原油中難以分辨的復雜混合物研究進展

胡守志，李水福，張冬梅，馬 軍

(1.中國地質大學(武漢) 構造與油氣資源教育部重點實驗室，武漢 430074；2.中國地質大學(武漢) 研究生院，武漢 430074)

1 概述

石油是一種非常復雜的有機混合物，盡管普通一維毛細管氣相色譜具有很高的分辨率，卻仍然不能使其所含化合物完全得到分離，在色譜圖上出現一系列共流化合物，表現為連續的基線抬升(圖1)，即通常所說的鼓包，術語上將其稱作難以分辨的復雜混合物(unresolved complex mixtures)，簡稱UCM[1]。在遭受生物降解的原油色譜圖中，UCM特征尤為明顯。

生物降解原油在世界各地十分普遍，其資源量十分巨大，是目前石油勘探和開發的一個重要目標[2-6]。但由于生物降解原油在常規的GC,GC-MS中能分辨的烴類化合物明顯減少，使得難以分辨的烴類化合物(UCM)比例增高[7]，生物降解油的研究難度增大。前人研究表明，原油中UCM所包含的化合物數目可多達250 000個[8]，這足以證明UCM的復雜性，同時這些難以分辨的化合物可能蘊藏了大量未被發掘的地球化學信息[8-9]，缺乏對這些化合物結構信息的精確了解已經嚴重阻礙了生物降解油成因和原油污染的研究[10-14]。如何對UCM進行有效分離和辨析成為當今有機地球化學家致力研究的問題之一[14-16]。目前已取得一定的成果，并在石油勘探、開發和環境保護等領域得到初步應用。本文對其進行較為全面的綜述，以供參考。

圖1 一維氣相色譜中的UCM化合物示意Fig.1 Typical 1D GC-FID characterization of UCM

2 UCM研究的實驗方法

為了了解UCM的組成和結構信息，自1970年以來，經過不同學者的探索性研究，先后發展了一系列的實驗分析方法。其中包括：1)濕化學方法：如開放柱的硅膠色譜和浸銀硅膠色譜[14]、高效液相色譜[17-18]、薄層色譜[15]和利用分子篩、尿素、硫脲絡合[12,15]等，對UCM中不同特征化合物在進一步鑒定前進行有效分離；2)化學氧化方法：如在分析前用鉻酸或釕離子進行化學氧化，改變UCM組分的化學結構，利于UCM的結構分析[10,15,19-20]；3)色譜方法：氣相色譜、多級制備色譜、多維氣相色譜和全二維氣相色譜[8,10,14-15,17-18]；4)光譜方法：UCM結構鑒定采用的方法包括紅外光譜、熒光、核磁共振、高分辨率的質譜和EI-FT-ICR質譜[15,17-18,21]；5)數據處理方法：在數據處理上，為了更好地檢測鑒定UCM中的單體化合物，發展了統計的去卷積方法[16]。這些實驗分析方法使得最初一無所知的UCM取得了突破性進展，不僅推測了組成UCM的化合物可能類型和結構[10,15]，且Sutton利用多級制備氣相色譜，從原油的UCM中分離鑒定了一個生物成因指示意義的單體化合物——新C2617-脫甲基三芳甾烷[8]，開創了UCM中單體化合物鑒定的先河。

目前，隨著對復雜化合物體系具有很強的分離容量和分離效果的全二維氣相色譜技術和飛行時間質譜分析技術的完善與發展[22-27]，國際上主要采用全二維氣相色譜/飛行時間質譜(GC×GC/TOFMS)儀器與有效的前處理方法(如改進的浸銀柱高效液相色譜)相結合，分離和鑒定原油烴類組分中的UCM單體化合物[28-30]。同時，由于原油的非烴組分中也含有大量的UCM[31-32]，加之烴類中的UCM在自然環境中也會被氧化成非烴[19]，而EI-FT-ICR質譜是近年來廣泛使用的一種有效研究極性化合物的技術[21,33-34]。因此，GC×GC/TOFMS以及EI-FT-ICR質譜的有效結合將成為剖析UCM的有效分析技術，也將極大地推動UCM精細結構的研究和應用。

3 UCM中的化合物特征

3.1 飽和烴中的UCM特征

國外學者研究表明，UCM中大約有80%～90%是飽和烴組分[14-15]，但由于飽和烴異構體數目繁多，極性差異小，使得飽和烴中的UCM單體化合物分離與鑒定比芳烴中的更為困難。近20年的研究表明，環烷烴結構是飽和烴UCM中化合物的一種重要結構類型[14]，在全二維氣相色譜—飛行時間質譜分析中可以檢測到單環—六環烷烴系列化合物(圖2)[28]，其中，單環烷烴最豐富[14]，其次是單烷基取代的“T”型支鏈烷烴異構體[10-11]。實驗室合成和模擬已經證實單烷基取代的“T”型支鏈烷烴的抗生物降解能力強于正構烷烴以及單甲基的支鏈化合物，與高度異構化的無環異戊二烯烴類抗降解能力相當，是飽和烴UCM中的一類重要化合物(圖3)[10-11,35]。此外，在C36—C40的碳數分布范圍內的UCM中，還存在高碳數的不規則異戊二烯類化合物，目前已經檢測到相當數量的無環、單環、雙環和三環的不規則異戊二烯類化合物(圖4)[28]。

圖2 飽和烴UCM中已鑒定環烷烴化合物結構(1～6環)示意[28]Fig.2 Structures of identified cycloalkanes (monocyclic-hexacyclic alkanes) in UCM of saturated hydrocarbons

圖3 飽和烴UCM中已鑒定的支鏈烷烴化合物結構示意[11]Fig.3 Structures of branched alkanes in UCM of saturated hydrocarbons

圖4 飽和烴UCM中已鑒定不規則異戊二烯類化合物結構示意(0～3環)[28]Fig.4 Structures of irregular head-to-head isoprenoids(acyclic-tricyclic) in UCM of saturated hydrocarbons

3.2 芳香烴中的UCM特征

前人研究表明，芳香烴中的UCM主要為高度支鏈化的烷基芳烴化合物，其環數從單環—三環及更高，但主要是苯、四氫化萘、萘和多環芳烴化合物的各種取代物。目前用全二維氣相色譜—飛行時間質譜已經分離鑒別出成千上萬個芳烴化合物[26,29-30,36-40]，其結構主要為各種直鏈、支鏈和環狀取代基的單芳環化合物，其中烷基取代的萘滿可能是UCM中分布最廣泛的一類化合物，Booth等成功分離出單個萘滿和萘的取代物(圖5)[30]。

圖5 芳香烴UCM中已鑒定與萘滿和萘有關的化合物結構示意[30]Fig.5 Structures of identified alkyl naphthalenes and alkyl tetralins in UCM of aromatic hydrocarbons

4 UCM的應用

有機地球化學家很早就認識到不同來源和不同次生變化產生的生物降解油的UCM形態和碳數分布范圍不一樣[10,15,28]，因此，UCM形態和碳數分布范圍很早就用來識別不同特征的生物降解油。但由于缺乏對UCM精確結構信息的了解，不能準確確定UCM的來源[9,11]，也無法評價UCM遭受次生變化的程度和環境中殘余的UCM毒性[29-30,41]。目前國內外正在開展的飽和烴和芳香烴組分中的UCM單體化合物精細結構研究正在彌補這些不足[28-30]。飽和烴、芳香烴中的一些化合物往往具有生物成因意義，對石油成熟度和次生變化的改變也往往比較敏感[8,28]。因此，烴類中的UCM單體化合物主要應用于與石油成因相關的各項研究。此外，由于芳香烴大多具有毒性[36-38]，飽和烴雖然毒性較小，但二者的氧化產物——極性化合物的毒性增加[18-19,32]，因此，飽和烴和芳香烴UCM單體化合物結構的研究在與原油相關的環境污染程度和治理方面具有良好的應用前景。

4.1 石油成因的應用

Gough和Killops等[10-11,15]通過正常原油絡合、不同級別生物降解原油的UCM組成以及干酪根裂解產物組成的對比研究表明，各種類型原油中的UCM結構與干酪根的裂解生成石油中的烴類產物的部分結構一致。因此，認為原油中的大部分UCM可能是干酪根成油過程中產生的，其組成的差異可能反映了其原始母質——干酪根的差別，可以用于油源判識。隨后Ventura進一步證實了這一結論。他利用全二維色譜—飛行時間質譜分析了加拿大安大略晚Aechean不同地層的泥巖抽提物，發現不同層位的抽提物具有不同的鼓包形態特征，不同碳數范圍的鼓包具有不同的化合物類型，他對UCM中化合物的鑒定結果表明，不同UCM中的化合物特征結構指示了其各自具有的不同生物來源[28]，這一成果已成功應用于降解原油的成因識別[42]。

4.2 環境領域的應用

石油的溢出對環境造成了污染，而UCM中大多數化合物具有極強的抗生物降解能力，如不能有效除去，就會長期存在于環境中，且其中的芳烴化合物大多都具有毒性，對人類生存的環境造成了極大的威脅。因此，芳香烴UCM中化合物的精細結構研究成為近年來的熱點內容之一，期望通過對其結構的研究，明確芳香烴UCM的毒性，進而確定溢油對環境造成的污染程度以及如何消除或減弱其對環境的污染。在芳香烴UCM的毒性研究上，不少學者通過各種實驗方法研究了各類芳烴化合物的毒性[39]，進而評價了溢油對環境造成的污染程度[28-32,36-40,43]，如Booth等通過研究一系列英國海岸貝殼中的UCM所含的單芳化合物，揭示了溢油對環境造成的污染程度。在如何降解UCM的毒性方面，Frenzel做了很好的研究工作。他針對UCM中主要的毒性化合物——單芳化合物，利用人工合成的6-環己基萘滿和1-(3-甲基丁基),7-環己基萘滿為對象，在實驗室開展了不同微生物組合的細菌對該類化合物降解能力的研究，為如何有效除去UCM中的化合物毒性奠定了很好的基礎，其獲得的成果對環境污染的進一步整治具有實際意義[32,41]。盡管飽和烴UCM的毒性很小，但其氧化產物為極性化合物，水溶性較飽和烴UCM大大增加，毒性也極大增加[19-20,32]。因此，飽和烴UCM中單體化合物結構的剖析對環境污染的評價及治理同樣具有重要意義。此外，Melbye在挪威油水界面處的生物降解油中發現，非烴組分中UCM存在大量的環狀和芳香的亞砜類化合物，它對環境將造成極大的污染[31]。

5 結語

由于UCM的研究還處在探索階段，相應的研究成果還比較少，無論是分析方法還是應用研究都不是很完善，但研究UCM的重大意義卻是毋庸置疑的，其精細結構的未知已經嚴重阻礙了生物降解油的勘探和開發、原油成因理論、溢油的環境污染治理和石油的煉制等多個領域的發展。盡管國外學者在UCM上取得了很大成績，但對于飽和烴中的UCM，由于其極性的差異較小和異構體繁多，如何優選全二維色譜和質譜條件，對飽和烴中的UCM單體化合物進行有效分離和鑒定仍是需要進一步深入研究的問題。

此外，由于國內實驗儀器的限制，UCM的研究相對滯后。隨著我國石油行業近2年來相繼引進全二維色譜—飛行時間質譜儀器[24-27]，UCM研究也正逐步開展，相信今后的幾年內將在該領域取得一定的成績。

從發展前景來看，石油勘探領域研究的一個重點應該是注重尋求與石油成因相關(如反映石油母源、成熟度和次生變化)的UCM參數；溢油造成的環境污染治理領域應從微生物和化學的角度尋找降解有毒的UCM的技術和方法；同樣，開采和煉制也應與環境治理一樣尋找能夠降解大分子、降低有毒物質的微生物或化合物。可以預期，UCM分析技術的開發和地質環境應用解析研究將成為石油行業和環境領域的一個重要發展方向。

參考文獻:

[1] Peters K E, Walters C C, Moldowan J M. The biomarker guide: Biomarkers and Isotopes in Petroleum Systems and Earth History [M]. Cambridge: Cambridge University Press, 2005．

[2] 胡守志,張冬梅,唐靜,等. 稠油成因研究綜述[J]. 地質科技情報,2009,28(2)：94-97．

[3] 胡守志,李水福,何生,等. 南襄盆地泌陽凹陷西部稠油地化特征及意義[J]. 石油實驗地質,2010,32(4)：387-392.

[4] 路俊剛,陳世加,王緒龍,等. 嚴重生物降解稠油成熟度判識：以準噶爾盆地三臺—北三臺地區為例[J]. 石油實驗地質,2010,32(4)：373-376.

[5] 盧鴻,彭平安,徐興友,等. 濟陽坳陷特殊生物降解油的初步研究[J]. 沉積學報,2004,22(4)：694-699．

[6] 宋孚慶,任冬芩,張文龍,等. 嚴重生物降解原油GC-MS特征及油源對比[J]. 分析測試學報,2004,23(S1)：304-306．

[7] 牛嘉玉,劉尚奇,門存貴,等. 稠油資源地質與開發利用[M]. 北京:科學出版社,2002．

[8] Sutton P A, Lewis C A, Rowland S J. Isolated of individual hydrocarbons from the unresolved complex hydrocarbon mixture of a biodegraded crude oil using preparative capillary gas chromatography [J]. Organic Geochemistry, 2005,36(6):963-970.

[9] Gough M A, Rowland S J. Characterization of unresolved complex mixtures of hydrocarbons from lubricating oil feedstocks [J]. Energy and Fuels,1991,5(6):869-874.

[10] Gough M A, Rowland S J. Characterization of unresolved complex mixtures of hydrocarbons in petroleum [J]. Nature, 1990,334(6267):648-650.

[11] Gough M A, Rhead M M, Rowland S J. Biodegradation studies of unresolved complex mixtures of hydrocarbons: model UCM hydrocarbons and the aliphatic UCM [J]. Organic Geochemistry, 1992,18(1):17-22.

[12] Ellis L, Alexander R, Kagi R I. Separation of petroleum hydrocarbons using dealuminated mordenite molecular sieve-Ⅱ. Alkylnaphthalenes and alkylphenanthrenes [J]. Organic Geochemistry, 1994,21(8-9):849-855.

[13] Donkin P, Smith E L, Rowland S J. Toxic effects of unresolved complex mixtures of aromatic hydrocarbons accumulated by mussels, Mytilus edulis, from contaminated field sites [J]. Environmental Science and Technology, 2003,37(21):4825-4830.

[14] Frysinger G S, Gaines R B, Xu L, et al. Resolving the unresolved complex mixture in petroleum-contained sediments [J]. Environmental Science and Technology, 2003,37(8):1653-1662.

[15] Killops S D, Al-Juboori M A. Characterization of the unresolved complex mixture(UCM) in the gas chromatograms of biodegraded petroleums [J].Organic Geochemistry,1990,15(2):147-160.

[16] Demir C, Hindmarch P, Brereton R G. Deconvolution of a three component co-eluting peak cluster in gas chromatography-mass spectrometry [J]. Analyst, 2000,125(2):287-292.

[17] Mao D, Weghe H V D, Diels L, et al. High-performance liquid chromatography fractionation using a silver-modified column followed by two-dimensional comprehensive gas chromatography for detailed group-type characterization of oils and oil pollutions [J]. Journal of Chromatography A, 2008,1179(1):33-40.

[18] Mao D, Lookman R, Weghe H B D, et al. Combing HPLC-GC×GC，GC×GC/ToF-MS, and Selected Ecotoxicity Assays for Detailed Monitoring of Petroleum Hydrocarbon Degradation in Soil and Leaching Water [J]. Environ Sci Technol, 2009,43(20):7651-7657.

[19] Thomas K V, Donkin P, Rowland S J. Toxicity enhancement of an aliphatic petrogenic unresolved complex mixture(UCM) by chemical oxidation [J]. Wat Res, 1995,29(1):379-382.

[20] Warton B, Alexander R, Kagi R. Characterisation of the ruthenium tetroxide oxidation products from the aromatic unresolved complex mixture of a biodegraded crude oil [J]. Organic Geochemistry, 1999,30(10):1255-1272.

[21] Mapolelo M M, Rodger R P, Blakney G T, et al. Characterization of naphthenic acids in crude oils and naphthenates by electrospray ionization FT-ICR mass spectrometry [J]. International Journal of Mass Spectrometry, 2010, 300(2-3):149-157.

[22] Adahchour M, Beens J, Brinkman U A T. Recent developments in the application of comprehensive two-dimensional gas chromatography [J]. Journal of Chromatography A, 2008,1186(1-2):67-108.

[23] Boros E, Gurvich V, Zverovich I. Comprehensive two dimensional gas chromatography review [J]. Journal of Se-paration Science, 2009, 32(5):883-904.

[24] 王匯彤,魏彩云,張水昌,等. 全二維氣相色譜/飛行時間質譜在石油地質實驗中應用初探[J]. 現代科學儀器,2008(6)：21-23．

[25] 王匯彤,翁娜,張水昌,等. 全二維氣相色譜/飛行時間質譜對飽和烴分析的圖譜識別及特征[J]. 質譜學報,2010,31(1)：18-27．

[26] 蔣啟貴,王強,馬媛媛,等. 全二維色譜飛行時間質譜在石油地質樣品分析中的應用[J]. 石油實驗地質,2009,31(6)：627-632．

[27] 李水福,胡守志,何生,等. 原油中常見化合物的全二維氣相色譜—飛行時間質譜分析[J]. 地質科技情報,2010,29(5):46-50,55．

[28] Ventura G T, Kenig F, Reddy C M, et al. Analysis of unresolved complex mixtures of hydrocarbons extracted from Late Archean sediments by comprehensive two-dimensional gas chromatography (GC×GC) [J]. Organic Geochemistry, 2008,39(7):846-867.

[29] Booth A M, Sutton P A, Lewis C A, et al. Unresolved complex mixtures of aromatic hydrocarbons: thousands of overlooked persistent, bioaccumulative, and toxic contaminants in mussels [J]. Environment Science and Technology, 2007,41(2):457-464.

[30] Booth A M, Scarlett A G, Lewis C A, et al. Unresolved complex mixtures (UCMs) of aromatic hydrocarbons: branched alkyl indanes and branched alkyl tetralins are present in UCMs and accumulated by and toxic to, the mussel Mytilus edulis [J]. Environment Science and Technology, 2008,42(21):8122-8126.

[31] Melbye A G, Brakstad O G, Hokstad J N, et al. Chemical and toxicological characterization of an unresolved complex mixture-rich biodegraded crude oil [J]. Environmental Toxicology and Chemistry, 2009,28(9):1815-1824.

[32] Frenzel M, Scarlett A, Rowland S J, et al. Complications with remediation strategies involving the biodegradation and detoxification of recalcitrant contaminant aromatic hydrocarbons [J]. Science of the Total Environment, 2010,408(19):4093-4101.

[33] Quan Shi, Dujie Hou, Keng H Chung, et al. Characterization of heteroatom compounds in a crude oil and its saturates, aromatics, resins, and asphaltenes(SARA) and non-basic nitrogen fractions analyzed by negative-ion electrospray ionization fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry [J]. Energy Fuels, 2010,24(4):2545-2553.

[34] Pomerantz A E, Ventura G T, McKenna A M, et al. Combining biomarker and bulk compositional gradient analysis to assess reservoir connectivity [J]. Organic Geochemistry, 2010,41(8):812-821.

[35] Lewis C A, Rowland S J, Ellen N M, et al. How to get the hump [C]//24th International Meeting on Organic Geochemistry, Bremen, 2009：367.

[36] Rowland S J, Donkin P, Smith E J, et al. Aromatic hydrocarbon “humps” in themarine environment: Unrecognised toxins [J]. Environment Science and Technology, 2001,35(13):2640-2644.

[37] Booth A M, Aitken C, Jones D M, et al. Resistance of toxic alkylcyclohexyltetralins to biodegradation byaerobic bacteria [J]. Organic Geochemistry, 2007,38(4):540-550.

[38] Frenzel M. Persistence, bioremediation and fate of unresolved complex mixtures (UCMs) of hydrocarbons in the environment[D]. Exeter, UK: University of Exeter,2008.

[39] Smith E, Wraige E, Rowland S, et al. Hydrocarbon humps in the marine environment: synthesis, toxicity, and aqueous solubility of monoaromatic compounds [J]. Environmental Toxicology and Chemistry, 2001,20(11):2428-2432.

[40] Scarlett A, Galloway T S, Rowland S J. Chronic toxicity of unresolved complex mixtures (UCM) of hydrocarbons in marine sediments [J]. Journal of Soils and Sediments, 2007,7(4):200-206.

[41] Frenzel M, James P, Burton S K, et al. Towards bioremediation of toxic unresolved complex mixtures of hydrocarbons: identification of bacteria capable of rapid degradation of alkyltetralins [J]. Journal of Soils and Sediments, 2009,9(2):129-136.

[42] Ventura G T, Simoneit B T, Nelson R K. Resolving the origin of unresolved complex mixtures in hydrothermal petroleum:novel methods for comprehensive two-dimensional gas chromatography [C]// 24th International Meeting on Organic Geochemistry, Bremen,2009:316.

[43] Reddy C M, Eglinton T I, Hounshell A, et al. The west Falmouth oil spill after thirty years: the persistence of petroleum hydrocarbons in marsh sediments[J]. Environment Science and Technology, 2002,36(2):4754-4760.