质量区域中观察到未识别的高强度峰，与m/z215 和m/z324 处的银簇离子峰不同（如图1 所示）。MALDI对一个空白的硅胶板进行了与Polywax 样品相同的制备方法的分析，得到了相似的峰，质量在m/z253 和m/z395 左右。虽然没有进行进一步的测试以确定这些峰属于特定的种类，但它们很可能是由平板上的二氧化硅和AgNO3基质之间的相互作用产生的。

图1 碳数为20、22、25、30、40、44、50 和60 的正构烷烃Ag 加合物的MALDI 质谱（附图为C30 正构烷烃的展开图）

图2 聚蜡样品银加合物的MALDI 质谱

2.2 常规尿素包合法

某油田原油混合C60正构烷烃和商业购买原油混合Polywax 1000 用标准尿素包合法分离的烷烃组分的GC 色谱图如图3 所示。2 种样品的烷烃组分的GC 分析显示分布在C18～C32。在2 种“加标”样品中都没有检测到高质量的烷烃。显然，传统的（温度最高380°C）GC 分析受限于样品分子通过色谱柱的能力。如上所述，Polywax 1000 的MALDI 分析表明C40是质量最低的烷烃。

图3 某油田原油混合C60 正构烷烃和商业购买原油混合Polywax1000 用标准尿素包合法分离的烷烃组分的GC色谱图

2.3 尿素包合-平面色谱法

选择与Polywax 1000混合的原油D样品来测试这个新程序。原油D 与Polywax 1000 混合馏分的Ag 加合物的MALDI质谱如图4 所示，其中的光谱是在破坏尿素加合物、冲洗尿素、干燥目标物并应用基质（AgNO3）后从色谱纸或色谱板上获得的，记录了纸或板的条带（非内收形成的物质）顶部和条带（烷烃）底部的MALDI 质谱。为了便于比较，所有数据中都包括原始原油的光谱。在所示的所有光谱中可以区分出2 个系列的离子。第一个序列在m/z300～m/z650，间隔为14 m/z，对应于原油中存在的烷烃和从原油中分离出来的烷烃。第二个系列的小峰来自Polywax 1000 标准的偶碳烷烃的[烷烃+Ag]+离子。与色谱板相比，样品和尿素溶液在色谱纸上的连续应用提供了更高的强度谱和更宽的烷烃质量范围。

图4 原油D 与Polywax 1000 混合馏分的Ag 加合物的MALDI 质谱

3 结论

该文介绍了一种更简单、更可靠的分离原油中高质量烷烃的方法。新方法明显提高了质谱分析大质量烷烃的灵敏度。1）在常规分离烷烃的方法基础上，将样品和尿素溶液混合在色谱纸或硅涂层板上。未反应的碳氢化合物通过氯仿显影来去除。在同样的平板与水的第二次显影中，加合物被原地破碎，释放的尿素被除去，留下分离的高质量烷烃带。2）传统尿素加合方法中的烷烃通常沉积在光滑的金属样品板上。该文将色谱纸或硅涂层板切割成条状并固定在金属靶板上。这些以AgNO3为基质处理，并通过MALDI-MS 分析，其中激光直接发射在样品保存色谱板或纸上。与分散在光滑金属靶表面的大块样品相比，从纸或PC 板表面烧蚀样品大大提高了MALDI-MS 检测灵敏度并获得了更大的质量范围。3）用标准烷烃（C20～C60）和Polywax 验证了所建立的分析序列。该文提出的纸层析和平面层析分离方法简单有效，样品和试剂用量小。这些新方法为原油中烷烃的快速分离和可靠测定提供了具有较好应用价值的定性方法。