质谱仪-Mass 如何在复杂的石油化学品中快速找到生物标志Biomarker
如何在复杂的石油化学品中快速找到生物标志Biomarker
生物标志物 (Biomarker)是由碳、氢和其他元素（如氧、氮和硫）组成的复杂有机物，它们存于原油、沥青、沉积岩中，常见的生物标志物有鲸鲨烷（pristane）、三萜烷（triterpanes)、甾烷（steranes）和卟啉（porphyrin），检测石油中的生物标志物有助于确定石油来源以及了解石油的质量。由于石油是由许多不同的碳氢化合物组成，生物标志物是存于石油样品中具有特定结构的碳氢化合物，因此，分析石油样品中的生物标志物是十分困难的技术。本文中，我们将介绍日本电子的GCxGC系统、 PI 游离源和高解析飞行时间质谱仪，并展示此系统如何分析复杂的石油样品，并鉴定出在碳氢化合物中的生物标志物。
GCxGC分离系统
GCxGC热调节器置于两个毛细管柱之间，样品从第一只管柱洗脱出来会被「冷射流气体」凝集，随后会被「热射流气体」释放进入第二只管柱。热射流气体以每隔5-10秒会喷射出热空气约300-400毫秒，因此释放的样品每隔一段时间会进入第二只管柱，将第一次co-elute的化合物分开，得到一张二维层析图，其分离概念如图1所示。
▲图1 GCxGC分离概念图(第一支管柱未分开的化合物再经第二支管柱分析)
▲图1 GCxGC分离概念图(第一支管柱未分开的化合物再经第二支管柱分析)
业界首创的软性游离源-Photoionization Source（PI）
日本电子（JEOL）的GC-TOF不仅有软性游离源CI，还提供场电离（FI）和光电离（PI）作为游离方法的其他选择，PI光源是辐射波长115到400 nm的氘灯，较小波长（115 nm）的能量为10.8 eV，这与一般有机化合物的较低游离能（~10 eV）非常相近，因此，PI适合分析这类型的化合物，PI离子源原理图2如所示。JEOL的EI/PI复合离子源，可以在不破真空的情况下互相切换，使用El时，只要打开El的灯丝即可，使用PI只需关闭El灯丝并打开氘灯，十分方便。相较之下，GC-MS常搭配的EI是一种硬性游离源，它的高能电子会使分析物产生许多碎片离子，使得El图谱通常看不到分子离子或讯号微弱，这会使我们难以从图谱推测化合物元素组成。
▲图2 光游离源Photoionization Source, PI示意图
▲图2 光游离源Photoionization Source, PI示意图
飞行时间质量分析器
JEOL的TOF-MS为垂直加速飞行时间质谱仪（Orthogonal Accelerating TOF），工作流程为化合物从管柱分离后先被离子化，然后将离子转移到TOF，接着使用反射器反射离子且以垂直加速离子转移方向。使用TOF作为GC-MS检测器存在一些挑战，尤其当氦气作为GC的载流气体，与进样的化合物相比，氦气体积相对较大，在El游离源中，氦气跟样品都被游离化并一起转移到分析器中，这些大量的氦离子会降低质谱仪的分辨率，除此之外，这些氦离子也会导致检测器组件（微信道板）快速劣化。日本电子（JEOL）的GC-TOF-MS经过创新设计，可以成功去除99.9%以上的氦离子，使样品的离子传输效率较大化以提升灵敏度，也能够使侦测器的寿命更长，JEOL AccuTOF™ GCx的离子源，离子转移系统和离子光学系统如图3所示。
▲图3 离子源,离子转移系统和离子光学系统
▲图3 离子源,离子转移系统和离子光学系统
结果
本文利用二维GC搭配EI/PI游离源和TOFMS分析石油样品中的生物标志物，图4为胆甾烷（Cholestane）和金刚烷（Adamantane）的PI质谱图，两者都是典型的生物标志物，PI有效的检测生物标志物的分子离子。图5和图6为GCxGC / PI分析石油分馏产物的2D总离子层析图，两个样品都有烷烃（CnH2n+2）、环烷烃（CnH2n+1）和其他经二次分离的碳氢化合物，这些化合物鉴定为CnH2n-4，CnH2n-6和CnH2n-8，其不饱和度高于烷烃和环烷烃。此外，以GCxGC一样的层析条件搭配EI游离源分析样品A和B，根据El数据库结果，石油分馏A主要含有胆甾烷的多环饱和烃，石油分馏B主要含有金刚烷饱和环烃。
▲图4 胆甾烷(Cholestane)和金刚烷(Adamantane)的PI质谱图
▲图4 胆甾烷(Cholestane)和金刚烷(Adamantane)的PI质谱图
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| ▲图5 GCxGC-PI游离源分析石油分馏A样品总离子层析图 | ▲图6 GCxGC-PI游离源分析石油分馏B样品总离子层析图 |
图7和图8为六种典型生物标志物的分子离子2D EIC图，在样品A鉴定出18-Norabietane、Cholestane和Hopane，样品B鉴定出 Adamantane、Iceane和Diamantane，图9和图10为CnH2n-4，CnH2n-6和CnH2n-8这三类化合物的2D EIC图，这三个系列和生物标志物为相似化合物，由此结果可知生物标志物和类似化合物都存于石油分馏样品中，PI游离源可产生生物标志物的分子离子，透过GCXGC高效分离能力搭配PI软性游离源和高解析TOFMS，使生物标志物在复杂样品中辨认身份变得更加容易。
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| ▲图7 GCxGC-PI游离源分析石油分馏A样品的EIC图， 18-Norabietane、Cholestane和Hopane为样品A生物标志物 |
▲图8 GCxGC-PI游离源分析石油分馏B样品的EIC图， Adamantane、Iceane和Diamantane为样品B生物标志物 |
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| ▲图9 GCxGC-PI游离源分析石油分馏A样品的EIC图， 由上而下的顺序为CnH2n-4，CnH2n-6和CnH2n-8 |
▲图10 GCxGC-PI游离源分析石油分馏B样品的EIC图， 由上而下的顺序为CnH2n-4，CnH2n-6和CnH2n-8 |
结论
GCXGC是一种先进的分离技术，比传统一维GC的分离能力高出许多，为了实现GCXGC这种高分离能力获得的数据质量，搭配高解析TOFMS和EI/PI复合游离源有助于分析复杂基质的样品，如本文中的生物标志物，透过业界唯一开发的PI游离源，可得知化合物分子离子，使定性变得简单。
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