软电离GCxGC和高分辨率质谱在石油生物标志物分析中的应用

摘要

软电离（化学电离、场电离和光电离）方法与综合二维气相色谱（GCxGC）和高分辨率飞行时间质谱（HRTOFMS）结合使用。这些技术提供了电子电离质谱中通常缺少的分子量和元素组成信息，并可以简化复杂混合物GCxGC-HRTOFMS分析中提取的离子流（EIC）色谱图。给出了现场电离和光电离用于原油中生物标志物识别的示例。

介绍

综合二维气相色谱（GCxGC）[1-3]结合高分辨率飞行时间质谱（HRTOFMS）是分析复杂混合物的有力工具[4-7]。通过使用具有不同固定相的两个色谱柱，GCxGC可以实现一维气相色谱无法实现的分离，而HRTOFMS通过为每个质量荷比提供准确的质量来提供额外的分离维度。

电子电离（EI）被广泛用于产生以碎片离子为特征的质谱，这些碎片离子可以通过质谱数据库进行搜索，以进行化合物识别。然而，碎片化增加了解释复杂混合物（如原油）的复杂性。此外，分子离子在许多化合物（例如烷烃、脂肪酸酯、醇）的EI质谱中可能很弱或不存在。尽管质谱数据库包含数十万种化合物的条目，但这些只是所有可通过气相色谱分析的化合物中的一小部分。

适用于GC-MS和GCxGC-MS的软电离方法包括化学电离（CI）、光电离（PI）和场电离（FI）。每种方法都有各自的优缺点。

化学电离是GC-MS中最常见的软电离方法。该技术对痕量分析非常敏感，可用于电子捕获负离子的形成。然而，CI需要试剂气体，因此电离、加合物的形成和裂解依赖于气体和化合物。

场电离[8][9]是GCxGC-MS中最软的电离方法。对于这种技术，向发射器施加高压，发射器是一根涂有微小碳“晶须”的电线。当蒸发的样品靠近发射器上“晶须”的尖端时，它会经历一个高电场，电子从样品隧道到发射器，产生正离子。FI几乎只为烷烃和醇类等“难”化合物产生分子离子，而碎片通常较弱或不存在。如果样品直接沉积在场发射极上，则可以进行直接探针分析。这种类型的实验称为现场脱附（FD）[10]，以区别于FI，在FI中，样品以气相引入。FI/FD发射器易碎且昂贵，但可以重复使用数百次。此外，FI的敏感度大约比EI低一个数量级。飞行时间质谱仪上的现代FI/FD源非常可靠，并且不存在困扰早期磁扇形质谱仪上FI/FD来源的高压电弧问题。Jeol提供了一种组合EI/FI/FD源，通过使用探针和真空联锁装置，可以在电离模式之间切换，从而轻松更换EI排斥器和FI或FD发射器。

氘灯真空光电离[11-13]使电离能低于光子能量（10.8 eV）的化合物电离。PI易于与Jeol组合EI/PI源一起使用，方法是打开灯并关闭EI灯丝电流。PI对某些化合物类别（如PAH）比FI更敏感，但对其他化合物（如烷烃）则不太敏感。它也产生比FI略多的碎片，但比CI更简单的光谱。

这些方法可以与高分辨率精确数据相结合，以简化复杂GCxGC数据的处理（例如石油类型分析），提供清晰的分子量和元素组成，可以与EI数据相结合以识别未知物，并对目标化合物进行选择性电离。尽管带软电离的GCxGC-HRTOFMS适用于任何GCxGC分离，但它对石油分析尤其有用[6,7,14]。

石油生物标志物分析为GCxGC-HRTOFMS的软电离价值提供了一个示例。生物标记物是存在于石化产品中的有机化合物，其特征分布反映了石化产品形成的原始生物材料[15]。通过GC-MS和GCxGC-MS测量的生物标记物包括甾烷、植烷和原始烷。生物标记物分析是石油地球化学家用来获取有关石油年龄、地理来源和地理分布的信息。这些信息对于石油勘探和石油泄漏法医调查非常重要[16]。

单靠一维气相色谱不足以分离原油中的生物标志物，因此通常采用气相色谱和质谱相结合的方法对生物标志物进行表征。GC-MS方法依赖于选择性离子监测，或者更好的是，高分辨率选择性离子监测。具有选择性反应监测的串联质谱（GC-MS/MS）是一种依赖于MS/MS选择性进行高灵敏度测量的替代方法。另一方面，全面的二维气相色谱法与高分辨率飞行时间质谱法相结合，为异构生物标记物提供了更大的分离度、更好的信噪比和更高的选择性[17]。此外，FI和PI可用于GCxGC-HRTOFMS的生物标记物分析，以通过减少碎片化简化数据解释[5]。在本研究中，利用FI和PI以及GCxGC-HRTOFMS对原油中的石油生物标志物进行了鉴定。

实验

配备Zoex ZX-2 GCxGC热调制器的安捷伦7890B气相色谱仪与配备EI/PI离子源和EI/FI/FD离子源组合的Jeol JMS-T200GC飞行时间质谱仪接口。第一个色谱柱使用非极性BPX5色谱柱（SGE Corporation，30 m长，0.25 mm内径，0.25μm液相厚度）。第二个柱使用更具极性的BPX50柱（SGE Corporation，3 m长，0.1 mm内径，0.1μm液相厚度）。

实验条件如表1所示

结果和讨论

图1显示了NIST 2020质谱数据库中5-a-胆甾烷（C27H48）和5-a-豆甾烷

以及这些化合物的场电离质谱。虽然EI质谱显示分子离子，但也观察到广泛的碎片化，包括甲基损失以产生碎片离子12C27H37和同位素13C112C26H37。

PI和FI质谱均显示出丰富的分子离子，且碎片大大减少。FI质谱观察到很少或没有碎裂，但PI质谱显示在m/z 218.204处有特征性的C16H26甾烷碎片[16]。

使用EI、FI和PI的标准原油样品的GCxGC-HRTOFMS的2D总离子色谱图如图2所示。x轴表示第1列的沸点分离，y轴表示第2列的极性分离。尽管EI色谱图显示出比FI和PI色谱图更高的背景和柱出血，但色谱图在其他方面是相同的。

EIC色谱图

为了识别原油中的胆甾烷异构体（C27H48），我们创建了分子离子准确质量（m/z 372.3756）的萃取离子流（EIC）色谱图（在GC Image软件中称为“选择性离子色谱图”）。然而，EI质谱中的碎片存在问题[18]，因为来自更高胆固醇同系物的碎片离子的重同位素峰的干扰。例如，14-甲基胆甾烷（C28H50）中甲基的损失在EI质谱中产生了成分C27H47的碎片离子。该片段的13C同位素峰位于m/z 372.3712处，需要200000以上的分辨率才能将其与胆甾烷分子离子C27H48区分开来。然而，这种分辨率不适用于能够以GCxGC所需的高速运行的质谱仪。

如图1所示，胆甾烷的场电离和光电离不会表现出对C27H47的碎片化。因此，m/z 372.3756的FI和PI EIC色谱图不受更高同源物碎片离子同位素峰的干扰。图3比较了m/z 372.3756的电子电离EIC色谱图与相同m/z的FI和PI EIC色谱。虽然EI数据显示13C112C26H37的伪影峰值，但FI和PI数据中没有这些伪影。在无人工合成的FI和PI数据中可以清楚地识别出二十种胆甾烷异构体（图4）。

结论和未来展望

全面的二维气相色谱法结合高分辨率飞行时间质谱，为分析复杂混合物（如石化产品）提供了增强的分离和特异性。虽然电子电离产生的质谱可以在质谱数据库中进行搜索，但EI质谱的广泛碎片化使数据解释复杂化。通过减少或消除碎片伪影，场电离和光电离为石油生物标志物和类型分析提供了更大的特异性。这些离子源可用于最新的Jeol飞行时间质量分析仪（JMS-T2000GC），其质量分辨率和质量精度大大提高，预计将为这些分析提供更高的准确性和特异性。