張亞和，廖　晶，盧　鴻，任麗敏，郭紹輝，徐春明，史　權(quán)

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)　理學(xué)院，北京　102249;2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)　重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　102249;3.中國(guó)科學(xué)院　廣州地球化學(xué)研究所　有機(jī)地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東　廣州　510640)

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石油芳烴組分中未知化合物
——三叔丁基苯基磷酸酯的高分辨質(zhì)譜分析

張亞和1，2*，廖晶3，盧鴻3，任麗敏2，郭紹輝1，徐春明2，史權(quán)2

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)理學(xué)院，北京102249;2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249;3.中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所有機(jī)地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510640)

將大氣壓光電離(APPI)、電噴霧(ESI)、實(shí)時(shí)直接分析(DART)多種電離源和傅立葉變換離子回旋共振質(zhì)譜(FT-ICR MS)聯(lián)用對(duì)石油芳烴樣品中的未知化合物進(jìn)行研究。通過高分辨質(zhì)譜的精確質(zhì)量，結(jié)合碰撞誘導(dǎo)解離(CAD)技術(shù)，經(jīng)分析并與文獻(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)譜圖比對(duì)，推斷未知物為三(2，4-二-叔丁基苯基)磷酸酯(TDTBPP)，并研究了其在不同大氣壓電離源中的電離特性。APPI譜圖中主要為[M+H]+峰，同時(shí)存在M.+峰。ESI譜圖中主要為[M+Na]+(不加甲酸)或[M+NH4]+峰(加甲酸)。DART譜圖中主要為[M+NH4]+峰，而EI譜圖中基峰為m/z57(叔丁基)，次強(qiáng)峰為[M-CH3]+峰。

三(2，4-二-叔丁基苯基)磷酸酯;大氣壓光電離(APPI);電噴霧(ESI);實(shí)時(shí)直接分析(DART);傅立葉變換離子回旋共振質(zhì)譜(FT-ICR MS);芳烴

氣相色譜-質(zhì)譜技術(shù)(GC-MS)是有機(jī)地球化學(xué)生物標(biāo)志化合物研究不可缺少的技術(shù)手段[1]，然而，該技術(shù)僅能對(duì)飽和烴和芳烴組分中的烴類化合物開展有效分析。非烴組分中化合物更多，近年來石油中雜原子化合物已開始應(yīng)用于油氣勘探研究，可為源巖與油氣成因類型[2-7]、成熟度[7-8]、油氣運(yùn)移及硫酸鹽熱化學(xué)還原反應(yīng)(TSR)[7，9]等方面提供重要的識(shí)別與評(píng)價(jià)信息。但非烴雜原子化合物極性大、沸點(diǎn)高，分離富集較困難[10]，傳統(tǒng)色譜-質(zhì)譜的分辨率低、電離選擇性差，難以全面反映非烴化合物的分布面貌[11-12]。

新近發(fā)展起來的傅立葉變換離子回旋共振質(zhì)譜(FT-ICR MS)具有非常高的分辨率和質(zhì)量準(zhǔn)確度，可從分子層次研究石油的化學(xué)組成，在非烴分子組成研究方面取得了重大進(jìn)展，推動(dòng)石油化學(xué)進(jìn)入“石油組學(xué)”(Petroleomics)[13-15]研究的新時(shí)代。在石油組分相對(duì)分子質(zhì)量范圍(200～1 000 Da)內(nèi)FT-ICR MS的分辨率高達(dá)幾十萬(wàn)甚至上百萬(wàn)，可精確地確定由C，H，N，O，S及其主要同位素所組成的各種元素組合，真正從分子層次上研究石油分子組成。結(jié)合新型軟電離技術(shù)，可以直接、高選擇性地電離石油中的非烴雜原子化合物[16-18]。同時(shí)，F(xiàn)T-ICR MS可以直接提供分子組成信息，全程“監(jiān)控”分離過程，監(jiān)測(cè)目標(biāo)化合物的走向與分布[12，19];可快速建立分離富集方法，發(fā)現(xiàn)新型生物標(biāo)志化合物[12，19-22]，在有機(jī)地球化學(xué)理論研究和油氣勘探實(shí)踐方面具有重大的應(yīng)用價(jià)值。

此前在江漢原油和源巖常規(guī)GC-MS研究中，發(fā)現(xiàn)1個(gè)未知化合物峰穩(wěn)定出現(xiàn)在芳烴組分中，依據(jù)質(zhì)譜圖難以判斷其化合物類型和結(jié)構(gòu)。本文采用FT-ICR MS結(jié)合大氣壓光電離(APPI)、電噴霧(ESI)、實(shí)時(shí)直接分析(DART)電離源，對(duì)該未知化合物峰進(jìn)行分析，通過精確分子量得到譜峰的分子式，采用碰撞活化解離(CAD)技術(shù)，隔離出母離子，逐級(jí)碰撞解離得到碎裂離子，經(jīng)綜合分析并與文獻(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)譜圖比對(duì)，最終鑒定該化合物為三(2，4-二-叔丁基苯基)磷酸酯，并研究了其在不同電離源中的電離特性。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1儀器與試劑

ApexUltra型傅立葉變換離子回旋共振質(zhì)譜(美國(guó)Bruker公司)，磁場(chǎng)強(qiáng)度為9.4 T;配備ESI,DART,APPI電離源。甲苯、甲醇、二氯甲烷均為分析純(北京化工廠)，重蒸后保存在磨砂廣口瓶中備用。甲酸(純度99%，F(xiàn)luka公司)。

1.2樣品制備

分析所用樣品為江漢盆地某油井樣品經(jīng)四組分分離[23]得到的芳烴組分。氣相色譜-質(zhì)譜：用二氯甲烷配成10 mg/mL溶液。ESI：用甲苯配成10 mg/mL溶液，取20 μL溶于1 mL甲苯-甲醇(1∶3)混合溶液，負(fù)離子模式加入20 μL 28%氨水，正離子模式加入20 μL甲酸，超聲振蕩混合均勻后，進(jìn)行ESI FT-ICR MS 分析。DART：用甲苯配成10 mg/mL溶液。APPI：用甲苯配成10 mg/mL溶液，取20 μL溶于1 mL甲苯。

1.3GC-MS分析

采用Bruker公司SCION TQ三重四極桿GC-MS聯(lián)用儀分析石油芳烴。電離源為EI，70 eV;質(zhì)量掃描范圍為35～1 000;色譜柱為HP-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm)石英毛細(xì)柱;升溫程序?yàn)椋撼跏?0 ℃保持1 min，以15 ℃/min升至100 ℃，然后以3 ℃/min升至300 ℃，保持15 min。進(jìn)樣口恒溫300 ℃，不分流進(jìn)樣。

1.4FT-ICR MS分析

ESI FT-ICR MS主要儀器參數(shù)：極化電壓3 500 V，毛細(xì)管入口電壓4 000 V，毛細(xì)管出口電壓320 V，四極桿Q1=250 Da，碰撞能量1.5 V，源累積時(shí)間0.01 s，碰撞池累積時(shí)間0.02 s，離子導(dǎo)入分析池飛行時(shí)間1.2 ms;采集質(zhì)量范圍200～1 000 Da，采樣點(diǎn)數(shù)4 M，掃描次數(shù)64次，偏轉(zhuǎn)電壓-6 V，偏轉(zhuǎn)補(bǔ)償電壓1.95 V，激發(fā)衰減12 dB，前板電壓-1.10 V，后板電壓-1.15 V。進(jìn)樣速度180 μL/h，干燥氣溫度200 ℃。

DART電離源：正離子模式，氮?dú)庾鳛檩d氣，流速為2.5 L/min，加熱溫度為350 ℃，離子源出口與質(zhì)譜進(jìn)樣接口的距離為3.5 cm。APPI電離源：正離子模式，霧化溫度為350 ℃。

2　結(jié)果與討論

2.1石油芳烴中未知物的GC-MS譜圖

2.2正離子APPI FT-ICR MS譜圖

對(duì)芳烴樣品用正離子APPI FT-ICR MS進(jìn)行分析，譜圖如圖2所示。由于APPI同時(shí)產(chǎn)生自由基離子和質(zhì)子化離子，因此，可同時(shí)看到M.+和[M+H]+質(zhì)譜峰，兩者的質(zhì)量誤差均小于0.2 ppm，對(duì)應(yīng)分子式分別為C42H63O4P和C42H64O4P，推斷其為磷酸酯，GC-MS中m/z622應(yīng)為其分子離子。但與稠環(huán)芳烴不同的是，APPI譜圖中稠環(huán)芳烴一般主要為M.+;而該未知物主要為[M+H]+，M.+相對(duì)豐度較低。此外，正離子APPI FT-ICR MS可以檢測(cè)到許多大分子(300+)稠環(huán)芳烴化合物，這是傳統(tǒng)GC-MS無法氣化檢測(cè)的，揭示出芳烴的復(fù)雜程度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)GC-MS的結(jié)果[24]。該FT-ICR MS譜圖中未檢測(cè)到小于200的質(zhì)量峰，這是由FT-ICR MS傳輸系統(tǒng)質(zhì)量歧視作用造成的，通過調(diào)節(jié)離子傳輸參數(shù)，也可以分析小分子芳烴化合物。同時(shí)，還檢測(cè)到m/z678分子離子對(duì)應(yīng)的M.+和[M+H]+質(zhì)譜峰C42H63O5P和C42H64O5P，但其豐度較低。

2.3正離子ESI FT-ICR MS譜圖

進(jìn)一步用ESI電離源進(jìn)行驗(yàn)證，以負(fù)離子ESI FT-ICR MS對(duì)該樣品進(jìn)行直接進(jìn)樣分析，未檢測(cè)到目標(biāo)峰。采用正離子ESI FT-ICR MS進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，在不加甲酸的情況下，譜圖中基峰為m/z685.434 48，由同位素峰可知其帶1個(gè)電荷，經(jīng)高分辨質(zhì)譜精確質(zhì)量分析確定其分子式為C42H63O4PNa。在1 mL的0.2 mg·mL-1分析物中加入20 μL甲酸重新進(jìn)行分析，所得譜圖中基峰變?yōu)閙/z680.479 21，同時(shí)發(fā)現(xiàn)存在m/z663.454 08峰，結(jié)合以上分析結(jié)果，推測(cè)該化合物的分子離子峰為662，m/z685.434 48，680.479 21，663.454 08分別為[M+Na]+，[M+NH4]+和[M+H]+峰。不加甲酸時(shí)，由于儀器經(jīng)常做負(fù)離子樣品添加氨水電離促進(jìn)劑，管路為堿性環(huán)境，因此易產(chǎn)生[M+Na]+;加甲酸后，管路為中性環(huán)境，銨離子的存在也會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生[M+NH4]+。根據(jù)ESI電離機(jī)理，這些峰的存在均合理，其結(jié)果可以相互印證。還檢測(cè)到m/z678分子離子對(duì)應(yīng)的[M+H]+質(zhì)譜峰C42H64O5P，但其豐度非常低。

為進(jìn)一步確定該未知化合物的分子結(jié)構(gòu)，采用碰撞誘導(dǎo)解離(CAD)技術(shù)對(duì)加甲酸條件下產(chǎn)物的[M+NH4]+在四極桿中進(jìn)行母離子隔離，隨后在碰撞池中用氬氣碰撞，在不同碰撞電壓(CV)下得到系列譜圖。結(jié)果顯示，在CV=6 V時(shí)，即可將[M+NH4]+大部分打碎，得到[M+H]+;進(jìn)而在CV=12～40 V條件下，依次失去6個(gè)C4H8基團(tuán)，得到相當(dāng)穩(wěn)定的m/z327.1 [M+H-C24H48]+離子，即[C18H15O4P+H]+，由此推測(cè)其母核結(jié)構(gòu)為三苯基磷酸酯，推斷未知化合物為三(2，4-二-叔丁基苯基)磷酸酯，結(jié)構(gòu)式如圖3所示。根據(jù)EI電離源譜圖，該化合物在EI電離源中的分子離子為m/z662，脫去15(即CH3)產(chǎn)生穩(wěn)定的m/z647 [M-CH3]+離子，依次失去56(即C4H8)得到相應(yīng)碎片離子，基峰m/z57為叔丁基C4H9，m/z91為亞甲基苯，m/z147為亞甲基-叔丁基苯，m/z191為二叔丁基苯酚，每個(gè)碎片均得到合理解釋。而且該結(jié)果和文獻(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)品結(jié)果完全一致[25]，因此，可以確定該未知化合物分子結(jié)構(gòu)為三(2，4-二-叔丁基苯基)磷酸酯。有文獻(xiàn)報(bào)道該化合物為抗氧劑Irgafos 168的氧化產(chǎn)物[25-26]，也有文獻(xiàn)報(bào)道從黃荊(VitexnegundoL.)葉子中分離提取出該化合物[27-28]。如果該化合物來自石油而非污染物，有可能提供相關(guān)的母源生物或成巖反應(yīng)信息，其具體來源有待進(jìn)一步研究。

2.4正離子DART FT-ICR MS譜圖

DART是近年快速發(fā)展起來的一種新型實(shí)時(shí)直接分析離子源，是一種熱解析和離子化技術(shù)，尤其適合快速篩查。為考察三(2，4-二-叔丁基苯基)磷酸酯在DART電離源中的電離特性，并驗(yàn)證ESI的結(jié)果，對(duì)此芳烴樣品進(jìn)行了DART FT-ICR MS分析(圖4)，發(fā)現(xiàn)其主要為[M+NH4]+質(zhì)譜峰，也存在[M+H]+質(zhì)譜峰，但豐度較低。有文獻(xiàn)報(bào)道[29]，當(dāng)銨離子存在時(shí)，DART電離源會(huì)產(chǎn)生[M+NH4]+，尤其是含有羰基的化合物及過氧化物，本研究發(fā)現(xiàn)磷酸酯類化合物也會(huì)產(chǎn)生[M+NH4]+。鄰苯二甲酸酯類和硅氧化合物的本底較高。在CV=12 V時(shí)，[M+NH4]+質(zhì)譜峰的CAD譜圖結(jié)果與ESI相似，主要為[M+H]+質(zhì)譜峰，同時(shí)產(chǎn)生[M+H-C4H8]+碎片峰。

3　結(jié)　論

采用APPI，ESI，DART多種離子源和FT-ICR MS對(duì)石油芳烴組分GC-MS譜圖中的未知化合物譜峰進(jìn)行研究，根據(jù)高分辨質(zhì)譜的精確質(zhì)量，結(jié)合碰撞活化解離(CAD)技術(shù)，推斷未知物結(jié)構(gòu)為三(2，4-二-叔丁基苯基)磷酸酯，分子式為C42H63O4P，EI譜圖與文獻(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)品譜圖完全吻合。此外，還研究了其在不同大氣壓電離源中的電離特性，各電離源各有特點(diǎn)，結(jié)果相互支撐。APPI可同時(shí)電離芳烴類化合物，磷酸酯在譜圖中主要為[M+H]+，同時(shí)存在M.+;ESI譜圖中主要為[M+Na]+(不加甲酸)或[M+NH4]+(加甲酸);DART譜圖中主要為[M+NH4]+。如果該化合物確實(shí)來自石油，有望為其提供相關(guān)的母源生物或成巖反應(yīng)信息。

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Identification of Tris(2，4-di-tert-butylphenyl) Phosphate in Petroleum Aromatics by FT-ICR MS with Multiple Ionization Techniques

ZHANG Ya-he1，2*，LIAO Jing3，LU Hong3，REN Li-min2，GUO Shao-hui1，XU Chun-ming2，SHI Quan2

(1.College of Science，China University of Petroleum，Beijing102249，China; 2.State Key Laboratory of Heavy Oil Processing，China University of Petroleum，Beijing102249，China;3.State Key Laboratory of Organic Geochemistry，Guangzhou Institute of Geochemistry，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou510640，China)

An unknown compound in petroleum aromatics was analyzed by Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry(FT-ICR MS) coupled with atmospheric pressure photoionization(APPI)，electrospray ionization(ESI) and direct analysis in real time(DART) ionization.It was determined as tris(2，4-di-tert-butylphenyl)phosphate(TDTBPP) by the accurate mass of FT-ICR MS and collision-activated dissociation(CAD).The characteristic spectra of TDTBPP in multiple ionization sources were demonstrated.The result indicated that the main mass peak in APPI was [M+H]+，and M.+was also present.The main mass peak in ESI was [M+Na]+(without formic acid) or [M+NH4]+(with formic acid)，and the main mass peak in DART was [M+NH4]+.APPI FT-ICR MS could be used to determine the polycyclic aromatic hydrocarbons(PAHs) with relatively higher molecular weight which could not be determined by gas chromatography-mass spectrometry.Key words：tris(2，4-di-tert-butylphenyl)phosphate;atmospheric pressure photoionization(APPI);electrospray ionization(ESI);direct analysis in real time(DART);Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry(FT-ICR MS);aromatics

2016-01-08；

2016-02-28

中國(guó)博士后科學(xué)基金(2015M571226);國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金(41503032);國(guó)家自然科學(xué)基金(21236009,21376262)

張亞和，博士，研究方向：石油化學(xué)、質(zhì)譜分析，Tel：010-89734478，E-mail：zhangyh@cup.edu.cn,zhangyahe2000@163.com

10.3969/j.issn.1004-4957.2016.08.017

O657.63;TE622.12

A

1004-4957(2016)08-1026-05