高效液相色谱-质谱法测定油藏地层水和土壤中甜菜碱型表面活性剂的样品处理

张群，王燕妮，张小燕，董云雷，张乐佳，贺丽鹏，魏小芳

（1.提高石油采收率国家重点实验室，中国石油勘探开发研究院，北京 100083；2.中国农业机械化科学研究院集团有限公司，北京 100083）

绿色驱油剂甜菜碱型两性表面活性剂与阴离子、阳离子或非离子型等表面活性剂均有优良的配伍兼容性能，具有极佳的协同增效作用，三次采油中具有良好的应用前景[1]。表面活性剂甜菜碱具有优异的配伍性能，能够有效提高石油采收率，是未来化学驱开发重点替代产品，有望实现未来化学复合驱的升级换代[2-3]。该表面活性剂抗盐能力强、耐多价阳离子的性能好，可用于高矿化度、较高温度的油层驱油，同时具有良好的生物降解性[4-5]，满足绿色可持续发展和国家环境生态安全的环保要求。但是，部分甜菜碱表面活性剂在采油过程中会被油藏吸附，对油藏环境造成环境影响。油井采出液中的甜菜碱含量检测，特别是痕量微量级别检测能力对开展甜菜碱环境影响机理至关重要。对于深入研究甜菜碱驱油剂的环境行为特性，对实现石油工业高效生产与环境保护并进、减少对环境的污染、保护人类生态具有深远意义[6]。

目前，甜菜碱检测技术不成熟，油田现场难以实时检测，而且油田现场甜菜碱注入浓度一般不高，残留量更低，因此，甜菜碱痕量及微量成分定性筛查和定量检测分析技术有待开发。经文献检索，应用液相色谱法、液相色谱-质谱联用技术、离子色谱法等对食品、化妆品与洗涤剂等领域中不同表面活性剂对环境的污染效应的研究报道较多[7-11]，绿色高效驱油用甜菜碱表面活性剂仍处在从实验室推向现场应用，继而实现工业化的进程中[12]。虽然甜菜碱具有很好的应用前景，但实际油田应用尚需要更多的检测数据支撑。面对产品应用的成熟度不高、分子结构复杂、工艺路线复杂等局限性，现有的常规实验室检测方法很难适用，因此，不同类型甜菜碱型表面活性剂的检测方法亟需进行科技攻关和摸索完善。复杂基质中甜菜碱表面活性剂的净化效果决定了后续分析的质量和准确性，因此，复杂基质中甜菜碱型表面活性剂净化效果研究至关重要。

目前国内外研究中，尚未有采出液中甜菜碱型表面活性剂检测及净化的相关报道，对于驱油剂的预处理，采用微孔滤膜过滤后直接上机测定最为常见[13-15]。笔者选择微孔滤膜过滤及市售5 种固相萃取柱进行净化，比较其回收率，并对净化效果进行比较，旨在选择出测定油藏地层水和土壤中甜菜碱的最优样品处理方法，为甜菜碱型表面活性剂检测方法相关研究的进一步开展提供参考。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

高效液相色谱-质谱联用仪：AcQuity TQD QBA261型，美国沃特世公司。

天平：BSA224S-CW 型，感量为0.000 1g，赛多利斯科学仪器(北京)有限公司。

MCX 固相萃取柱：混合型强阳离子交换柱，Poly-Sery MCX SPE Cartridge型，500 mg (6 mL)，上海安谱实验科技股份有限公司。

乙腈、甲酸、乙醇：均为色谱纯，美国赛默飞世尔科技公司。

氨水：分析纯，国药控股股份有限公司。

甜菜碱标准品：质量分数为89.6%，中国石油勘探开发研究院。

实验用水为蒸馏水，广州屈臣氏食品饮料有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 标准溶液的配制

甜菜碱标准储备液：1 mg/mL，精密称取甜菜碱标准品10 mg，置于10 mL容量瓶中，用水溶解并稀释至标线，摇匀，于4 ℃保存。

基质标准工作溶液：取甜菜碱标准储备液适量，用油藏地层水及土壤提取液配制成质量浓度分别10、20、30、40、50、100 mg/L 的系列基质标准工作溶液，临用现配。

1.2.2 样品预处理

油藏地层水样品：取水体样品20 mL，置于50 mL 聚丙烯离心管中，以3 500 r/min 离心10 min，取上清液，作为油藏地层水样品溶液。

土壤样品：准确称取20 g (精确至0.01 g)土壤样品，置于50 mL 聚丙烯离心管中，加入20 mL 甲醇，于30 ℃超声提取30 min，以3 500 r/min 离心10 min，取上清液，作为土壤样品溶液。

1.2.3 样品净化

将油藏地层水、土壤样品溶液于100 ℃下水浴旋转蒸发，浓缩至约5 mL，过MCX固相萃取柱。依次用5 mL甲醇、5 mL 0.1%甲酸溶液对MCX固相萃取柱进行活化平衡，再将浓缩后的溶液加入已活化的小柱中，控制流量，然后依次用5 mL甲醇溶液（甲醇与水体积比为85∶15，下同）、5 mL甲醇淋洗，最后用5 mL 氨化甲醇（氨水和甲醇体积比为5∶95，下同）洗脱，收集洗脱液，以40 ℃氮气吹干，用水溶解残余物，并定容至1.0 mL，得净化样品溶液。

1.3 仪器工作条件

1.3.1 色谱仪

色谱柱：Waters HⅠLⅠC 柱(100 mm× 3.0 mm，2.7 μm，美国沃特世公司)；流动相：A 相为水，B 相为乙腈，流量为0.2 mL/min，梯度洗脱，洗脱程序见表1；柱温：35 ℃；进样体积：5 μL。

表1 梯度淋洗程序Tab.1 Gradient elution program

1.3.2 质谱仪

离子源：电喷雾离子源(ESⅠ源)；检测方式：多反应监测(MRM)；扫描方式：正离子模式扫描；离子源加热温度：110 ℃；脱溶剂气温度：350 ℃；毛细管电压：3.5 kV；脱溶剂气体：氮气，流量为800 L/h；锥孔气：氩气，流量为0.18 L/h；定性、定量离子及质谱参数见表2。

表2 正离子模式下甜菜碱定性、定量离子对和质谱参数Tab.2 Qualitative and quantitative ion pair and mass spectrometry parameters of betaine in positive ion mode

2 结果与讨论

2.1 仪器工作条件的选择

参考文献[16]色谱、质谱条件，采用液相色谱-串联质谱联用法测定油藏地层水和土壤中甜菜碱含量。

2.2 样品净化方式选择

微孔滤膜过滤：将按照1.2.2方法预处理后的样品溶液过0.45 μm微孔滤膜，得样品净化液1。

活性炭固相萃取柱净化：先用5 mL甲醇，5 mL水对活性炭固相萃取柱进行活化，再用5 mL水浸泡活性炭固相萃取柱10 min，抽取20 mL 按照1.2.2 方法预处理后的样品溶液过萃取柱，收集滤液于100 ℃下进行水浴旋转蒸发、浓缩近干，用水定容至1.0 mL，得样品净化液2。

碱性氧化铝固相萃取柱净化：将按照1.2.2方法预处理后的样品溶液于100 ℃下进行水浴旋转蒸发、浓缩至约5 mL，过碱性氧化铝固相萃取柱。先用10 mL 水对碱性氧化铝固相萃取柱进行活化，再将浓缩后的样品溶液过萃取柱，抽干，用20 mL乙醇进行洗脱，收集洗脱液，40 ℃氮气吹干，用水溶解残余物定容至1.0 mL，得样品净化液3。

MCX 固相萃取柱净化：将按照1.2.2 方法预处理后的样品溶液于100 ℃下进行水浴旋转蒸发、浓缩至约5 mL，过MCX固相萃取柱。依次用5 mL甲醇，5 mL0.1 %甲酸对MCX 固相萃取柱进行活化平衡，再将浓缩后的样品溶液加入已活化的小柱中，控制流量，然后依次用5 mL甲醇溶液、5 mL甲醇进行淋洗，最后用5 mL氨化甲醇进行洗脱，收集洗脱液，以40 ℃氮气吹干，用水溶解残余物定容至1.0 mL，得样品净化液4。

HLB固相萃取柱净化：将按照1.2.2方法预处理后的样品溶液于100 ℃下进行水浴旋转蒸发、浓缩至约5 mL，过HLB固相萃取柱。依次用5 mL甲醇，5 mL水对HLB固相萃取柱进行活化，弃去淋洗液，再将浓缩后的样品溶液加入已活化的小柱中，弃去流出液，然后依次用5 mL水进行淋洗，弃去淋洗液，抽干，最后用10 mL 甲醇进行洗脱，控制流速，收集洗脱液，以40 ℃氮气吹干，用水溶解残余物定容至1.0 mL，得样品净化液5。

WCX 固相萃取柱净化：将按照1.2.2 方法预处理后的样品溶液于100 ℃下进行水浴旋转蒸发、浓缩至约5 mL，过WCX固相萃取柱。依次用5 mL甲醇、5 mL水对WCX固相萃取柱进行活化平衡，再将浓缩后的样品溶液加入已活化的小柱中，控制流量，依次用5 mL 水、5 mL 甲醇进行淋洗，最后用5 mL氨化甲醇进行洗脱，收集洗脱液，以40 ℃氮气吹干，用水溶解残余物，定容至1.0 mL，得样品净化液6。

采用不同净化处理方式，对油藏地层水及土壤基质甜菜碱加标回收试验（n=7），结果见表3。表3结果表明，直接过微孔滤膜回收率为89.5%～92.2%，相对标准偏差为2.3%～3.7%；活性炭固相萃取柱的回收率为64.8%～86.7%，相对标准偏差为1.1%～2.1%；碱性氧化铝固相萃取柱的回收率为89.1%～98.3%，相对标准偏差为0.5%～1.4%；HLB固相萃取柱的回收率为82.0%～87.2%，相对标准偏差为0.5%～2.0%；MCX 小柱的回收率为96.9%～100.5%，相对标准偏差为0.7%～2.1%；WCX小柱的回收率为93.0%～99.8%，相对标准偏差为1.0%～2.40%。可以看出，活性炭柱的回收率较低，HLB小柱次之，而直接过微孔滤膜、碱性氧化铝小柱、MCX、WCX小柱的回收率都能达到90%以上。

表3 油藏地层水和土壤中甜菜碱不同净化方式加标回收试验结果Tab.3 Recovery rate results of different purification methods for betaine in reservoir formation water and soil

水相型聚醚砜(PES)微孔滤膜是一种亲水性滤膜，能够过滤细菌微生物及悬浮杂质等，是一种物理净化手段；活性炭小柱主要可以吸附提取液中的有毒有害物质、异味等，对干扰目标物质的其他成分的净化效果有限；HLB固相萃取柱由N-乙烯吡咯烷酮和亲脂性的二乙烯基苯聚合而成，对极性化合物具有优异的保留能力；碱性氧化铝柱表面带负电，具有类似阳离子交换的作用功能，主要应用于保留极性化合物和阳离子化合物；MCX、WCX固相萃取柱属于混合型阳离子交换柱，含有酸性功能基团，对含碱性基团的物质能选择性保留。甜菜碱属于两性表面活性剂，具有季铵碱性基团和羧酸酸性基团，其羧酸酸性集团能够跟碱性氧化铝柱的负电结合，其季铵碱性基团能与MCX、WCX 固相萃取柱的酸性功能基团结合，经过洗脱后能达到净化效果，因此，碱性氧化铝柱、MCX、WCX固相萃取柱对甜菜碱的净化后回收率效果较为理想。

此外，考虑到油田水及土壤中含有一些其他表面活性剂、盐类、微量煤油等杂质，会对液相色谱-质谱联用仪的色谱柱和离子源造成污染和损伤，降低仪器的灵敏度，加大仪器的维护成本，为了直观地看出各方法的净化效果，采用全扫描模式，对以上4种净化后的样品进行全扫描，色谱图见图1。由图1可见，相较于其他3 种小柱，MCX 固相萃取小柱能够去除大部分杂质，尤其在甜菜碱色谱保留时间1.5～1.8 min内干扰较少，且该小柱回收率也优于其他三种，故优先选择MCX 固相萃取小柱作为净化用小柱。

图1 不同净化方式油藏地层水和土壤样品全扫描总离子流图Fig.1 Full scan total ion flow maps of reservoir formation water and soil samples with different purification methods

2.3 线性方程和检出限

在1.3仪器工作条件下，分别测定系列基质标准工作溶液，以甜菜碱质量浓度为横坐标、色谱峰面积为纵坐标绘制标准曲线，结果见表4。由表4可见，3种甜菜碱在质量浓度10～50 mg/L内与色谱峰面积线性良好，相关系数均达到0.99以上；以S/N=3为检出限标准计算检出限，为0.01 mg/L。

表4 甜菜碱的线性方程、线性范围、相关系数与检出限Tab.4 Linear equation，linear range，correlation coefficient，and detection limit of betaine

2.4 方法专属性

甜菜碱标准品、空白油藏地层水样品、空白土壤样品特征离子色谱图见图2。甜菜碱3 种特征成分的保留时间分别为1.67、1.59、1.74 min。空白样品中未检测到目标物特征离子，说明该方法样品处理效果理想，样品基质未对测定造成干扰。

图2 甜菜碱特征离子谱图Fig.2 Characteristic ion spectrum of betaine

3 结语

针对油藏地层水和土壤两类复杂基质，通过不同种固相萃取柱后的回收率和全扫描质谱图，比较了油田甜菜碱使用不同净化方法的效果，筛选出对油藏地层水和土壤基质净化效果的固相萃取柱，建立了高效液相色谱-质谱法测定油藏地层水和土壤中绿色新型驱油剂甜菜碱含量的方法，该方法特异性强，回收率稳定，方法的检出限也能达到mg/L 级别，可以满足油田甜菜碱的检测，为后续检测的准确性奠定了良好的基础。