石油芳烃组分中未知化合物——三叔丁基苯基磷酸酯的高分辨质谱分析

张亚和，廖　晶，卢　鸿，任丽敏，郭绍辉，徐春明，史　权

(1.中国石油大学(北京)　理学院，北京　102249;2.中国石油大学(北京)　重质油国家重点实验室，北京　102249;3.中国科学院　广州地球化学研究所　有机地球化学国家重点实验室，广东　广州　510640)



石油芳烃组分中未知化合物
——三叔丁基苯基磷酸酯的高分辨质谱分析

张亚和1，2*，廖晶3，卢鸿3，任丽敏2，郭绍辉1，徐春明2，史权2

(1.中国石油大学(北京)理学院，北京102249;2.中国石油大学(北京)重质油国家重点实验室，北京102249;3.中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室，广东广州510640)

将大气压光电离(APPI)、电喷雾(ESI)、实时直接分析(DART)多种电离源和傅立叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR MS)联用对石油芳烃样品中的未知化合物进行研究。通过高分辨质谱的精确质量，结合碰撞诱导解离(CAD)技术，经分析并与文献标准物质谱图比对，推断未知物为三(2，4-二-叔丁基苯基)磷酸酯(TDTBPP)，并研究了其在不同大气压电离源中的电离特性。APPI谱图中主要为[M+H]+峰，同时存在M.+峰。ESI谱图中主要为[M+Na]+(不加甲酸)或[M+NH4]+峰(加甲酸)。DART谱图中主要为[M+NH4]+峰，而EI谱图中基峰为m/z57(叔丁基)，次强峰为[M-CH3]+峰。

三(2，4-二-叔丁基苯基)磷酸酯;大气压光电离(APPI);电喷雾(ESI);实时直接分析(DART);傅立叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR MS);芳烃

气相色谱-质谱技术(GC-MS)是有机地球化学生物标志化合物研究不可缺少的技术手段[1]，然而，该技术仅能对饱和烃和芳烃组分中的烃类化合物开展有效分析。非烃组分中化合物更多，近年来石油中杂原子化合物已开始应用于油气勘探研究，可为源岩与油气成因类型[2-7]、成熟度[7-8]、油气运移及硫酸盐热化学还原反应(TSR)[7，9]等方面提供重要的识别与评价信息。但非烃杂原子化合物极性大、沸点高，分离富集较困难[10]，传统色谱-质谱的分辨率低、电离选择性差，难以全面反映非烃化合物的分布面貌[11-12]。

新近发展起来的傅立叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR MS)具有非常高的分辨率和质量准确度，可从分子层次研究石油的化学组成，在非烃分子组成研究方面取得了重大进展，推动石油化学进入“石油组学”(Petroleomics)[13-15]研究的新时代。在石油组分相对分子质量范围(200～1 000 Da)内FT-ICR MS的分辨率高达几十万甚至上百万，可精确地确定由C，H，N，O，S及其主要同位素所组成的各种元素组合，真正从分子层次上研究石油分子组成。结合新型软电离技术，可以直接、高选择性地电离石油中的非烃杂原子化合物[16-18]。同时，FT-ICR MS可以直接提供分子组成信息，全程“监控”分离过程，监测目标化合物的走向与分布[12，19];可快速建立分离富集方法，发现新型生物标志化合物[12，19-22]，在有机地球化学理论研究和油气勘探实践方面具有重大的应用价值。

此前在江汉原油和源岩常规GC-MS研究中，发现1个未知化合物峰稳定出现在芳烃组分中，依据质谱图难以判断其化合物类型和结构。本文采用FT-ICR MS结合大气压光电离(APPI)、电喷雾(ESI)、实时直接分析(DART)电离源，对该未知化合物峰进行分析，通过精确分子量得到谱峰的分子式，采用碰撞活化解离(CAD)技术，隔离出母离子，逐级碰撞解离得到碎裂离子，经综合分析并与文献标准物质谱图比对，最终鉴定该化合物为三(2，4-二-叔丁基苯基)磷酸酯，并研究了其在不同电离源中的电离特性。

1　实验部分

1.1仪器与试剂

ApexUltra型傅立叶变换离子回旋共振质谱(美国Bruker公司)，磁场强度为9.4 T;配备ESI,DART,APPI电离源。甲苯、甲醇、二氯甲烷均为分析纯(北京化工厂)，重蒸后保存在磨砂广口瓶中备用。甲酸(纯度99%，Fluka公司)。

1.2样品制备

分析所用样品为江汉盆地某油井样品经四组分分离[23]得到的芳烃组分。气相色谱-质谱：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，负离子模式加入20 μL 28%氨水，正离子模式加入20 μL甲酸，超声振荡混合均匀后，进行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三重四极杆GC-MS联用仪分析石油芳烃。电离源为EI，70 eV;质量扫描范围为35～1 000;色谱柱为HP-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm)石英毛细柱;升温程序为：初始50 ℃保持1 min，以15 ℃/min升至100 ℃，然后以3 ℃/min升至300 ℃，保持15 min。进样口恒温300 ℃，不分流进样。

1.4FT-ICR MS分析

ESI FT-ICR MS主要仪器参数：极化电压3 500 V，毛细管入口电压4 000 V，毛细管出口电压320 V，四极杆Q1=250 Da，碰撞能量1.5 V，源累积时间0.01 s，碰撞池累积时间0.02 s，离子导入分析池飞行时间1.2 ms;采集质量范围200～1 000 Da，采样点数4 M，扫描次数64次，偏转电压-6 V，偏转补偿电压1.95 V，激发衰减12 dB，前板电压-1.10 V，后板电压-1.15 V。进样速度180 μL/h，干燥气温度200 ℃。

DART电离源：正离子模式，氮气作为载气，流速为2.5 L/min，加热温度为350 ℃，离子源出口与质谱进样接口的距离为3.5 cm。APPI电离源：正离子模式，雾化温度为350 ℃。

2　结果与讨论

2.1石油芳烃中未知物的GC-MS谱图

2.2正离子APPI FT-ICR MS谱图

对芳烃样品用正离子APPI FT-ICR MS进行分析，谱图如图2所示。由于APPI同时产生自由基离子和质子化离子，因此，可同时看到M.+和[M+H]+质谱峰，两者的质量误差均小于0.2 ppm，对应分子式分别为C42H63O4P和C42H64O4P，推断其为磷酸酯，GC-MS中m/z622应为其分子离子。但与稠环芳烃不同的是，APPI谱图中稠环芳烃一般主要为M.+;而该未知物主要为[M+H]+，M.+相对丰度较低。此外，正离子APPI FT-ICR MS可以检测到许多大分子(300+)稠环芳烃化合物，这是传统GC-MS无法气化检测的，揭示出芳烃的复杂程度远超传统GC-MS的结果[24]。该FT-ICR MS谱图中未检测到小于200的质量峰，这是由FT-ICR MS传输系统质量歧视作用造成的，通过调节离子传输参数，也可以分析小分子芳烃化合物。同时，还检测到m/z678分子离子对应的M.+和[M+H]+质谱峰C42H63O5P和C42H64O5P，但其丰度较低。

2.3正离子ESI FT-ICR MS谱图

进一步用ESI电离源进行验证，以负离子ESI FT-ICR MS对该样品进行直接进样分析，未检测到目标峰。采用正离子ESI FT-ICR MS进行分析，结果显示，在不加甲酸的情况下，谱图中基峰为m/z685.434 48，由同位素峰可知其带1个电荷，经高分辨质谱精确质量分析确定其分子式为C42H63O4PNa。在1 mL的0.2 mg·mL-1分析物中加入20 μL甲酸重新进行分析，所得谱图中基峰变为m/z680.479 21，同时发现存在m/z663.454 08峰，结合以上分析结果，推测该化合物的分子离子峰为662，m/z685.434 48，680.479 21，663.454 08分别为[M+Na]+，[M+NH4]+和[M+H]+峰。不加甲酸时，由于仪器经常做负离子样品添加氨水电离促进剂，管路为碱性环境，因此易产生[M+Na]+;加甲酸后，管路为中性环境，铵离子的存在也会导致产生[M+NH4]+。根据ESI电离机理，这些峰的存在均合理，其结果可以相互印证。还检测到m/z678分子离子对应的[M+H]+质谱峰C42H64O5P，但其丰度非常低。

为进一步确定该未知化合物的分子结构，采用碰撞诱导解离(CAD)技术对加甲酸条件下产物的[M+NH4]+在四极杆中进行母离子隔离，随后在碰撞池中用氩气碰撞，在不同碰撞电压(CV)下得到系列谱图。结果显示，在CV=6 V时，即可将[M+NH4]+大部分打碎，得到[M+H]+;进而在CV=12～40 V条件下，依次失去6个C4H8基团，得到相当稳定的m/z327.1 [M+H-C24H48]+离子，即[C18H15O4P+H]+，由此推测其母核结构为三苯基磷酸酯，推断未知化合物为三(2，4-二-叔丁基苯基)磷酸酯，结构式如图3所示。根据EI电离源谱图，该化合物在EI电离源中的分子离子为m/z662，脱去15(即CH3)产生稳定的m/z647 [M-CH3]+离子，依次失去56(即C4H8)得到相应碎片离子，基峰m/z57为叔丁基C4H9，m/z91为亚甲基苯，m/z147为亚甲基-叔丁基苯，m/z191为二叔丁基苯酚，每个碎片均得到合理解释。而且该结果和文献标准品结果完全一致[25]，因此，可以确定该未知化合物分子结构为三(2，4-二-叔丁基苯基)磷酸酯。有文献报道该化合物为抗氧剂Irgafos 168的氧化产物[25-26]，也有文献报道从黄荆(VitexnegundoL.)叶子中分离提取出该化合物[27-28]。如果该化合物来自石油而非污染物，有可能提供相关的母源生物或成岩反应信息，其具体来源有待进一步研究。

2.4正离子DART FT-ICR MS谱图

DART是近年快速发展起来的一种新型实时直接分析离子源，是一种热解析和离子化技术，尤其适合快速筛查。为考察三(2，4-二-叔丁基苯基)磷酸酯在DART电离源中的电离特性，并验证ESI的结果，对此芳烃样品进行了DART FT-ICR MS分析(图4)，发现其主要为[M+NH4]+质谱峰，也存在[M+H]+质谱峰，但丰度较低。有文献报道[29]，当铵离子存在时，DART电离源会产生[M+NH4]+，尤其是含有羰基的化合物及过氧化物，本研究发现磷酸酯类化合物也会产生[M+NH4]+。邻苯二甲酸酯类和硅氧化合物的本底较高。在CV=12 V时，[M+NH4]+质谱峰的CAD谱图结果与ESI相似，主要为[M+H]+质谱峰，同时产生[M+H-C4H8]+碎片峰。

3　结　论

采用APPI，ESI，DART多种离子源和FT-ICR MS对石油芳烃组分GC-MS谱图中的未知化合物谱峰进行研究，根据高分辨质谱的精确质量，结合碰撞活化解离(CAD)技术，推断未知物结构为三(2，4-二-叔丁基苯基)磷酸酯，分子式为C42H63O4P，EI谱图与文献标准品谱图完全吻合。此外，还研究了其在不同大气压电离源中的电离特性，各电离源各有特点，结果相互支撑。APPI可同时电离芳烃类化合物，磷酸酯在谱图中主要为[M+H]+，同时存在M.+;ESI谱图中主要为[M+Na]+(不加甲酸)或[M+NH4]+(加甲酸);DART谱图中主要为[M+NH4]+。如果该化合物确实来自石油，有望为其提供相关的母源生物或成岩反应信息。

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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

中国博士后科学基金(2015M571226);国家自然科学基金青年科学基金(41503032);国家自然科学基金(21236009,21376262)

张亚和，博士，研究方向：石油化学、质谱分析，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