请教：多糖溶解度的测定

一、概述

国外对原油酸性组分研究起步较早。以往人们对有机酸的研究比较关注，主要是因为羧酸一直被当成是油气从生源母质形成原油的中间产物，而且在有机－无机相互作用的过程中脂肪酸扮演着举足轻重的作用。

原油酸性组分中最早得到结构确认的化合物是饱和环烷酸(Derungs，1956)。环烷酸成分约占原油中全部有机酸的50%或者更高(朱日彰，1991)。按照环的结构类型，可以将原油羧酸分为链状脂肪酸、类异戊二烯酸、单环环烷酸、多环环烷酸和芳香羧酸类(Lochte和Littmann，1955Seifert和Teeter，1970表1－2)，有时还可能包括无机酸。另外一类可能影响原油酸值的化合物主要为低分子量的弱酸性烷基苯酚类化合物。例如Samadova和Guseinova(1993)发现阿塞拜疆高酸值原油中烷基苯酚类化合物是羧酸类含量的2～7倍。Mckay等(1975)通过对非烃类(含氮化合物如咔唑类，氨基化合物，以及含硫化合物等)进行综合分析，认为Wilmington原油中酸性化合物(质量分数)28%是羧酸，28%是酚类，28%是吡咯类，16%是氨类化合物。这可以大致反映原油中的酸性化合物组成。

原油及石油产品中的高分子有机酸主要是环烷酸，它是一种具有臭味难挥发的无色液体，不溶于水，但易溶于油品、苯、醇及乙醚等有机溶剂。Lochte和Littman(1955)首次对原油中环烷酸的结构进行了解剖，发现环烷酸是石油酸中最主要的成分，其含量可达90%以上。环烷酸相对分子质量较大，分布范围在100～1000之间，碳数范围约在C7－C70之间。环烷酸结构以一环、二环、三环为主，还有一定量的四环、五环的环烷酸。其中主要是一元酸，芳环结构的芳香酸含量很低。炼油实践表明，各馏分油中的酸值随沸程范围而改变，沸程越高，酸值越大，尤其当沸点大于300℃以后的馏分，其酸值急剧上升。因此，环烷酸成分主要集中在300℃以上的重质馏分油中，其平均相对分子质量在300以上，是生产各种油品添加剂的极好原料，如润滑油清净分散剂、防锈剂、燃料油的分散稳定剂等。石油酸含量随原油中环烷烃含量的增加而增加，石油酸含量一般为(质量分数)1%～2%，C6以下为脂肪酸，C7－C10为以环烷酸占绝大多数和脂肪酸的混合物，C10－C14为烷基环烷酸，C14－C20环烷酸主要分布在润滑油馏分中。

表1－2 原油中常见的有机酸类型(甲酯化)

随着地球化学测试技术的发展，人们对原油中有机酸成分的认识逐渐深入。Tomczyk等(2001)报道了取自SanJoaquinVallay的原油石油酸类型分布。原油经历过喜氧生物降解(TAN=5.19mgKOH/g)，通过萃取分析甲酯化的酸性组分发现其中40%(质量分数)并不是羧酸，只有10%的酸性化合物含有两个氧原子(羧基)，同时大约50%的羧酸含有氮杂原子和25%的羧酸含有硫原子。像硫醇等酸性含硫化合物容易消失，这是因为它们很容易在空气中被氧化。以往有人曾经提出来源于微生物的氨基酸可能是原油中酸性组分的主要来源。

电喷雾(ESI)傅里叶变换离子回旋共振(FT－ICR－MS)质谱技术的发展为石油酸的分析提供了一种新途径，Qian等(2001)通过高分辨率质谱分析南美重油样品，发现该样品中一元酸碳数分布范围为C15—C55，有1～6个脂肪环和1～3个芳环。在原油中已鉴定出的酸性组分包括O1、O2、O3、O4、N、N2、NO、NO2、SO、SO2、SO3、O2S和NS等多种杂原子组合，酸性化合物分子量分布范围一般在200～1000Da之间(Hughey等，2004，2007Kim等，2005Rogers，2005)，表明其成分复杂。因此，单纯用常规气相色谱和气相色谱－质谱技术研究酚类和烷基酸等高挥发性成分无法完全了解原油酸性组分的真实面貌。

不同文献中石油酸的组成数据差异较大，原因之一是采用了不同的实验分析方法，而更重要的是不同原油样品中石油酸组成各不相同。最近的一些研究工作主要是针对石油酸实验方法先进性的描述，缺乏对原油中石油酸组成的系统研究。

二、原油酸性组分与原油总酸值的相关性

表1－3为作者在加拿大地质调查局分析的原油样品中酸性组分(AF)和酸甲酯组分(FAMES)含量。如图1－2所示，除了从塔里木盆地取得的3个原油样品(TK101、S48和TK713)因酸化压裂影响了总酸值测定结果之外，所有其他从原油中分离出的酸甲酯组分含量(FAMES)与原油总酸值(TAN)具有很好的对应关系(r2=0.76)∶TAN(mgKOH/g)=0.5756×FAMES(mg/g)。同时，傅里叶红外光谱分析表明，甲酯化前的酸性组分中含有大量极性芳香族成分，导致原油酸性组分含量(AF)与原油总酸值(TAN)相关性很差。

表1－3原油酸性组分(AF)和酸甲酯组分(FAMES)含量

续表

图1－2 从中国、苏丹和加拿大原油中分离出来的酸甲酯组分含量FAMES)与原油总酸值(TAN)的对比关系

由于油砂抽提物黏度超出常规总酸值测定方法所适用的技术范畴，因此无法从商业实验室得到其总酸值数据。为弥补这项缺陷，初步采用酸甲酯组分含量(FAMES)与原油总酸值(TAN)的相关性来计算油砂抽提物的总酸值(表1－4)。

三、石油酸的官能团组成

为了解石油酸官能团组成特征，作者对一些原油/油砂抽提物及其分离出的酸性组分和酸甲酯组分，分别进行傅里叶红外光谱分析。图1－3为不同研究区代表性原油/油砂抽提物全油、酸性组分及酸甲酯组分傅里叶红外光谱图。

表1－4 油砂抽提物的酸性组分(AF)和酸甲酯组分(FAMES)含量以及原油总酸值(TAN)计算结果

图1－3 苏丹代表性高酸值原油(TAN=4.68mgKOH/g)全油(a)、酸性组分(b)及酸甲酯组分(c)的傅里叶红外光谱图(一)

图1－3 苏丹代表性低酸值原油(TAN=0.15mgKOH/g)全油(a)、酸性组分(b)及酸甲酯组分(c)的傅里叶红外光谱图(二)

图1－3 中国渤海湾盆地代表性高酸值原油(TAN=3.39mgKOH/g)全油(a)、酸性组分(b)及酸甲酯组分(c)的傅里叶红外光谱图(三)

图1－3中国渤海湾盆地代表性低酸值原油(TAN=0.39mgKOH/g)全油(a)、酸性组分(b)及酸甲酯组分(c)的傅里叶红外光谱图(四)

图1－3 西加拿大盆地代表性高酸值原油(油砂抽提物TAN=15.40mgKOH/g)全油(a)、酸性组分(b)及酸甲酯组分(c)的傅里叶红外光谱图(五)

图1－3 西加拿大盆地代表性低酸值原油(TAN=0.23mgKOH/g)全油(a)酸性组分(b)及酸甲酯组分(c)的傅里叶红外光谱图(六)

(一)原油/油砂样品

如图1－3所示，原油/油砂样品均显示出相似的傅里叶红外光谱特征，具体表现在:①极强的脂肪族吸收峰，分别对应于脂肪族基团伸展(3100～2800cm－1)、弯曲(1460和1377cm－1)和旋转振动(720cm－1)②存在芳香烃吸收峰(约1600cm－1和900～700cm－1)③部分样品在1800～1600cm－1波段出现吸收峰，显示存在含氧化合物。

(二)原油/油砂样品中分离出来的酸性组分

如图1－3所示，原油/油砂样品酸性组分与原始原油/油砂样品相比，对应于脂肪族基团伸展(3100～2800cm－1)、弯曲(1460和1377cm－1)和旋转振动(720cm－1)吸收峰明显减弱，而含氧官能团(1800～1600cm－1波段吸收峰)和芳香基吸收峰(约1600cm－1和900～700cm－1波段)显著增强，显示酸性组分中存在大量的含氧和芳香族化合物。

(三)原油/油砂样品中酸性组分甲酯化产物

如图1－3所示，经过酯化，原油/油砂样品酸甲酯组分与原油酸性组分相比，芳香族成分大为降低对应于脂肪族基团伸展(3100～2800cm－1)、弯曲(1460和1377cm－1)和旋转振动(720cm－1)吸收峰仍然明显但各类含氧官能团(1800～1600cm－1)吸收峰显著增强，羰基、多环醌类和苯酚等含氧基团在苏丹高酸值原油酸甲酯组分中大量富集。渤海湾盆地原油酸甲酯组分中则缺少多环醌类，而西加拿大高酸值油砂抽提物酸甲酯组分中硫氧化合物为主要成分。

原油酸值与原油本身及其酸甲酯组分的傅里叶红外光谱所反映的有机官能团特征的关系将在后续的章节中分地区展开讨论。

四、高分辨率质谱揭示石油酸元素组成与化合物类型

原油中酸性化合物相对分子质量一般不大于1000，主要分布在200～800之间，对应分子碳原子数一般分布在C10－C60，不同原油中酸性化合物相对分子质量存在较大差异，平均分子质量分布在420～550之间。下面以辽河油田欢127井原油的高分辨率质谱为例，说明石油酸元素组成与化合物类型研究方面的相关进展。图1－4a是该原油傅里叶转换质谱图，横坐标是质荷比，纵坐标为相对丰度图1－4b和图1－4c为图1－4a的局部放大。在图1－4b中可以看到相差14.01565个质量单位的质谱峰系列，这些化合物具有相同的杂原子数量而相差不同个—CH2—亚甲基单元，只要鉴定出其中的一个分子组成，其他化合物很容易得到鉴定。通过精确分子质量可以在10－6误差范围内确定化合物分子式。同时，根据相邻同位素质谱峰强度，可以验证鉴定结果的可靠性及是否有不同化合物重叠在一起。图1－4c中8号峰即为4号峰的13C同位素峰。

(一)原油高分辨率质谱资料解释

由高分辨率质谱分析结果可以得到三个层次的组成信息(以欢127井原油为例，如图1－5所示):分子组成类型，即分子中C、H、O、N、S等原子的组合方式，一般将主要元素(C和H)的组成表示为分子缩合度及分子量大小，根据分子中含O、N、S杂原子组成不同的类型(如图1－5a)，表示不同杂原子类型化合物的相对丰度相同类型化合物根据分子不饱和度，即分子中双键和环的数目分为不同的组，而用分子通式CnH2n+ZOoNnSs中Z值大小反映同一类型不同缩合度化合物相对分布(图1－5b)对于同一组化合物，分子组成中相差n个—CH2—，其分布特征反映该组化合物分子量分布(如图1－5c)。石油酸性组分除常规的含有O2分子结构类型外，还有N1、NO、N1O2、O1、O3和O4等多种杂原子类型O2类化合物分子缩合度分布范围在0(脂肪酸)～－34之间不同缩合度化合物相对丰度趋于正态分布，但每一种缩合度化合物碳数分布规律并不一致。

图1－4 欢127井原油Neg－ESI－FTMS质谱图

当实验使用仪器磁场强度为7.0T时，在450Da质量数附近可得到大约100000的分辨率。这种分辨能力并不能精确分析出原油中所有化合物分子式构成，但对丰度相对较高的化合物仍然能够得到比较可靠结果。为保证解释结果的可靠性，可以仅对相对丰度较高的N、NO、NO2、O、O2、O3、O4类化合物进行定性，以这些化合物在质谱图上的相对丰度作为依据半定量地确定它们的相对含量。

如图1－5所示，O1类化合物在大部分样品中含量不高，但个别样品中O1类的相对丰度超过O2，鉴定出的CnH2n+ZO类化合物中Z值最大值一般为－6，而这一缩合度正好和烷基酚类一致。由于人们已经证实石油中普遍存在苯酚类化合物，因此可以确定原油中O1类化合物主要为酚类，即O原子以羟基的形式联结在芳环上。

图1－5 高分辨率质谱反映的化合物组成信息

O2类化合物在大多数原油中丰度显示最强，分子通式为CnH2n+ZO2的化合物Z值分布在0～－34之间。分子中含有两个氧原子的化合物可能为羧酸或者二元醇。由于醚和酮在负离子ESI条件下难以电离，因此原油中O2类化合物分子中至少含有1个羟基。同时，由于二元醇的最小分子缩合度为Z=2，而原油样品中见到的Z值最大为0，故此可以推断原油中O2类化合物以羧酸为主。

O3和O4类化合物在石油中含量一般较低，分子中含有1个羟基和1个羧基，或2个羧基。由于在负离子ESI模式下O3和O4类化合物的鉴定需要考虑小分子O1和O2在两个O2之间缔合的因素(Smith等，2006)，对这些化合物类别的鉴定需要慎重。

由于碱性氮化物在负离子ESI条件下不能被电离，原油样品高分辨率质谱中见到的N类化合物主要是非碱性氮化物。利用常规色谱－质谱等手段在石油及石油产品中鉴定出的非碱性氮化物主要有吡咯、吲哚、咔唑和苯并咔唑等，但前两者稳定性差，一般不会在原油中存在。反映N类化合物分子缩合度的Z值最大值一般为－15，这一数值与烷基咔唑对应从热力学稳定性角度分析，Z=－15的N类化合物也最可能是咔唑。同时，N类化合物在大部分原油中表现出Z=－21和Z=－27优势，两者正好与苯并咔唑和二苯并咔唑类化合物的分子组成一致。因此可以推断，原油中N类化合物主要为吡咯类非碱性氮化物。N类化合物Z值下限为－43，但主要分布在－15～－27之间，即分子缩合度介于咔唑和二苯并咔唑之间。

NO和NO2类化合物可解释为氮化物分子上另带有1个羟基或羧基，但由于缺乏这些化合物单个分子组成数据，目前尚无法对它们结构类型明确定性。

(二)根据石油酸元素组成与化合物类型进行原油分类

作者研究了来自中国辽河、渤海、塔河、新疆和苏丹等油田的原油样品，发现所有样品中都含有N1和O2化合物，在大多数原油中二者之和占已定量的O2、N1、NO、N1O2、O1、O3和O4等7类化合物相对丰度的80%以上，而且不同原油之间存在明显差异。以O2为例，其相对丰度占7类化合物的1%～93%之间同时，在不同类型化合物相对丰度接近的原油，它们的石油酸分子缩合度和碳数分布也存在很大差异。根据高分辨率质谱揭示的杂原子类型、缩合度、碳数分布，我们将原油分为5种类型。下面分别描述不同组成类型的石油酸组成特征。

1.A类原油

环烷酸占绝对优势，以一—三环环烷酸为主。代表性样品为新疆9区浅层原油，油藏深度为618～606m，原油总酸值10.7mgKOH/g。其O2类化合物碳数分布如图1－6所示。多数高酸值原油具有A类组成特征，O2类相对丰度占50%以上，脂肪酸含量较低或很低，环烷酸一般以二环为主，一环和三环也有较高相对丰度，主峰碳出现在C25附近。

图1－6 A类原油O2类化合物的碳数分布图

2.B类原油

环烷酸占优势，以四－五环环烷酸为主。根据O2类化合物Z值分布图中Z=－8和Z=－10两条曲线的分布特征将B类原油分为两个亚类。

其中，B－1亚类原油中四环和五环环烷酸在O2类化合物中占绝对优势，在较宽碳数范围内四环和五环环烷酸均为主要的O2类化合物。代表性原油样品采自辽河油田清5井，储层深度为2050.6～2073.1m，原油总酸值为1.86mgKOH/g，其O2类化合物碳数分布见图1－7。

图1－7 B－1类原油O2类化合物的碳数分布图

B－2亚类原油中低碳数区域低缩合度环烷酸为主，而在C30和更高碳数区域四环和五环环烷酸优势明显。代表性原油样品为辽河油田洼70井沙三段储层，储层深度为1434.3～1457.6m，原油总酸值为4.48mgKOH/g。其O2类化合物碳数分布见图1－8。

图1－8 B－2类原油O2类化合物的碳数分布图

四环和五环环烷酸对应的Z值为－8和－10，但Z=－8和－10的化合物也可以是芳羧酸，高分辨率质谱并不能区分这两类化合物的结构类型，虽然B－1和B－2亚类原油均以Z=－8和Z=－10两类化合物为主，但后者的O2碳数分布在Z=－8和Z=－10两条曲线上，在高于C30后有一明显突跃，可能与较高丰度的四环和五环环烷酸有关，五环环烷酸可能主要是藿烷酸，而四环环烷酸可能与甾烷酸(或其异构体)有关。

3.C类原油

C类原油有机酸以脂肪酸为主，根据原油中含N和O2类化合物的相对丰度，将C类原油分为两个亚类。

C－1亚类原油，O2类化合物占绝对优势，且以脂肪酸为主。代表性样品为辽河油田高101井2168.6～2162.9m井段的原油，原油总酸值为3.76mgKOH/g。其O2类化合物碳数分布见图1－9。

图1－9 C－1亚类原油O2类化合物的碳数分布图

C－2亚类原油中N类化合物占优势，含有较多的NO和NO2类化合物，O2以脂肪酸为主。代表性样品为辽河油田曙116井3996～4050m井段原油，原油总酸值为11.9mgKOH/g，O2类化合物碳数分布特征与C－1亚类原油相似。

C类原油脂肪酸相对丰度远高于环烷酸，显示C16和C18脂肪酸优势，但并不一定是主峰，高碳数脂肪酸分布范围较宽且具有较强相对丰度。该类原油FTMS谱图中N类化合物丰度有高有低，大部分N丰度高的样品含有较高丰度的NO和NO2类化合物。

4.D类原油

D类原油中含氮化合物丰度与含氧化合物相比占绝对优势，以N1类化合物为主。代表性样品为塔河油田S77井5965～6000m井段原油，原油总酸值为0.77mgKOH/g，其O2类化合物碳数分布见图1－10。其中O2类化合物含量很低，Z=0和Z=－2曲线显示明显的C16和C18优势。

图1－10 D类原油O2类化合物的碳数分布图

5.E类原油

E类原油含有大量卤代烃。代表性样品为塔河油田TK101井4557～4563m井段原油，原油总酸值高达20.0mgKOH/g，其O2类化合物碳数分布见图1－11。

质谱图中出现很强的间隔58个质量单位的峰簇，峰簇中峰数量、相对丰度以及相关两个质量单位的分布特征均与卤代烃的特征一致，但这些化合物的精确分子组成尚不能确定。该类原油虽然表现很高的酸值，但O2类化合物丰度很低，分布特征与低酸值的D类原油相似。

图1－11 E类原油FTMS质谱图

几种代表性原油的杂原子类型、O2类缩合度分布、N1类缩合度分布图分别如图1－12～图1－14所示。石油酸杂原子类型复杂，主要有N、NO、NO2、O、O2、O3和O4等杂原子类型，其中N和O2是丰度最高的化合物类型，不同类型化合物的相对丰度在不同原油中差异明显。如果不考虑地质因素，原油总酸值与其中某一石油酸化合物的含量之间没有明显的相关性。

图1－12 典型原油石油酸杂原子组成

五、酸性含氧化合物的分子组成

(一)研究现状

含氧化合物组成能够为研究原油成因及生物降解作用提供重要信息，这早已引起研究者的关注。虽然在一些沉积物或低熟原油中鉴定出了很多化合物类型，然而关于原油中含氧化合物的组成至今仍不是十分清楚，主要有两个原因:一是含氧化合物分离困难，原油中含氧化合物含量很低，分子量分布及极性差异很大，传统的分离方法很难在保证回收率的前提下实现高纯度分离另一方面原因是没有合适的分析表征手段，含氧化合物(如羧酸)极性较强，色谱分析前需要衍生化处理，气相色谱是目前分离单体化合物最有效手段，但只能分析原油中分子质量相对较小的化合物，同时含氧化合物异构体种类繁多，即使在高效毛细管气相色谱柱上也不能得到单体分离。

图1－13 典型原油石油酸中O2类化合物缩合度分布

图1－14 典型原油石油酸中N1类化合物缩合度分布

石油酸组成是近年来石油化学研究热点之一。最新有关石油酸的研究成果主要基于质谱技术对其分子类型分布的结果，通过软电离质谱得到石油酸的组成特点及分布规律。由于石油酸组成非常复杂，研究石油酸单体化合物的文献较少，分析手段一般为气相色谱—质谱法。

目前从原油中已经鉴定出的含氧化合物包括醚、醇、酮、羧酸、酚及酯类化合物，一些杂环含氧化合物(如二苯并呋喃)富集在芳烃样品中，非常容易检出，其他含氧化合物的分离比较困难小分子苯酚类化合物近年来被用于石油运移研究，大部分C0—C3苯酚单化合物已经通过标样得到准确鉴定醇、酮类化合物在原油中含量很低，目前主要对正构脂肪族醇、酮进行了结构鉴定。

羧酸类化合物是原油中含量最丰富的含氧化合物，相关研究报告最多。丁安娜等(2004)在大庆原油中鉴定出正构一元酸(C10—C33)、正构二元酸(C10—C25)、姥鲛烷酸、植烷酸、藿烷酸(C30—C33)和甾烷酸(C27—C29)等多种酸性化合物类型在一些低熟原油、生物降解原油(Jaffé和Gallardo，1993)、沉积物(Azevedo等，1994)或沥青质钌离子氧化产物(王培荣，2002)中存在相对丰度较高的甾、萜类羧酸化合物。

(二)高酸值原油中含氧化合物结构鉴定

高酸值原油石油酸经改性氧化铝吸附柱分离，通过气相色谱－质谱分析甲酯化酸性化合物组成，典型石油酸甲酯的总离子流色谱图如图1－15所示，3个样品谱图特征分别对应不同酸值的代表性原油。不同原油的石油酸组成差异很大，本节中所鉴定出的羧酸类化合物实际是其对应的甲基酯。鉴定出的单体化合物主要有脂肪酸、环烷酸、芳羧酸和内酯类等几种类型。

图1－15 典型石油酸甲酯总离子流色谱图(IS－1和IS－2为内标C12－C24为正构脂肪酸X为污染峰)

1.脂肪酸

根据FTMS质谱分析结果，石油酸分子式CnH2n+ZO2中Z值为0的化合物主要对应脂肪酸类，原油中普遍存在脂肪酸，但与环烷酸的相对浓度差异很大，辽河油田高1井原油中CnH2n+ZO2类化合物相对含量十分丰富，其脂肪酸甲基酯的质量色谱图如图1－16所示。m/z74、m/z88和m/z102分别代表正构、α位和β位甲基取代的长链脂肪酸，正构C16、C18脂肪酸在m/z74质量色谱图中显示较强的相对丰度，非常容易识别，正构脂肪酸分子碳原子数分布在C9—C34之间，大部分原油中都呈偶碳优势。姥鲛烷酸和植烷酸分别为m/z88和m/z102质量色谱图上的基峰。类异戊二烯类长链羧酸在几个低熟原油样品中含量很高，碳数分布在C17—C21之间，其他异构脂肪酸相对含量较低，分子结构难以鉴定。

图1－16 高1井原油脂肪甲酯质量色谱图

在一些脂肪酸含量较高的样品中鉴定出C16和C18不饱和脂肪酸，后者质量色谱图如图1－16所示，C16、C18不饱和脂肪酸在FTMS分析时可以看到Z=－2系列化合物异常的碳数分布，这些化合物理论上不应该存在于成熟原油中，可能来自取样和实验过程的污染，因为这两种化合物在自然环境中普遍存在。如果C16与C18不饱和脂肪酸是由污染带入，那么正构C16和C18的含量也可能存在不确定性，因为这两种化合物和不饱和脂肪酸一样容易由污染引入，而不同实验室间关于这两个化合物较差的实验重复性也可以作为这一推论的依据。

2.芳羧酸

关于芳羧酸的文献报道很少，Haug等(1968)在GreenRiver页岩抽提物中鉴定出一环和二环几个芳羧酸系列，Watson等(2002)在实验室中模拟石油生物降解过程，在降解初期的原油样品中分离出烷基苯羧酸系列化合物，认为芳羧酸是生物降解产物。在作者研究的样品中发现部分样品富含芳羧酸，如:渤海湾盆地PL19－3－2井DST2层、辽河油田兴603井等。芳羧酸的类型很多，包括一—五环的芳香酸，芳基骨架结构与芳烃化合物相对应。图1－17～图1－24为辽河油田兴603井原油中芳羧酸的质量色谱图，分别为烷基苯甲酸、烷基萘羧酸、三环芳羧酸、四环芳羧酸、五环芳羧酸、单芳甾烷酸及三芳甾烷酸。烷基苯类羧酸分布范围最宽，在质量色谱图中能够清晰地确定C0—C18烷基苯羧酸系列。

图1－17 烷基苯甲酸酯质量色谱图

图1－18 烷基萘羧酸酯质量色谱图

图1－19 烷基三环芳羧酸酯质量色谱图

图1－20 烷基四环(芘类)芳羧酸酯质量色谱图

3.环烷酸

图1－23～图1－25是常见环烷酸的质量色谱图。藿烷酸是较早被发现和鉴定的具有分子标志意义的一类重要酸性化合物，藿烷酸的形成被认为是藿烷遭受生物降解的产物，未降解原油一般不含藿烷酸，随着生物降解程度的增加，藿烷酸含量增加，而当生物降解非常严重时藿烷酸遭降解而消失。以前的研究表明，藿烷酸存在于生物降解原油中，而未降解和严重降解原油中藿烷酸含量较低。在我们研究过的绝大部分原油样品中均检测出藿烷酸，但它们的相对组成有较大变化。

图1－21 烷基四环(类)芳羧酸酯质量色谱图

图1－22 烷基五环(苯并芘类)芳羧酸酯质量色谱图

图1－23 单芳甾烷酸酯质量色谱图

图1－24 三芳甾烷酸质量色谱图

图1－25 三环萜烷及藿烷酸质量色谱图对应化合物鉴定见表1－5

表1－5 藿烷酸鉴定表

续表

4.内酯类化合物

在加拿大西部盆地大部分油砂样品中鉴定出了C10—C18脂肪酸内酯化合物，这些化合物的质量色谱图如图1－26所示，具有特征的m/z57、m/z71和m/z85碎片，容易误判为正构烷烃但它们的质谱图与正构烷烃的显著差别是等高质荷比的碎片强度在m/z85和m/z99之间存在明显的台阶。这些化合物是由β－、χ－或δ－羟基酸分子内脱水而成在成熟原油中不大可能是原生的。

图1－26 内酯类化合物m/z85质量色谱图及质谱图

六、石油酸的二维色谱/质谱鉴定

二维色谱技术是国外在20世纪90年代早期开始研发的新兴分析技术(Phillips和Liu，1992)。这项技术最先运用于环境样品分析，通过采用二重色谱联用，使得色谱分析复杂混合物的能力得到极大的改进(Dalluge等，2003Zrostlikova等，2003)。使用飞行时间质谱检测器，质谱图采集的速度可以达到每秒500张，进而满足样品分析时数据快速采集的要求。将这些色质的硬件条件与专用的质谱去褶合软件相结合，就可以得到分析过程中分离的单个化合物的质谱图。由于原油酸甲酯组分成分极为复杂，Hao等(2005)首先用加拿大合成油公司、Acros和Fluka公司的三个商业环烷酸样品进行了方法试验。

图1－27 Fluka环烷酸标样的二维色质重建总离子流色谱(下)和无环正构脂肪酸二维质量色谱图(上)

前人对商业环烷酸样品在甲酯化和季丁基甲基硅烷化后进行一维色质分析，重建总离子流色谱通常表现为一个大鼓包，无法分开三家公司生产的三个环烷酸样品。但是，运用二维色谱技术，我们可以得到许多分辩效果较好的色谱峰(图1－27)。从图1－27可以看出，利用特征的m/z87、m/z101、m/z115、m/z129和m/z143质量色谱图，可以检测各类无环正构脂肪酸(Z=0)的同系物分布。这里，由于m/z74质量色谱图强度较低，噪音明显，没有加入重建质量色谱图中。同样，利用m/z127、m/z141、m/z155、m/z169、m/z183、m/z197、m/z211、m/z225和m/z239质量色谱图，可以检测各类单环长链脂肪酸(Z=－2)的同系物分布(图1－28)。而且，三种环烷酸标样在这些化合物分布上的指纹特征是显著不同的。通过选取特定(X，Y)保留时间的化合物质谱图，并利用谱库检索，可以对这些化合物进行结构定性(图1－29)。运用二维色质，很难将这些环烷酸样品中的二环及其多环脂肪酸类(Z=－4，－6和－8)完全分离成单个化合物，进而提供足够的结构信息。实际运用二维色质分析原油和油砂样品，尚需要大量的实验室方法试验工作。

图1－28 三种环烷酸标样的二维色质无环正构脂肪酸(Z=0)和单环长链脂肪酸(Z=－2)的重建质量色谱图

图1－29 环烷酸标样的二维色质无环正构脂肪酸(Z=0)和单环长链脂肪酸Z=－2)的重建质量色谱放大图及单个化合物的质谱图

一、原油酸性组分与总酸值的相关性

表2－8和表2－9分别列出了苏丹地区原油样品在加拿大和中国长江大学两家实验室分离的酸性组分(AF)和酸甲酯组分(FAMES)含量。

表2－8 原油酸性组分(AF)和酸甲酯组分(FAMES)含量(加拿大分析结果)

表2－9 原油酸性组分(AF)含量(长江大学分析结果)

分析表明，苏丹原油中分离出来的酸甲酯组分含量(FAMES，mg/g)与原油总酸值(TAN，mgKOH/g)具有很好的线性正相关(图2－26):

FAMES=1.5119TAN+1.0778，相关系数r2=0.8815

而甲酯化前的酸性组分中由于含有大量的极性芳香族成分，导致原油中酸性组分含量与原油总酸值相关性很差(Muglad盆地二者相关系数r2仅为0.5547Melut盆地二者则无任何相关性)(图2－27)。

图2－26 原油总酸值(TAN)与酸甲酯组分含量(FAMES)的相关性

图2－27 原油总酸值(TAN)与酸性组分含量(AF)的相关性

二、傅里叶红外光谱表征的石油酸官能团组成

为了了解石油酸的官能团组成特征，我们对苏丹原油及其酸性组分和酸甲酯组分分别进行傅里叶红外光谱分析。图2－28显示了苏丹原油全油、酸性组分及其甲酯组分的傅里叶红外光谱图。在谱图数据标准化和基线校正的基础上，计算了下列官能团和结构参数(表2－10)。

表2－10 苏丹全油、酸性组分、酸甲酯的官能团和结构参数

续表

续表

如图2－28所示，苏丹原油显示相似的傅里叶红外光谱特征，具体表现在:①具有极强的脂肪族吸收峰，分别对应于脂肪族基团的伸展(3100～2800cm－1)、弯曲(1460cm－1和1377cm－1)和旋转振动(720cm－1)②存在芳香烃吸收峰(～1600cm－1和900～700cm－1)③部分样品在1800～1600cm－1波段出现吸收峰，显示存在含氧化合物。

如图2－28所示，原油酸性组分与原油相比，对应于脂肪族基团的伸展(3100～2800cm－1)、弯曲(1460cm－1和1377cm－1)和旋转振动(720cm－1)吸收峰明显减弱，而含氧官能团(1800～1600cm－1波段吸收峰)和芳香基吸收峰(～1600cm－1和900～700cm－1波段)显著增强，显示酸性组分存在大量的含氧和芳香族化合物。

图2－28A 全油、酸性组分及酸甲酯傅里叶红外光谱(按酸值大小排序)

图2－28B Suf－1(1500～1509m)原油红外结构鉴定示意图

如图2－28所示，经过酯化，原油酸甲酯组分与原油、酸性组分相比，芳香族成分大为降低对应于脂肪族基团的伸展(3100～2800cm－1)、弯曲(1460cm－1和1377cm－1)和旋转振动(720cm－1)吸收峰仍然明显但各类含氧官能团(1800～1600cm－1波段吸收峰)显著增强，羰基、多环醌类和苯酚等含氧基团在苏丹高酸值原油酸甲酯组分中大量富集。

原油酸值对原油本身及其酸甲酯组分的傅里叶红外光谱特征的影响将在后面详细讨论。

三、石油酸的高分辨质谱鉴定

1.酸性化合物分子的杂原子类型

通过FTMS实验分析了18个苏丹原油样品，鉴定出7种杂原子组成类型，分别为N、NO、NO2、O、O2、O3和O4(表2－11图2－29)，其中N和O2在所有样品中普遍存在且相对丰度较高，大多数原油中N和O2之和占80%以上，但不同原油间化合物类型差异明显，以O2为例，其相对丰度分布在14.47%～93.22%之间，即使类型丰度接近的原油，石油酸的分子缩合度和碳数分布也存在很大差异。O2和N类化合物包含较宽的分子缩合度范围，以Z值表示O2和N类化合物缩合度分布的数据见表2－12和表2－13。

表2－11 苏丹原油石油酸组分杂原子类型相对丰度

从不同类型杂原子含量来看(图2－29)，极轻微降解原油(包括Muglad盆地FN－21井、KelaN－1井和Suf－1井(AbuGabra组)原油以及Melut盆地Gumry－1井和Zarzor－1井(深层)原油)以N1类化合物最丰富，次为O2类化合物轻度降解原油(包括Muglad盆地FNE－3井(AbuGabra组)和Melut盆地Zarzor－1井(浅层)原油)以O2类化合物最丰富，同时含有较为丰富的N1类化合物严重降解原油(包括Muglad盆地FNE－1、FulaC－2和Suf－1井(Bentiu组)和Melut盆地Anbar－1井原油)以O2类化合物占绝对优势，同时含有较低含量的N1类化合物。

2.O2类化合物的分布特征

O2类化合物的分子式Z值分布在0～－34之间，相对丰度数据见表2－12，不同Z值化合物相对丰度分布如图2－30与图2－31所示。不同样品间表现出不同分布特征，未降解原油均表现为链烷酸(Z=0系列)相对丰度最高，降解原油中一环环烷酸丰度最高，二环环烷酸次之，再次为三环环烷酸和脂肪酸，其他多环环烷酸丰度随环数增加逐渐降低。只有Anbar－1降解原油例外，其二环环烷酸丰度最高，一环环烷酸丰度次之，再次为三环环烷酸和脂肪酸。图2－30与图2－31显示苏丹地区原油羧酸类化合物Z值分布主要集中在0～－20之间，除0～－10(对应0～5环环烷酸)外，其他Z值对应化合物仍然占有一定比例。

图2－29 苏丹地区原油不同类型杂原子化合物丰度分布

表2 -12 O2 类化合物缩合度分布(%)

表2 -13 N1 类化合物缩合度分布(%)

图2－30 Muglad盆地原油O2类化合物缩合度分布

图2－31 Melut盆地原油O2类化合物缩合度分布

不同盆地原油O2类化合物Z值分布也存在差异，Muglad盆地原油O2类化合物Z值分布范围较宽，最大可达－34，而Melut盆地O2类化合物Z值最大只有－26，这可能与原油的原始母质组成差异有关。

除了酸性化合物杂原子类型和缩合度分布数据，FTMS分析结果还能提供某一缩合度化合物的碳数分布信息，苏丹地区原油O2类化合物碳数分布如图2－32所示。结合原油常规生物标志化合物分析，不难发现生物降解程度对羧酸类化合物组成的影响。轻微降解时脂肪酸仍占绝对优势，一环、二环的环烷酸丰度增加，如Zarzor－1井浅层的两个原油，其酸值并不高(但明显高于深层未降解原油的酸值)降解程度较高原油，如FulaNE－1、FulaC－2和Suf－1井(Bentiu或Aradeiba组)原油，脂肪酸大部分被降解，环烷酸成为石油酸的主要成分，其重要特征为具有较高丰度的Z=－8和Z=－10两类化合物，Z=－10系列在C30－C35附近出现一个较强峰，一般认为其对应藿烷酸富集，Z=－8类化合物可能对应四环环烷酸(如甾烷酸)或单环芳羧酸。Anbar－1原油既存在较高丰度的脂肪酸，又有较高丰度的一环、二环环烷酸，以及相对较高丰度的多环环烷酸，表明该原油经历了两次油气充注过程，早期充注的原油，由于构造抬升而遭受生物降解，原油富集了环烷酸后来，构造沉降，新生成的正常原油(富含脂肪酸)，再次充注该油藏，造成两期充注原油的混合。其他原油均为未降解原油，以脂肪酸为主，尤以C16和C18脂肪酸占绝对优势。

3.N类化合物的分布特征

原油中的含氮化合物可以分为碱性氮化物和非碱性氮化物，其中碱性氮化物在负离子ESI条件下不发生电离，因此在负离子条件下得到的质谱图中，所有含1个氮原子的氮化物属于非碱性氮化物。N类化合物分子式Z值分布在－9～－43之间，绝大部分样品的最大Z值为－15，为此，这里只分析Z≤－15的化合物类型分布。Z=－15对应于咔唑类化合物，Z=－21、Z=－27化合物表现明显的相对丰度优势，其对应结构主要为苯并咔唑和二苯并咔唑类化合物，由于最大Z值和Z值分布与化合物理论构型表现出完全一致的特点和规律，可以认为Z=－15、Z=－21和Z=－27分别主要由烷基咔唑、烷基苯并咔唑和烷基二苯并咔唑组成。

N类化合物缩合度分布特征与生物降解程度也存在一定相关性(图2－33)，未降解原油中咔唑类化合物(Z=－15)的相对丰度最高，或苯并咔唑类化合物(Z=－21)丰度最高，且二者丰度较为接近，如FulaNE－3、FulaN－21、Suf－1(AbuGabra组)、Gumry－1和Zarzor－1井原油，但Zarzor－1井2100m以上的原油较2100m以下的原油含有相对较高丰度的高缩合度氮化合物，说明该井2100m以上的油藏遭受过轻微生物降解。同样地，FulaNE－3和FulaN－21井原油也遭受了轻微生物降解。随着生物降解程度增加，高缩合度氮化物的相对丰度逐渐增大，如KelaN－1和Anbar－1井原油苯并咔唑类化合物(Z=－21)丰度最高，次为二苯并咔唑(Z=－27)，再次为咔唑类化合物(Z=－15)，即含较高丰度的高缩合度氮化合物。Suf－1井(Bentiu组)原油降解程度较高，其氮化合物组成中以苯并咔唑为主，二苯并咔唑丰度稍低于苯并咔唑，但咔唑类化合物丰度已经很低。降解程度相对更高的FulaNE－1和FulaC－2井原油氮化合物组成中，以二苯并咔唑为主，次为苯并咔唑，而咔唑类化合物仅占很少的比例。

图2－32 苏丹地区原油O2类化合物碳数分布横坐标为碳数，纵坐标为相对丰度(%)

图2－33 N1类化合物丰度分布特征

图2－34 苏丹原油N1类化合物碳数分布横坐标为碳数，纵坐标为相对丰度(%)

N类化合物碳数分布如图2－34所示，通过碳数分布可以更加清晰地描述不同生物降解程度原油中氮化物的组成特征。未降解原油中高碳数(＞C25)氮化物相对丰度较高，氮化物碳数分布范围较宽降解后的原油中高碳数氮化物相对含量降低，＜C25的Z=－21和Z=－27类化合物显示非常高的相对丰度，其分子结构对应苯并咔唑和二苯并咔唑类化合物，而咔唑类化合物在遭受生物降解的原油中相对丰度降低。

FTMS提供的信息说明咔唑、苯并咔唑、二苯并咔唑类含氮化合物是原油中最主要的非碱性氮化物，未降解原油中氮化物的分子量分布范围与含氧化合物基本一致，但在降解原油中氮化物组成发生很大变化，首先是分子烷基侧链长度随降解程度加深而减小，大多数苯并咔唑、二苯并咔唑类化合物分子中碳原子数降低到C25以下，而咔唑类化合物丰度严重降低，其他缩合度化合物在较宽范围内分布比较均匀，推测其分子结构中包含多个环状结构单元。

4.酸性化合物分子量分布

高酸值原油一般为重质原油，而重质原油一般具有较高的酸值，密度大、黏度高是一般高酸值原油的主要特征，这些原油的平均分子量也比较大。

高分辨质谱分析结果提供每一个质谱峰的精确质量和相对丰度，由此可以得到每一类化合物或全部酸性化合物的分子量分布。平均分子量一般有两种表示方式，即数均分子量和重均分子量，分别由公式(2－1)和公式(2－2)计算。

高酸值油藏的形成与分布

式中:Mi为某个化合物的分子量，Ni是该化合物的分子个数，在实际计算过程中以化合物质谱图相对丰度值代替。使用商品环烷酸进行方法测试，发现数均分子量Mn与使用蒸气压渗透法(VPO)得到的分子量非常接近，因此本研究以Mn作为化合物的平均分子量。

苏丹地区原油中酸性化合物的平均分子量数据见表2－14。平均分子量分布范围:酸性化合物在471～620之间，N类化合物在331～560之间，O2类化合物在349～530之间。

表2－14 化合物平均相对分子质量

续表

图2－35 原油酸值与O2类化合物平均分子量分布

O2类化合物的平均分子量与酸值的相关性如图2－35所示，显然，原油中O2类化合物的分子量与原油酸值具有很好的对数正相关性，即随着原油酸值的增大，O2类化合物分子量呈对数关系增大。随生物降解程度增加(酸值增加)，N类化合物的平均分子量表现出明显减小的趋势，高缩合度的二苯并咔唑类化合物(Z=－27)随酸值变化趋势图如图2－36所示。前面已经讨论过N类化合物不同缩合度类型的分布特征，随生物降解程度增大，咔唑类化合物(Z=－15)相对含量降低，而苯并咔唑(Z=－21)和二苯并咔唑(Z=－27)类化合物相对含量增加。分子量数据显示高缩合度的非碱性氮化物在生物降解过程中分子趋于减小，即生物降解程度增加，缩合度增大，分子量减小，说明生物降解过程使非碱性氮化物的烷基侧链降解，生成小分子化合物，而缩合度低的小分子化合物随降解作用部分损失。根据这一规律，通过FTMS得到的N类化合物碳数分布图可以快速确定原油的生物降解程度，未降解原油中咔唑类化合物的碳数分布范围宽，且相对丰度较高，如图2－34所示，降解原油中咔唑类化合物相对丰度降低，低碳数苯并咔唑和二苯并咔唑类化合物丰度很高，其碳数分布范围集中在C17－C27之间。

图2－36 不同酸值原油二苯并咔唑类含氮化合物的分子量分布

四、苏丹原油酸甲酯组分的分子组成特征

1.酸甲酯组分的总离子流图

用改性氧化铝吸附柱从原油样品中分离出石油酸，经过酯化和纯化之后，通过气相色谱和色谱质谱分析研究甲酯化酸性化合物的组成。图2－37是苏丹原油酸甲酯组分的总离子流图。显然，高酸值原油样品中酸甲酯组分的主要成分即所谓的“环烷酸”，是在常规气相色谱图上无法分辨的复杂混合物由于无法分离而形成的大鼓包。从图2－37酸甲酯总离子流图上能够辨认的主要成分包括:正构脂肪酸、苯二甲酸和藿烷酸，未检测到甾烷酸。

2.脂肪酸组成

所分析的苏丹原油样品中普遍存在脂肪酸，但与环烷酸的丰度相比，它们仅为微量成分。利用m/z74质量色谱图可以反映正构脂肪酸的组成(表2－15和图2－38)，正构C16和C18脂肪酸在m/z74质量色谱图中显示较强的相对丰度，非常容易识别。正构脂肪酸分子碳数分布在C9－C34之间(图2－39)，且其分布明显分为两部分:低碳数(nC18以前)脂肪酸具有明显的偶碳优势，代表了降解微生物(细菌)对残余油的直接贡献高碳数脂肪酸偶碳优势不明显或无偶碳优势，则代表原油原始母质在成熟阶段生成的产物。而FulaNE－1原油由于严重的生物降解作用，其原生的高碳数脂肪酸已全部降解，只有代表细菌产物的低碳数脂肪酸。值得一提的是Anbar－1原油，既存在具偶碳优势的低碳数脂肪酸，也存在丰富的无偶碳优势的高碳数脂肪酸，这表明该原油油藏经历了两次充注过程，即早期降解过的原油与后期正常原油混合成藏。

图2－37 苏丹代表性原油酸甲酯组分总离子流图

表2－15 苏丹原油正构脂肪酸的浓度(μg/g)

正构脂肪酸浓度与原油总酸值的关系见图2－40，随酸值的增加，脂肪酸浓度增加，达到峰值后，又随酸值的增加而减少。

图2－38 苏丹原油酸甲酯m/z74质量色谱图

图2－39 苏丹原油中正构脂肪酸的浓度分布

图2－40 苏丹原油样品总酸值与正构脂肪酸浓度的关系

3.芳香羧酸

Watson等(1999)在喜氧微生物降解模拟实验初期的原油样品中分离出过烷基苯羧酸系列化合物，并认为芳香羧酸是生物降解产物。在本次研究的样品中都含有芳香羧酸，主要见有苯二甲酸，但它们的烷基同系物却并不常见。

4.萜烷酸

在所分析的苏丹原油样品中普遍存在萜烷酸，主要为藿烷酸。所分析样品的m/z191质量色谱图见图2－41。这些化合物具有在C17和C21位的立体异构体(αβ)以及C22位的R和S构型。C30－C32藿烷酸的浓度是用它们在m/z235、m/z249、m/z263质量色谱图上的峰面积与5β－胆甾烷酸标样在m/z217上的峰面积计算的，没有进行响应因子校正(表2－16)。与藿烷系列不同，C31藿烷酸一般为基峰，C30藿烷酸的相对含量不高。藿烷酸的浓度随着样品总酸值的增加而呈对数增加(图2－42)且对数关系良好，说明藿烷酸等环烷酸是影响原油酸值的主要因素。

前人将原油中藿烷酸浓度的变化归结为:①与其他化合物降解难易程度的差异②运移过程中混入成熟度较低的成分③生物降解油中新生成的藿烷酸之贡献。比较在所分析的样品中藿烷和藿烷酸立体化学构型的差异，结合低碳数正构脂肪酸的明显偶碳优势，我们认为生物降解过程中新生成的酸类贡献可能是造成上述浓度变化的重要因素之一。

图2－41 苏丹原油样品酸甲酯组分的m/z191质量色谱图化合物鉴定见表2－5

表2－16 苏丹原油中藿烷酸的浓度(μg/g)

图2－42 苏丹原油样品总酸值与藿烷酸浓度的关系

对于严重降解的高酸值原油，还检测出25－降藿烷酸系列化合物(图2－43)。

图2－43 苏丹原油样品酸甲酯组分的m/z191和m/z177质量色谱图

一、生物降解作用前后石油酸组成特征

不同原油的石油酸组成特征，不同生源、不同生物降解程度的石油酸组成差异很大，本节针对典型生物降解原油对比分析生物降解前后化合物类型、缩合度分布及碳数分布等组成差异。

选择辽河盆地原油为研究对象，分析生物降解前后石油酸组成特征。图4－17为四个原油的饱和烃色谱、O2类化合物和N1类化合物组成分布图，从饱和烃的总离子流色谱图可以看出欢16两个原油保存相对完好，受生物降解作用较小，而欢20为降解原油。生物标志物组成信息表明，欢20原油存在一定混源特征，虽然存在姥鲛烷和植烷，但其降解程度较高。未降解原油中Z=0的O2类化合物，即脂肪酸类化合物相对丰度较高，一般为基峰。图中欢16O2类化合物分布图中显示四环(Z=－8)和五环(Z=－10)类化合物相对丰度较高，这是辽河油田未降解原油的一个生要特征，色谱—质谱分析表明这部分化合物主要为断藿烷和藿烷类化合和形成的羧酸降解后脂肪酸相对含量大幅度下降，环烷酸相对含量增加，一环(Z=－2)和二环(Z=－4)环烷酸成为丰度最高的化合物类型。N1类化合物在生物降解前后化合物缩合度分布变化不如O2类明显，但仍可以清晰地观察到高缩合度化合物相对丰度增加的特征。

图4－18和图4－19分别为欢16和欢20原油O2类和N1类化合物的碳数分布图。从图中可以更加清楚地看到生物降解前后化合物组成及分布的巨大差异，O2类化合物缩合度变化明显，但碳数分布范围变化不大，而N1类化合的除了表现出高缩合度化合物相对含量增加的特征，更为明显的是化合物碳数分布范围存在很大差异，苯并咔唑和二苯并咔唑类化合物在降解后的原油中具有更高的丰度优势，但其碳数分布范围相对较窄，说明生物降解过程中高缩合度非碱性氮化物烷基侧链受到攻击，而含氮母核难以降解。

图4-17 生物降解前后酸性化合物组成变化

图4－18 不同生物降解程度原油O2类含氧化合物碳数分布横坐标为碳数，纵坐标为相对丰度(%)

图4－19 不同生物降解程度原油N1类含氮化合物碳数分布横坐标为碳数，纵坐标为相对丰度(%)

表4－3 渤海湾盆地原油生物降解等级划分

二、石油酸组成随生物降解作用变化规律

根据Peters和Moldowan划分的原油生物降解级别，对原油的生物降解程度进行了划分，需要说明的是实验选取的原油在降解级别划分时存在一些不一致，即一些指标相互矛盾。

生物降解对O2类化合物的组成特征影响很大，不同缩合度化合物的相对丰度与降解程度具有一定相关性，如环烷酸与脂肪酸比值、三环环烷酸与一环环烷酸比值随生物降解程度增加而增大(图4－20，图4－21)，高丰度三环环烷酸仅在降解程度高的原油中出现，图4－22为三环环烷酸和脂肪酸、一环环烷酸的相对丰度关系，说明一环环烷酸和脂肪酸都比较容易受到降解。

图4－20 环烷酸/脂肪酸比值随生物降解程度变化趋势

图4－21 三环/一环环烷酸比值随生物降解程度变化趋势

图4－22 环烷酸相对丰度关系

三、酸性化合物分子量分布

高酸值原油一般为重质原油，而重质稠油一般具有较高的酸值，密度大、黏度高是一般高酸值原油的主要特征，这些原油的平均分子量也比较大。高酸值原油的形成一般与生物降解有关，Barth等分析石油酸的分子量分布，发现生物降解作用使石油酸的分子量降低，这一现象似乎与实验室的模拟结果存在矛盾，原油经喜氧菌降解，实验室条件下40天后有大量大分子环烷酸生成，色质分析结果提供的信息是随生物降解程度增大，大分子环烷酸含量增加。生物降解原油中的羧酸类化合物(甲酯化)色谱图上出现一个大峰包(UCM)，在气相色谱所能达到的温度范围内环烷酸甲酯(或硅烷)并不能完全流出，大分子酸性化合物的含量及分布范围无法测定另一方面，将酸性化合物从原油中分离过程中并不能保证酸性化合物的全部分离，因此通过分离酸性化合物然后使用色谱质谱分析的传统研究方法不能获得完整的石油酸组成信息。

FT－ICRMS分析结果提供每一个质谱峰的精确质量和相对丰度，由此可以得到每一类化合物或全部酸性化合物的分子量分布。具体计算可参照第2章公式(2－1)与公式(2－2)。

渤海湾地区原油中酸性化合物的平均分子量数据见表4－4，其中N、O2分别表示分子中含有1个氮和分子中含有2个氧的酸性化合物，－15N、－21N和－27N分别表示N类化合物中分子式Z值分别为－15，－21和－27的组，由于N类化合物属非碱性氮，－15、－21、－27组化合物主要对应咔唑、苯并咔唑和二苯并咔唑类化合物。平均分子量分布范围酸性化合物在424～559之间，N类化合物在379～529之间，O2类化合物在371～485之间，两种主要类型酸性组分平均分子量略小于相应原油，虽然N类化合物平均分子量的最大值为529，但其他原油中该数值均小于450，一般小于相应的O2类化合物，而O2类又略小相应总酸性组分(表4－4)。

表4－4 化合物平均分子质量

O2类化合物的平均分子量与分子量分布情况如图4－23所示，7个未降解原油的平均分子量差异很大，而降解原油中O2类化合物的分子量与生物降解程度没有明显的相差性，似乎存在先减小后增大的趋势，但并不明显随生物降解程度增加N类化合物的平均分子量表现出明显减小的趋势，高缩合度的二苯并咔唑类化合物(Z=－27)随生物降解程度变化趋势图如图4－24所示。前面已经讨论过N类化合物不同缩合度类型的分布特征，随生物降解程度大，咔唑类化合物(Z=－15)相对含量降低，而苯并咔唑(Z=－21)和二苯并咔唑(Z=－27)类化合物相对含量增加。分子量数据显示高缩合度的非碱性氮化物在生物降解过程中分子趋于减小，即生物降解程度增加，缩合度增大，分子量减小，说明生物降解过程使非碱性氮化物的烷基侧链降解，生成小分子化合物，而缩合度低的小分子化合物随降解作用部分损失。根据这一规律，通过FT－ICRMS得到的N1类化合物碳数分布图可以快速确定原油的生物降解程度，未降解原油中咔唑类化合物的碳数分布范围宽，且相对丰度较高。

图4－23 生物降解程度与O2类化合物平均分子量分布

图4－24 不同生物降解程度原油Z=－27类含氮化合物的分子量分布

四、生物降解初期石油酸组成特征

辽河油田高升地区存在一些生物降解程序低，而酸值较高的原油，为研究这些高酸值原油石油酸成因，以未降解的大港混合原油为研究对象，在实验室条件下模拟生物降解过程。经受不同生物降解作用时间，正构烷烃在15天时间内已经受到非常明显的降解作用，28天时正构烷烃已经基本消失，而姥鲛烷、植烷等类异戊二烯类异构烷烃仍完整保存，40天时这些链状类异戊二烯类化合物则完全消失，色谱质谱分析表明(图4－25)，此时藿烷和甾烷类生物标志化合物相对组成并没有明显变化，说明不同结构化合物的抗降解能力差别很大，而且不同化合物降解顺序十分明确。

通过FT－ICRMS分析四种原油的石油酸组成，以O2和N1相对丰度比值表示O2类化合物与含氮化合物的相对含量，其值分别为0.81、0.97、0.88和1.10，比值总体表现出降解时间增加而增大的趋势，但并不是完全线性递增。由于实验使用的FT－ICRMS分辨率不能完全满足所有酸性组分的完全分离，以及降解实验中原油回收过程中可能受到的酸性杂质污染，O2/N1比例与降解时间的规律性有待进一步研究。

图4－25 不同降解时间原油色谱图

表4－5、表4－6和表4－7分别是四种原油中O1类、O2类和N1类化合物不同缩合度化合物的相对丰度。O1类化合物在降解过程中Z=－6类化合物相对丰度降低，根据石油化学的基本常识，可以将这类化合物归为烷基苯酚类，表中数据表明，在降解过程中高缩合度(环烷基苯酚类)酚类化合物相对含量增加O2类化合物的变化规律更加明显，随降解程度加深，脂肪酸(Z=0)、一环环烷酸(Z=－2)、二环环烷酸(Z=－4)相对含量下降，而四环(Z=－8)、五环(Z=－10)环烷酸相对含量增加，这些化合物与藿烷酸、断藿烷酸的分子缩合度一致，可能是生物降解过程中的代谢产物或微生物自身分解的产物。与O1和O2类化合物相比，N1类化合物的相对组成基本没有明显变化，说明N1类化合物具有相对较强的抗生物降解能力。

表4－5 O1类化合物相对丰度(%)

表4－6 O2类化合物相对丰度(%)

续表

表4－7 N1类化合物相对丰度(%)

五、水洗作用对石油酸组成的影响

生物降解对原油石油酸组成影响很大，而生物降解过程一般伴随着水洗作用，关于水洗作用对石油酸组成影响的报道较少，一般认为小分子(C1－C4)羧酸具有较强的水溶性，在油水界面进行水洗，通过液相色谱可以分析水中C1－C5脂肪酸。受分析手段限制，大分子石油酸在水中的溶解度及油、水两相中的分配情况缺乏研究。

辽河(混合)原油与蒸馏水在25℃条件下充分混合，静置分层后得到油、水两相，原油、水洗油及含油水的高分辨质谱图如图4－26所示。FT－ICRMS谱图可以直接观察到化合物分子量分布信息，水中石油酸的分子量较小(＜500)且分布范围窄，水洗油中大分子石油酸相对丰度增加，质谱图上化合物分子量分布范围向高质量端展布。

图4－26 石油酸在油相和水相中的分布

水相中化合物分子类型全部为含氧化合物，分子中含有1～5个氧原子，O4类相对丰度较高，可能为二元羧酸类化合物。图4－27是O2类化合物的碳数分布，可见水相中主要为二－三环的小分子环烷酸，分子碳数在10～20之间水洗油与原油石油酸组成差异很大，这种差异一方面说明水洗作用的选择性，另一方面ESI电离模式下电离选择性差异也非常大，不同类型化合物的相互抑制致使ESIFT－ICRMS质谱丰度不能定量反映化合物的实际相对浓度。

图4－27 O2类化合物在油水相中的组成与碳数分布

碱液萃取(皂化)是原油中石油酸分析最常用的分离方法，该方法在实验室中容易实现，但也存在一些不足，如一些酯类和有机酸盐在分离过程中被还原为石油酸，理论上会使石油酸含量偏高。为了达到较高的石油酸纯度，分离过程中一般采用多次反萃取减少石油烃类化合物对石油酸分析的干扰，这一过程对石油酸的回收率影响很大，因此通过碱萃取方法得到石油酸含量数据再现性性很差，分离出的石油酸能否反映原油中石油酸真实组成仍不得而知。

图4－28 碱萃取实验不同组分石油酸分布

为了进一步研究石油酸在水中的溶解性，以及油水两相中石油酸的组成特点，实验采用碱液萃取法从辽河原油中分离石油酸，图4－28为石油酸、脱酸油和原油的FT－ICRMS谱图，图4－29为对应O2类化合物组成及碳数分布。碱性溶液可以将更多的石油酸从原油中萃取出来，但大分子石油酸仍然溶于油相中，实验同时考察了不同碱强度条件下的萃取效果。结果表明，无论碱强度大小，萃取分离都不能把原油中的石油酸全部萃取出来，增加碱液浓度和萃取强度导致更多的含氮化合物和石油芳烃进入水相，反萃取消除含氮化合物影响时能够将一些分子量较大的石油酸洗脱，反萃取强度对石油酸质量收率影响很大，但基本不改变小分子量(＜500)的相对组成。

图4－29 O2类化合物在原油、石油酸和脱酸油中的组成及碳数分布

下面将简单介绍化学方法和物理分析方法。⑴化学方法测定多糖结构还是目前最常用的方法，测定的手段很多，其中经典而有效的是甲基化分析、高碘酸氧化和Smith降解、部分酸水解以及乙酰解和甲醇解等。① 乙酰解：多糖的乙酰解反应是在由乙酸酐、乙酸和硫酸组成的混合液中加热进行的，在一定的糖苷键处裂解。研究表明，相同糖苷键在酸水解和乙酰解中的速度是不同的。乙酰解是酸水解的一种有用的补充，多糖可从这两种不同的方法中获得不同的片段，从不同的角度获得多糖的结构信息。甲醇解：多糖在80-100℃条件下与无水甲醇氯化氢反应能将多糖变成组成单糖的甲基糖苷，这些甲基糖苷能转化为三甲基硅醚衍生物或乙酰基衍生物，然后进行GC分析并与标准单糖对照，可得到组成多糖的各单糖的定量数据。⑵物理分析法 ①IR法：IR在多糖结构分析上主要是确定吡喃糖的苷键构型，以及常规观察其他官能团。一般主要观察730-960cm-1的范围，如对于α-吡喃糖，δC1-H在 845 cm-1，而β-吡喃糖，δC1-H在890cm-1有最大吸收峰。②MS、GC-MS：GC分析多糖虽受样品挥发性和热稳定性的限制，但GC-MS是多糖结构分析不可缺少的工具，特别是对水解单糖、甲基化单糖及甲基化寡糖的分析，而且能鉴别出糖的异构体。MS在多糖结构分析中不仅在鉴别各种甲基衍生物的碎片，确定各种单糖残基的连接位置时必不可少，而且由于FAB-MS、ESI-MS和 MALDI-MS等技术的出现，利用质谱还可以测定多糖的分子量及一级结构。③NMR：用NMR技术研究多糖结构的一个特点是不破坏样品，对多糖的结构特征可通过化学位移、偶合常数、积分面积、NOE及驰豫时间等参数来表达。一维、二维图谱 NMR在分析糖的构型、相互连接的位置及顺序等方面具有广阔的应用前景。2、分子量及分子量分布多糖具有分子大小不均一的特点，近年来发现这些生物大分子的某一分子量范围成分具有药理活性，而另一分子量范围的成分不具有药理活性或具有一定的毒副作用，因此分子量及其分布既是这类药物的有效性控制的指标又是安全性控制的指标，质量标准中制订该项检查十分必要，这也是近年来大分子聚合物药物质量标准发展的一个明显的特点。多糖分子量只是代表相似链长的平均配布，不同方法所测得的分子量不同，即使是同一多糖，其重均分子量与数均分子量也相差较大，通常采用凝胶色谱法控制这类药物的分子量及其分布，应经研究选用与供试品分子大小相适应的色谱柱填充剂；使用的流动相通常为水或缓冲液，其pH值不应超过填充剂的耐受范围，可加入适量的有机溶剂，但浓度不应超过30%，流速以 0.5-1.0ml/min为宜，因这类分子多无紫外吸收，一般采用示差折光检测器，选用对照品的分子量范围及颗粒形状应与供试品匹配，测定数据经适宜的GPC软件处理求得相关参数。3、含量测定一般来讲，多糖不含蛋白和氨基酸，蛋白或氨基酸检测应呈阴性或符合限度检查要求，如为糖蛋白或糖肽，应提供其证据，以保证产品不是多糖与蛋白的混合物；并提供其氨基酸构成及蛋白含量范围，以保证质量稳定可控。对从天然植物中得到的多糖，在结构研究中尤其对糖组成分析，确定其中是否含有糖醛酸残基具有很重要的意义。糖醛酸的含量测定目前较常用的是硫酸咔唑法，但容易受中性糖残基的干扰。为了消除测定的干扰，可先测定样品中中性糖的吸收度，然后从样品的吸收度减去中性糖的吸收度，即为样品中糖醛酸的吸收度值。间羟基联苯法也是一种常用的多糖中糖醛酸含量测定方法，该法较硫酸咔唑法受中性糖残基的干扰更小。多糖的含量测定可分为两大类：一类是直接测定多糖本身，如高效液相色谱法和酶法；另一类是利用组成多糖的单糖缩合反应而建立的方法，如苯酚-硫酸法、蒽酮-硫酸法等。前者需要多糖的纯品和特定的酶，后者测定时方法学干扰较大，现有的比色重现性差，受影响因素多。但由于目前国内的实验条件，多糖的含量仍然主要采用这种方法，其原理为：多糖在浓硫酸水合产生的高温下迅速水解，产生单糖，单糖在强酸条件下与苯酚反应生成橙色衍生物。在波长490nm左右处和一定浓度范围内，该衍生物的吸收值与单糖浓度呈线性关系，从而可用比色法测定其含量，所用的单糖对照品尽量采用与其多糖组成一致或为含量较高的单糖，这样测得的值较准确。需要强调的是，这种方法所测定的是总糖的含量而不是总多糖的含量，因此首先应测定样品中游离的单糖含量，然后将总糖的含量减去游离单糖的含量，即为总多糖的含量。另外还可以采用3，5-二硝基水杨酸比色法（DNS法），它是在碱性条件下显色，较准确测定还原糖与总糖的含量从而求出多糖的含量，可消除还原性杂质的干扰。

质量研究一般来讲，多糖的质量研究主要包括各组分的理化性质如溶解度、比旋度和粘度的测定，分子量及分子量分布的研究，平面和立体的化学结构分析，结构改造和结构修饰的研究，以及糖醛酸、蛋白质、单糖和多糖的含量测定等等。下面简单介绍多糖的结构、分子量及分子量分布以及含量测定等方面的研究进展。 1、结构分析目前在多糖一级结构的分析中大多采用化学方法与物理方法相结合,可基本阐明某一多糖的一级结构的大致特征。而目前用于多糖高级结构分析的方法主要是物理方法, 诸如 X-射线纤维衍射、核磁共振、电子衍射等。如上所述，多糖的一级结构本身就很复杂。由于多糖结构的微观不均一性, 或结构键中有缺陷, 或是分子量分散, 使多糖的一级结构分析难以得出完全正确的结构式。多糖结构的描述包括:①多糖的分子量范围；②多糖的单糖组分；③单糖的连接点类型；④单糖和糖苷键的构型；⑤重复单位。多糖的活性与其初级和高级结构密切相关,高级结构在活性方面比一级结构起更大作用。有些多糖一级结构相同, 但活性不同, 其原因是二级及三级结构不同。目前多糖的立体结构研究一般靠 2D-NMR及X-衍射法。除此之外, 多糖的活性还与分子量、溶解度、粘度等理化性质有关。在研究多糖的构效关系时, 常用到多糖的分子修饰, 对多糖进行化学修饰,如硫酸化、脱硫酸化、化学降解、酶降解、乙酰化、烷基化等等, 有助于深入探讨其构效关系。下面将简单介绍化学方法和物理分析方法。（1）化学方法测定多糖结构还是目前最常用的方法，测定的手段很多，其中经典而有效的是甲基化分析、高碘酸氧化和Smith降解、部分酸水解以及乙酰解和甲醇解等。 ①甲基化分析 甲基化分析是多糖也是寡糖结构分析的最有力的手段之一。它包括糖的所有自由羟基全部生成甲醚，接着通过水解释放出甲基化单糖，再经NaBH4还原成糖醇，进而乙酰化水解后生成的羟基，得到各种部分甲基化的糖醇乙酰衍生物，生成的产物用气相色谱进行定性和定量分析，可确定组成多糖的各单糖种类和比例，进而用气相色谱—质谱，结合标准谱图的分析，可得到各种部分甲基化单糖衍生物的归属，从而确定各单糖的连接位置，即糖苷键的位置。但甲基化分析还无法知道异头碳糖苷键构型及多糖中单糖残基的顺序信息， 所要注意的是对含有糖醛酸或氨基己糖残基的多糖比较难甲基化，而且有可能会产生二级产物，如糖醛酸残基能产生缩酮衍生物，N—乙酰基氨基己糖残基可产生N—甲基 -N-乙酰氨基己糖，对这些衍生物需要特殊分析技术才能鉴定。 ②过碘酸氧化及Smith降解 多糖的过碘酸氧化反应通常在pH3-5的水溶液中进行，用过碘酸盐为氧化剂，因双醛型的氧化产物在水中不稳定，因此需要在酸水解前用NaBH4将它们还原为醇，最后，通过水解产物的分析结果可获得多糖中单糖连接的类型是l→4，1→-6，1→2，还是各种连接兼而有之。 Smith降解实际上是一种改良的过碘酸氧化，它是将多糖过碘酸盐氧化，NaBH4还原后用弱酸部分水解 (通常在室温下用稀无机酸水解还原产物)，生成具有特征性的糖连接的重复单元，从而获得更多的结构信息。 ③部分酸水解这是多糖结构分析中一个很有用的技术，一是通过部分酸水解可以获得结构较为容易测定的短链片段，从而集零为整推断出多糖的结构。二是可以在特殊糖苷键处断裂，帮助整个结构分析。如呋喃环结构的单糖对酸不稳定，用弱酸水解 (就可以得到这些残基，再通过残基片段的分析可得到有用的结构数据。一个成功的例子是枸杞子糖蛋白中一条由阿拉伯糖和半乳糖组成的O—连接多糖，并从甲基化分析结构得知，该多糖的非还原末端均为呋喃环阿拉伯糖，通过部分酸水解并用纸层析跟踪检测，首先释放出Ara，到刚有Ga1释放时终止水解，通过水解前后两种多糖的甲基化分析结果比较，再结合其他方法测得的结果可推断出整个多糖的可能结构。 ④乙酰解和甲醇解 乙酰解：多糖的乙酰解反应是在由乙酸酐、乙酸和硫酸组成的混合液中加热进行的，在一定的糖苷键处裂解。研究表明，相同糖苷键在酸水解和乙酰解中的速度是不同的。乙酰解是酸水解的一种有用的补充，多糖可从这两种不同的方法中获得不同的片段，从不同的角度获得多糖的结构信息。甲醇解：多糖在80-100℃条件下与无水甲醇氯化氢反应能将多糖变成组成单糖的甲基糖苷，这些甲基糖苷能转化为三甲基硅醚衍生物或乙酰基衍生物，然后进行GC分析并与标准单糖对照，可得到组成多糖的各单糖的定量数据。（2）物理分析法 ①IR法：IR在多糖结构分析上主要是确定吡喃糖的苷键构型，以及常规观察其他官能团。一般主要观察730-960cm-1的范围，如对于α-吡喃糖，δC1-H在 845 cm-1，而β-吡喃糖，δC1-H在890cm-1有最大吸收峰。 ②MS、GC-MS：GC分析多糖虽受样品挥发性和热稳定性的限制，但GC-MS是多糖结构分析不可缺少的工具，特别是对水解单糖、甲基化单糖及甲基化寡糖的分析，而且能鉴别出糖的异构体。MS在多糖结构分析中不仅在鉴别各种甲基衍生物的碎片，确定各种单糖残基的连接位置时必不可少，而且由于FAB-MS、ESI-MS和 MALDI-MS等技术的出现，利用质谱还可以测定多糖的分子量及一级结构。 ③NMR：用NMR技术研究多糖结构的一个特点是不破坏样品，对多糖的结构特征可通过化学位移、偶合常数、积分面积、NOE及驰豫时间等参数来表达。一维、二维图谱 NMR在分析糖的构型、相互连接的位置及顺序等方面具有广阔的应用前景。 2、分子量及分子量分布多糖具有分子大小不均一的特点，近年来发现这些生物大分子的某一分子量范围成分具有药理活性，而另一分子量范围的成分不具有药理活性或具有一定的毒副作用，因此分子量及其分布既是这类药物的有效性控制的指标又是安全性控制的指标，质量标准中制订该项检查十分必要，这也是近年来大分子聚合物药物质量标准发展的一个明显的特点。多糖分子量只是代表相似链长的平均配布，不同方法所测得的分子量不同，即使是同一多糖，其重均分子量与数均分子量也相差较大，通常采用凝胶色谱法控制这类药物的分子量及其分布，应经研究选用与供试品分子大小相适应的色谱柱填充剂；使用的流动相通常为水或缓冲液，其pH值不应超过填充剂的耐受范围，可加入适量的有机溶剂，但浓度不应超过30%，流速以 0.5-1.0ml/min为宜，因这类分子多无紫外吸收，一般采用示差折光检测器，选用对照品的分子量范围及颗粒形状应与供试品匹配，测定数据经适宜的GPC软件处理求得相关参数。 3、含量测定一般来讲，多糖不含蛋白和氨基酸，蛋白或氨基酸检测应呈阴性或符合限度检查要求，如为糖蛋白或糖肽，应提供其证据，以保证产品不是多糖与蛋白的混合物；并提供其氨基酸构成及蛋白含量范围，以保证质量稳定可控。对从天然植物中得到的多糖, 在结构研究中尤其对糖组成分析, 确定其中是否含有糖醛酸残基具有很重要的意义。糖醛酸的含量测定目前较常用的是硫酸咔唑法，但容易受中性糖残基的干扰。为了消除测定的干扰，可先测定样品中中性糖的吸收度，然后从样品的吸收度减去中性糖的吸收度，即为样品中糖醛酸的吸收度值。间羟基联苯法也是一种常用的多糖中糖醛酸含量测定方法,该法较硫酸咔唑法受中性糖残基的干扰更小。多糖的含量测定可分为两大类： 一类是直接测定多糖本身, 如高效液相色谱法和酶法；另一类是利用组成多糖的单糖缩合反应而建立的方法，如苯酚-硫酸法、蒽酮-硫酸法等。前者需要多糖的纯品和特定的酶，后者测定时方法学干扰较大，现有的比色重现性差，受影响因素多。但由于目前国内的实验条件，多糖的含量仍然主要采用这种方法，其原理为：多糖在浓硫酸水合产生的高温下迅速水解，产生单糖，单糖在强酸条件下与苯酚反应生成橙色衍生物。在波长490nm左右处和一定浓度范围内，该衍生物的吸收值与单糖浓度呈线性关系，从而可用比色法测定其含量，所用的单糖对照品尽量采用与其多糖组成一致或为含量较高的单糖，这样测得的值较准确。需要强调的是，这种方法所测定的是总糖的含量而不是总多糖的含量，因此首先应测定样品中游离的单糖含量，然后将总糖的含量减去游离单糖的含量，即为总多糖的含量。另外还可以采用3，5-二硝基水杨酸比色法（DNS法），它是在碱性条件下显色，较准确测定还原糖与总糖的含量从而求出多糖的含量，可消除还原性杂质的干扰。