甾烷和藿烷的國(guó)產(chǎn)X型分子篩分離制備實(shí)驗(yàn)研究

李二庭，向?qū)毩Γ?際，迪麗達(dá)爾·肉孜，王匯彤，馬萬(wàn)云，劉翠敏，張曉剛

(1.新疆礫巖油藏實(shí)驗(yàn)室，新疆 克拉瑪依 834000；2.中國(guó)石油 新疆油田分公司 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)研究院，新疆 克拉瑪依 834000；3.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083)

在油氣地球化學(xué)領(lǐng)域，穩(wěn)定碳同位素分析技術(shù)已在油源對(duì)比、烴源巖的沉積環(huán)境、成熟度研究及有機(jī)化合物的生物前驅(qū)物探討等方面得到了廣泛應(yīng)用[1-6]。隨著分析技術(shù)的發(fā)展，有機(jī)分子單體穩(wěn)定碳同位素已深入應(yīng)用于有機(jī)地球化學(xué)的研究中，生物分子的分布與碳同位素組成特征的聯(lián)合應(yīng)用，可以大大增強(qiáng)追蹤古環(huán)境中有機(jī)質(zhì)來(lái)源和恢復(fù)古生物化學(xué)過(guò)程及沉積環(huán)境的能力[7-8]，在油源精細(xì)對(duì)比方面的作用也更顯著[9-12]。相比于正構(gòu)烷烴而言，甾烷和藿烷類生物標(biāo)志化合物的單體同位素分析技術(shù)研究較少[13-15]，主要是由于這些生物標(biāo)志物在地質(zhì)樣品中含量極低，單體制備中存在同位素的分餾[16-17]，因此，要得到準(zhǔn)確的單體同位素?cái)?shù)據(jù)，必須對(duì)其單體分子進(jìn)行有效的分離富集。

目前國(guó)內(nèi)外分離、富集飽和烴生物標(biāo)志化合物的方法主要包括Silicalite法[18-20]、分子篩法[21-26]、尿素絡(luò)合法[27]和硫尿絡(luò)合法[28]，對(duì)藿烷和甾烷類化合物的分離富集主要采用前兩種方法。如董愛(ài)正等[20]采用活化的Silicalite柱子實(shí)現(xiàn)了藿烷餾分分離富集；WHITEHEAD等[21]發(fā)現(xiàn)，孔徑大小接近0.8 nm的NaX和10X分子篩對(duì)支鏈藿烷類化合物具有較強(qiáng)的吸附作用，且對(duì)22S構(gòu)型的藿烷異構(gòu)體吸附強(qiáng)度大于22R構(gòu)型的藿烷異構(gòu)體。KENIG等[23]采用超穩(wěn)Y型分子篩進(jìn)行固相填料，在高效液相色譜上實(shí)現(xiàn)了甾烷類與藿烷類化合物的分離，證明分子篩分離生物標(biāo)志化合物的過(guò)程中無(wú)同位素“分餾”效應(yīng)，但該類型材料在國(guó)內(nèi)尚無(wú)法購(gòu)買(mǎi)。王匯彤等[25]采用國(guó)產(chǎn)的不同種類 Y型分子篩對(duì)甾烷和藿烷類化合物進(jìn)行了吸附和脫附實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)NaY分子篩對(duì)不同構(gòu)型的甾烷和藿烷類化合物具有不同的吸附行為，可用于生物標(biāo)志化合物的分離。

本文通過(guò)國(guó)產(chǎn)10X和13X型分子篩對(duì)甾烷和藿烷類化合物的吸附對(duì)比實(shí)驗(yàn)，探討兩種分子篩在制備這些化合物過(guò)程中的同位素分餾效應(yīng)，為其單體化合物的分離技術(shù)不斷改進(jìn)提供借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 飽和烴制備

稱取原油或地質(zhì)樣品氯仿抽提物60～100 mg，加入二氯甲烷溶解后，加少許細(xì)粒硅膠吸附，揮發(fā)二氯甲烷，取6 g經(jīng)180 ℃活化4 h后的細(xì)粒硅膠(100～200目)在振蕩條件下裝入層析柱，將吸附樣品的細(xì)粒硅膠轉(zhuǎn)入柱子中，用正己烷淋洗，當(dāng)柱子下端溶液流出時(shí)，加10 mL正己烷，收集飽和烴餾分。

1.2 異構(gòu)烷烴和環(huán)烷烴制備

采用ZSM-5分子篩吸附的方法分離正構(gòu)烷烴，從而實(shí)現(xiàn)異構(gòu)烷烴和環(huán)烷烴的制備。方法如下：取飽和烴樣品加入ZSM-5分子篩充填的層析柱，分子篩質(zhì)量為飽和烴質(zhì)量的100倍，用20 mL異辛烷多次淋洗，得到飽和烴中的異構(gòu)烷烴和環(huán)烷烴組分，并進(jìn)行稱量。

1.3 分子篩吸附實(shí)驗(yàn)

國(guó)產(chǎn)13X型分子篩吸附甾烷及藿烷實(shí)驗(yàn)：13X型分子篩用前需經(jīng)550 ℃活化10 h，取制備好的異構(gòu)/環(huán)烷烴樣品20 mg左右，二氯甲烷溶解后，加少許13X型分子篩吸附，揮發(fā)二氯甲烷，靜置過(guò)夜。取300倍左右樣品質(zhì)量的13X型分子篩(60～80目)在振蕩條件下裝入層析柱中，將吸附樣品的13X型分子篩轉(zhuǎn)入柱子中，用冷的正戊烷淋洗，收集從分子篩填充柱淋洗下來(lái)的正戊烷淋洗液1 mL六份，20 mL和40 mL的各一份，進(jìn)行色譜/質(zhì)譜檢測(cè)。層析柱中的殘留物經(jīng)異辛烷加熱回流10 h，過(guò)濾收集濾液，進(jìn)行色譜/質(zhì)譜檢測(cè)。

國(guó)產(chǎn)10X型分子篩吸附甾烷及藿烷實(shí)驗(yàn)，過(guò)程基本同13X分子篩吸附實(shí)驗(yàn)：10X型分子篩用前需經(jīng)550 ℃活化10 h，取制備好的異構(gòu)/環(huán)烷烴樣品20 mg左右，二氯甲烷溶解后，加少許10X型分子篩吸附，揮發(fā)二氯甲烷，靜置過(guò)夜。取300倍左右樣品質(zhì)量的10X型分子篩(60～80目)在振蕩條件下裝入層析柱中，將吸附樣品的10X型分子篩轉(zhuǎn)入柱子中，用冷的正戊烷淋洗，每2 mL淋洗液收集一份，共收集八份，進(jìn)行色譜/質(zhì)譜檢測(cè)。層析柱中的殘留物經(jīng)異辛烷加熱回流10 h，過(guò)濾收集濾液，進(jìn)行色譜/質(zhì)譜檢測(cè)。

1.4 儀器分析

色譜/質(zhì)譜分析：色譜儀為安捷倫公司生產(chǎn)的6800型號(hào)，質(zhì)譜儀為熱電公司生產(chǎn)的DSQ-Ⅱ型。采用HP-5柱(60 m×0.25 mm×0.25 μm)，進(jìn)樣口溫度300 ℃，載氣He；初始溫度100 ℃，恒溫3 min，以2.6 ℃/min升溫至300 ℃，恒溫9 min；傳輸線溫度300 ℃，離子源溫度250 ℃，離子化方式為70 eV電子轟擊，發(fā)射電流200 μA，分析采用全掃描和選擇離子方式。

單體烴碳同位素分析：采用Thermo公司生產(chǎn)的MAT-253型，單體烴同位素標(biāo)準(zhǔn)樣品來(lái)自美國(guó)Indiana大學(xué)。采用DB-1柱(60 m×200 μm×0.25 μm ) ，初始溫度70 ℃，恒溫5 min，以4 ℃/min升溫至240 ℃，再以3 ℃/min升溫至320 ℃，恒溫30 min；進(jìn)樣口溫度為300 ℃，采用分流進(jìn)樣模式，分流比為20∶1，燃燒爐溫度900 ℃，離子化能量70 eV。

2 結(jié)果與討論

2.1 國(guó)產(chǎn)13X型分子篩吸附行為實(shí)驗(yàn)

國(guó)產(chǎn)13X型分子篩對(duì)甾烷和藿烷類化合物的吸附及脫附實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1和圖2。圖1為正戊烷從13X型分子篩淋洗下來(lái)各餾分的色譜/質(zhì)譜圖。從圖1中可以看出，13X型分子篩對(duì)甾烷化合物的5α,14α,17α-20S、5α,14β,17β-20R和5α,14β,17β-20S三種構(gòu)型吸附相對(duì)較弱，優(yōu)先被淋洗下來(lái)；隨著淋洗進(jìn)行，5α,14α,17α-20R構(gòu)型的甾烷系列含量明顯提高，其次是伽馬蠟烷、β-胡蘿卜烷。在前2個(gè)餾分中，除少量伽馬蠟烷外，幾乎全是甾烷的系列化合物；隨著淋洗的繼續(xù)，5α,14α,17α-20S、5α,14β,17β-20R和5α,14β,17β-20S構(gòu)型的甾烷系列化合物完全脫附，餾分中開(kāi)始出現(xiàn)部分構(gòu)型的藿烷化合物(圖1c)。13X型分子篩對(duì)S構(gòu)型的藿烷吸附能力低于R構(gòu)型的藿烷，餾分5中S構(gòu)型的藿烷含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于R構(gòu)型的藿烷(圖1c)，而餾分7中S構(gòu)型的藿烷含量與R構(gòu)型的藿烷基本接近(圖1d)，說(shuō)明13X型分子篩對(duì)藿烷的吸附也并非完全一致。

圖1 國(guó)產(chǎn)13X型分子篩柱淋洗下不同餾分總離子流圖

圖2 異辛烷抽提13X分子篩殘留餾分總離子流和m/z 191圖

從40 mL正戊烷淋洗餾分8中的化合物組成和色譜/質(zhì)譜檢測(cè)強(qiáng)度來(lái)看(圖1e)，30 mL的正戊烷可以從13X型分子篩上淋洗下甾烷的系列化合物，而藿烷系列化合物大部分仍然吸附在13X型分子篩上，這從異辛烷抽提13X型分子篩殘留物的結(jié)果也可以證實(shí)這一點(diǎn)。圖2是異辛烷抽提下來(lái)的餾分進(jìn)行色譜/質(zhì)譜檢測(cè)，總離子流圖譜與m/z191圖譜完全一致，說(shuō)明13X型分子篩可以用柱層析的方法對(duì)藿烷類化合物進(jìn)行富集，可以實(shí)現(xiàn)藿烷類化合物的生物標(biāo)志化合物同位素測(cè)定。甾烷也可以通過(guò)13X類分子篩分離出，并滿足生物標(biāo)志化合物同位素的測(cè)定分離度。

2.2 國(guó)產(chǎn)10X型分子篩吸附行為對(duì)比實(shí)驗(yàn)

國(guó)產(chǎn)10X型分子篩對(duì)甾烷和藿烷類化合物的吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3和圖4。圖3為正戊烷從10X型分子篩淋洗下來(lái)各餾分的色譜/質(zhì)譜圖，從前2個(gè)餾分的色譜/質(zhì)譜圖可以看出：10X型分子篩對(duì)甾烷化合物的5α,14α,17α-20S、5α,14β,17β-20R和5α,14β,17β-20S三種構(gòu)型吸附最弱，首先被正戊烷淋洗下來(lái)(圖3a，b)；其次是5α,14α,17α-20R構(gòu)型的甾烷系列(圖3c)、β-胡蘿卜烷(圖3d)和伽馬蠟烷(圖3e)，在餾分1中幾乎全是甾烷的系列化合物。隨著淋洗的進(jìn)行，5α,14α,17α-20S、5α,14β,17β-20R和5α,14β,17β-20S構(gòu)型的甾烷系列化合物完全脫附，5α,14α,17α-20R構(gòu)型的甾烷系列、β-胡蘿卜烷和伽馬蠟烷相繼脫附。在第4、第5兩組餾分中，甾烷主要是5α,14α,17α-20R構(gòu)型的系列(圖3c，d)，到了第7、第8組餾分逐漸降低，可以看出在甾烷R構(gòu)型即將脫附完全的情況下，看到藿烷S構(gòu)型的少量脫附(圖3e，f)。

圖3 國(guó)產(chǎn)10X型分子篩柱淋洗下不同餾分總離子流圖

圖4 異辛烷抽提10X分子篩殘留餾分色譜/質(zhì)譜TIC和m/z 191圖

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)：10X型分子篩是分離制備生物標(biāo)志化合物的良好填料，進(jìn)一步摸索出更合適的實(shí)驗(yàn)條件，可以制備出不同構(gòu)型的甾烷、伽馬蠟烷、β-胡蘿卜烷等化合物，使其滿足測(cè)定單體碳同位素的需要。分子篩中殘留物經(jīng)抽提也可以得到較為純凈的藿烷系列(圖4)。

2.3 甾烷和藿烷類化合物分離制備

國(guó)產(chǎn)10X型和13X型分子篩都可以分離出甾烷類化合物，但由于10X型分子篩的孔徑略小于13X型分子篩的孔徑，所以，在正戊烷淋洗不同的分子篩時(shí)，不同構(gòu)型的甾烷化合物從分子篩上脫附的順序有差異。1 mL的正戊烷淋洗13X型分子篩裝填的柱子，可以把四種不同構(gòu)型的甾烷淋洗下來(lái)，而3 mL的正戊烷淋洗10X型分子篩裝填的柱子，只淋洗下甾烷化合物的5α,14α,17α-20S、5α,14β,17β-20R和5α,14β,17β-20S三種構(gòu)型。分子通道孔徑相對(duì)較小的10X分子篩，放大了不同構(gòu)型甾烷通過(guò)的差異，使得不同構(gòu)型的甾烷化合物分離度好于13X型分子篩。鑒于10X分子篩對(duì)不同構(gòu)型的甾烷有更好的分離度，這將十分有利于進(jìn)行生物標(biāo)志物單體烴同位素測(cè)定，因此選用10X型分子篩進(jìn)行甾烷的分離。根據(jù)吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果，加密3～6 mL之間的餾分收集密度，色譜/質(zhì)譜定性后，確立了5α,14α,17α-20S、5α,14β,17β-20R和5α,14β,17β-20S的三種構(gòu)型與5α,14α,17α-20S構(gòu)型在分子篩上的分離分界點(diǎn)為5 mL左右。收集兩份5 mL的餾分，其色譜/質(zhì)譜檢測(cè)圖譜如圖5所示。與前面所有構(gòu)型的甾烷收集在一個(gè)餾分的圖比較，餾分1的甾烷化合物是5α,14α,17α-20S、5α,14β,17β-20R和5α,14β,17β-20S的三種構(gòu)型；餾分2的甾烷化合物是5α,14α,17α-20R構(gòu)型(圖5)。

圖5 國(guó)產(chǎn)10X型分子篩制備甾烷化合物餾分的總離子流圖

同樣，國(guó)產(chǎn)10X型分子篩和13X型分子篩均可以分離制備出藿烷類化合物，但由于13X型分子篩對(duì)于藿烷的吸附能力更強(qiáng)，因此選用13X型分子篩進(jìn)行藿烷類化合物的分離制備。根據(jù)上述對(duì)13X分子篩的吸附行為實(shí)驗(yàn)，基本可以確定用70 mL左右正戊烷沖洗后，用異辛烷抽提13X分子篩10 h可得到藿烷組分。

根據(jù)上述系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最終確定甾烷和藿烷類化合物的分離、富集方法如下：(1)稱取樣品100 mg左右，加入到6 g細(xì)粒硅膠填充柱上，采用15 mL正己烷淋洗，分離制備出飽和烴組分，揮發(fā)溶劑、稱重；(2)取約100倍飽和烴質(zhì)量的ZMS-5分子篩充填柱子，以20 mL異辛烷淋洗，分離制備出飽和烴的環(huán)烷烴和異構(gòu)烷烴組分，揮發(fā)溶劑、稱重；(3)取300倍左右環(huán)烷烴和異構(gòu)烷烴質(zhì)量的13X型分子篩(60～80目)在振蕩條件下裝入層析柱中，70 mL冷正戊烷淋洗柱子后，濃縮淋洗液，氮?dú)獯蹈芍樱?4)取300倍左右環(huán)烷烴和異構(gòu)烷烴質(zhì)量的10X型分子篩(60～80目)在振蕩條件下裝入層析柱中，將步驟(3)中濃縮的淋洗液加入層析柱上，取兩份5 mL的正戊烷淋洗并分別收集，得到不同構(gòu)型的甾烷組分；(5)異辛烷抽提13X型分子篩殘留物10 h，得到藿烷組分；(6)濃縮步驟(4)和步驟(5)所得溶液，進(jìn)行碳同位素分析。

2.4 分子篩制備甾烷和藿烷過(guò)程中的碳同位素分餾分析

根據(jù)10X型分子篩吸附實(shí)驗(yàn)中分離出不同餾分的甾烷化合物進(jìn)行單體烴穩(wěn)定碳同位素的測(cè)定結(jié)果(表1和表2)，可以看出，由于不同構(gòu)型的甾烷化合物相對(duì)集中地出現(xiàn)在某一區(qū)間，使得單體在某一餾分內(nèi)濃度相對(duì)較高，不同構(gòu)型間的相互影響也降低，測(cè)定各單體的穩(wěn)定碳同位素?cái)?shù)據(jù)就比較令人滿意。同一單體化合物在不同餾分中的誤差大多數(shù)都滿足了現(xiàn)行的中華人民共和國(guó)石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的誤差要求。說(shuō)明國(guó)產(chǎn)10X型分子篩可以用于甾烷化合物單體制備及其穩(wěn)定碳同位素分析。

表1 國(guó)產(chǎn)10X型分子篩分離出的甾烷化合物單體烴碳同位素測(cè)定結(jié)果

表2 國(guó)產(chǎn)10X型分子篩分離出的甾烷化合物單體烴碳同位素測(cè)定結(jié)果與平均值的誤差

用此方法做平行實(shí)驗(yàn)，測(cè)得的結(jié)果見(jiàn)表3，大部分構(gòu)型的甾烷兩次測(cè)定結(jié)果的重復(fù)性非常好，說(shuō)明此方法可操作性很高。

表3 國(guó)產(chǎn)10X分子篩分離出的甾烷化合物單體烴碳同位素重復(fù)性分析

分別用10X型和13X型分子篩富集分離同一個(gè)樣品，其藿烷單體烴的穩(wěn)定碳同位素測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表4。富集的藿烷等系列化合物的純度相對(duì)較高，基線平穩(wěn)，獲得的藿烷單體碳同位素測(cè)定結(jié)果非常吻合，說(shuō)明10X型分子篩與13X型分子篩一樣，都可用柱層析的方法富集分離藿烷類化合物。

表4 國(guó)產(chǎn)10X型和13X型分子篩分離出的藿烷化合物單體烴碳同位素測(cè)定結(jié)果

3 結(jié)論

國(guó)產(chǎn)10X型和13X型分子篩在分離制備甾烷和藿烷類化合物過(guò)程中，對(duì)不同類型化合物的吸附能力不同。13X型分子篩對(duì)藿烷類吸附能力更強(qiáng)，10X型分子篩對(duì)甾烷類吸附能力強(qiáng)，可以將不同構(gòu)型的甾烷和藿烷分離開(kāi)，且在分離過(guò)程中不存在穩(wěn)定碳同位素分餾現(xiàn)象。兩者結(jié)合，可分離制備出高純度的甾烷和藿烷類化合物。