甾烷和藿烷的國產X型分子篩分離制備實驗研究

李二庭，向寶力，李 際，迪麗達爾·肉孜，王匯彤，馬萬云，劉翠敏，張曉剛

(1.新疆礫巖油藏實驗室，新疆 克拉瑪依 834000；2.中國石油 新疆油田分公司 實驗檢測研究院，新疆 克拉瑪依 834000；3.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

在油氣地球化學領域，穩(wěn)定碳同位素分析技術已在油源對比、烴源巖的沉積環(huán)境、成熟度研究及有機化合物的生物前驅物探討等方面得到了廣泛應用[1-6]。隨著分析技術的發(fā)展，有機分子單體穩(wěn)定碳同位素已深入應用于有機地球化學的研究中，生物分子的分布與碳同位素組成特征的聯(lián)合應用，可以大大增強追蹤古環(huán)境中有機質來源和恢復古生物化學過程及沉積環(huán)境的能力[7-8]，在油源精細對比方面的作用也更顯著[9-12]。相比于正構烷烴而言，甾烷和藿烷類生物標志化合物的單體同位素分析技術研究較少[13-15]，主要是由于這些生物標志物在地質樣品中含量極低，單體制備中存在同位素的分餾[16-17]，因此，要得到準確的單體同位素數(shù)據(jù)，必須對其單體分子進行有效的分離富集。

目前國內外分離、富集飽和烴生物標志化合物的方法主要包括Silicalite法[18-20]、分子篩法[21-26]、尿素絡合法[27]和硫尿絡合法[28]，對藿烷和甾烷類化合物的分離富集主要采用前兩種方法。如董愛正等[20]采用活化的Silicalite柱子實現(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分子篩對支鏈藿烷類化合物具有較強的吸附作用，且對22S構型的藿烷異構體吸附強度大于22R構型的藿烷異構體。KENIG等[23]采用超穩(wěn)Y型分子篩進行固相填料，在高效液相色譜上實現(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志化合物的過程中無同位素“分餾”效應，但該類型材料在國內尚無法購買。王匯彤等[25]采用國產的不同種類 Y型分子篩對甾烷和藿烷類化合物進行了吸附和脫附實驗，發(fā)現(xiàn)NaY分子篩對不同構型的甾烷和藿烷類化合物具有不同的吸附行為，可用于生物標志化合物的分離。

本文通過國產10X和13X型分子篩對甾烷和藿烷類化合物的吸附對比實驗，探討兩種分子篩在制備這些化合物過程中的同位素分餾效應，為其單體化合物的分離技術不斷改進提供借鑒。

1 實驗

1.1 飽和烴制備

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

1.2 異構烷烴和環(huán)烷烴制備

采用ZSM-5分子篩吸附的方法分離正構烷烴，從而實現(xiàn)異構烷烴和環(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，分子篩質量為飽和烴質量的100倍，用20 mL異辛烷多次淋洗，得到飽和烴中的異構烷烴和環(huán)烷烴組分，并進行稱量。

1.3 分子篩吸附實驗

國產13X型分子篩吸附甾烷及藿烷實驗：13X型分子篩用前需經(jīng)550 ℃活化10 h，取制備好的異構/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，靜置過夜。取300倍左右樣品質量的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的正戊烷淋洗液1 mL六份，20 mL和40 mL的各一份，進行色譜/質譜檢測。層析柱中的殘留物經(jīng)異辛烷加熱回流10 h，過濾收集濾液，進行色譜/質譜檢測。

國產10X型分子篩吸附甾烷及藿烷實驗，過程基本同13X分子篩吸附實驗：10X型分子篩用前需經(jīng)550 ℃活化10 h，取制備好的異構/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，靜置過夜。取300倍左右樣品質量的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，進行色譜/質譜檢測。層析柱中的殘留物經(jīng)異辛烷加熱回流10 h，過濾收集濾液，進行色譜/質譜檢測。

1.4 儀器分析

色譜/質譜分析：色譜儀為安捷倫公司生產的6800型號，質譜儀為熱電公司生產的DSQ-Ⅱ型。采用HP-5柱(60 m×0.25 mm×0.25 μm)，進樣口溫度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公司生產的MAT-253型，單體烴同位素標準樣品來自美國Indiana大學。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；進樣口溫度為300 ℃，采用分流進樣模式，分流比為20∶1，燃燒爐溫度900 ℃，離子化能量70 eV。

2 結果與討論

2.1 國產13X型分子篩吸附行為實驗

國產13X型分子篩對甾烷和藿烷類化合物的吸附及脫附實驗結果見圖1和圖2。圖1為正戊烷從13X型分子篩淋洗下來各餾分的色譜/質譜圖。從圖1中可以看出，13X型分子篩對甾烷化合物的5α,14α,17α-20S、5α,14β,17β-20R和5α,14β,17β-20S三種構型吸附相對較弱，優(yōu)先被淋洗下來；隨著淋洗進行，5α,14α,17α-20R構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構型的甾烷系列化合物完全脫附，餾分中開始出現(xiàn)部分構型的藿烷化合物(圖1c)。13X型分子篩對S構型的藿烷吸附能力低于R構型的藿烷，餾分5中S構型的藿烷含量遠遠高于R構型的藿烷(圖1c)，而餾分7中S構型的藿烷含量與R構型的藿烷基本接近(圖1d)，說明13X型分子篩對藿烷的吸附也并非完全一致。

圖1 國產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/質譜檢測強度來看(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果也可以證實這一點。圖2是異辛烷抽提下來的餾分進行色譜/質譜檢測，總離子流圖譜與m/z191圖譜完全一致，說明13X型分子篩可以用柱層析的方法對藿烷類化合物進行富集，可以實現(xiàn)藿烷類化合物的生物標志化合物同位素測定。甾烷也可以通過13X類分子篩分離出，并滿足生物標志化合物同位素的測定分離度。

2.2 國產10X型分子篩吸附行為對比實驗

國產10X型分子篩對甾烷和藿烷類化合物的吸附實驗結果見圖3和圖4。圖3為正戊烷從10X型分子篩淋洗下來各餾分的色譜/質譜圖，從前2個餾分的色譜/質譜圖可以看出：10X型分子篩對甾烷化合物的5α,14α,17α-20S、5α,14β,17β-20R和5α,14β,17β-20S三種構型吸附最弱，首先被正戊烷淋洗下來(圖3a，b)；其次是5α,14α,17α-20R構型的甾烷系列(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。隨著淋洗的進行，5α,14α,17α-20S、5α,14β,17β-20R和5α,14β,17β-20S構型的甾烷系列化合物完全脫附，5α,14α,17α-20R構型的甾烷系列、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構型即將脫附完全的情況下，看到藿烷S構型的少量脫附(圖3e，f)。

圖3 國產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/質譜TIC和m/z 191圖

通過以上實驗結果不難發(fā)現(xiàn)：10X型分子篩是分離制備生物標志化合物的良好填料，進一步摸索出更合適的實驗條件，可以制備出不同構型的甾烷、伽馬蠟烷、β-胡蘿卜烷等化合物，使其滿足測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

國產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，不同構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，可以把四種不同構型的甾烷淋洗下來，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三種構型。分子通道孔徑相對較小的10X分子篩，放大了不同構型甾烷通過的差異，使得不同構型的甾烷化合物分離度好于13X型分子篩。鑒于10X分子篩對不同構型的甾烷有更好的分離度，這將十分有利于進行生物標志物單體烴同位素測定，因此選用10X型分子篩進行甾烷的分離。根據(jù)吸附實驗結果，加密3～6 mL之間的餾分收集密度，色譜/質譜定性后，確立了5α,14α,17α-20S、5α,14β,17β-20R和5α,14β,17β-20S的三種構型與5α,14α,17α-20S構型在分子篩上的分離分界點為5 mL左右。收集兩份5 mL的餾分，其色譜/質譜檢測圖譜如圖5所示。與前面所有構型的甾烷收集在一個餾分的圖比較，餾分1的甾烷化合物是5α,14α,17α-20S、5α,14β,17β-20R和5α,14β,17β-20S的三種構型；餾分2的甾烷化合物是5α,14α,17α-20R構型(圖5)。

圖5 國產10X型分子篩制備甾烷化合物餾分的總離子流圖

同樣，國產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型分子篩對于藿烷的吸附能力更強，因此選用13X型分子篩進行藿烷類化合物的分離制備。根據(jù)上述對13X分子篩的吸附行為實驗，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)上述系列實驗結果，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)烷烴和異構烷烴組分，揮發(fā)溶劑、稱重；(3)取300倍左右環(huán)烷烴和異構烷烴質量的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，氮氣吹干柱子；(4)取300倍左右環(huán)烷烴和異構烷烴質量的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，進行碳同位素分析。

2.4 分子篩制備甾烷和藿烷過程中的碳同位素分餾分析

根據(jù)10X型分子篩吸附實驗中分離出不同餾分的甾烷化合物進行單體烴穩(wěn)定碳同位素的測定結果(表1和表2)，可以看出，由于不同構型的甾烷化合物相對集中地出現(xiàn)在某一區(qū)間，使得單體在某一餾分內濃度相對較高，不同構型間的相互影響也降低，測定各單體的穩(wěn)定碳同位素數(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石油行業(yè)標準規(guī)定的誤差要求。說明國產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 國產10X型分子篩分離出的甾烷化合物單體烴碳同位素測定結果

表2 國產10X型分子篩分離出的甾烷化合物單體烴碳同位素測定結果與平均值的誤差

用此方法做平行實驗，測得的結果見表3，大部分構型的甾烷兩次測定結果的重復性非常好，說明此方法可操作性很高。

表3 國產10X分子篩分離出的甾烷化合物單體烴碳同位素重復性分析

分別用10X型和13X型分子篩富集分離同一個樣品，其藿烷單體烴的穩(wěn)定碳同位素測定結果見表4。富集的藿烷等系列化合物的純度相對較高，基線平穩(wěn)，獲得的藿烷單體碳同位素測定結果非常吻合，說明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 國產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定結果

3 結論

國產10X型和13X型分子篩在分離制備甾烷和藿烷類化合物過程中，對不同類型化合物的吸附能力不同。13X型分子篩對藿烷類吸附能力更強，10X型分子篩對甾烷類吸附能力強，可以將不同構型的甾烷和藿烷分離開，且在分離過程中不存在穩(wěn)定碳同位素分餾現(xiàn)象。兩者結合，可分離制備出高純度的甾烷和藿烷類化合物。