基于布朗斯特碱改性硅胶的柱液相色谱多元优化及其在石油与岩石提取物中饱和烃、芳香烃与酸性生物标志物分离的应用研究

《Journal of Chemometrics》：Multivariate Optimization of Column Liquid Chromatography for the Separation of Saturated, Aromatic, and Acidic Biomarkers in Petroleum and Rock Extracts

本文综述了采用布朗斯特碱（Br?nsted base）改性硅胶的柱液相色谱（CLC）技术，通过多元优化策略（如中心复合设计，CCD），高效分离石油及岩石提取物中的饱和烃、芳香烃和羧酸类生物标志物。研究揭示了洗脱剂体积与碱金属类型（KOH > NaOH）对分离效率（SE）的关键影响，证实该方法在节省时间与耗材的同时，不影响分子地球化学参数，为有机地球化学常规分析提供了可靠新途径。

　　

引言

沥青质是由数千种单一组分构成的复杂混合物。为了对其进行详细准确的分析，需通过色谱分离技术将其按极性范围简化为不同化合物类别。经典液相色谱（CLC）利用硅胶或氧化铝等固体载体（固定相），通过不同极性洗脱剂的相互作用实现分离。传统地球化学研究主要聚焦于中性生物标志物（饱和烃与芳香烃），因其易于通过气相色谱-质谱联用（GC–MS）分析，并能提供有机质来源、热演化程度、沉积环境、氧化还原条件等信息。尽管羧酸在石油中平均仅占0%–3%，但其腐蚀性对工业设备构成威胁，同时作为生物标志物可补充古环境与生物降解信息。然而，因浓度低且与其他高浓度组分共存，羧酸的分离与表征仍面临挑战。

材料与方法

分离效率（SE）计算采用响应面法（RSM）中的面心中心复合设计（FCCCD），优化变量包括碱改性比例（X₁）、洗脱剂1（正己烷）体积（X₂）和碱类型（X₃）。SE基于饱和烃与芳香烃关键生物标志物（如甾烷m/z 217、五环三萜烷m/z 191、单芳甾烷m/z 253、芳基异戊二烯m/z 133+134）的峰面积比值评估。岩石样品经索氏提取后，采用氢氧化钠（NaOH）或氢氧化钾（KOH）在异丙醇中改性硅胶，制备SiO₂/NaOH或SiO₂/KOH固定相。色谱柱填充后，样品经二氯甲烷溶解并负载于改性硅胶，依次用正己烷（饱和烃）、正己烷/乙酸乙酯（12%，芳香烃）和乙醚/甲酸（98:2，羧酸）洗脱。酸性组分需经BSTFA衍生化后通过GC–MS分析。固定相的元素组成通过X射线荧光（XRF）表征。

结果与讨论

实验设计通过22次随机试验（含中心点重复）显示，洗脱剂体积（X₂）和碱类型（X₃）对SE影响显著（p < 0.001），且SiO₂/KOH相表现出更强的抗洗脱剂体积干扰能力。模型R²为0.92，调整后R²为0.83，但预测R²较低（0.45），反映地质样品复杂性带来的变异性。响应面表明，钾改性硅胶在SE上优于钠改性（K > Na）。代表性色谱图证实了三类生物标志物的有效分离。方法验证中，5β-胆烷标准品回收率分别为SiO₂/NaOH 94±17%和SiO₂/KOH 88±14%，分子参数与文献数据一致，证明方法准确性。 robustness测试显示，即使样品量增至30 mg，钾改性相仍保持稳定SE。XRF分析证实钾成功负载于硅胶（约41,000 ppm），且洗脱剂未引起钾元素显著流失，表明固定相化学稳定性良好。

结论

本研究通过多元优化确立了布朗斯特碱改性硅胶在分离饱和烃、芳香烃及羧酸生物标志物中的有效性。钾改性硅胶（SiO₂/KOH）在减少洗脱剂依赖性和抗样品量干扰方面表现优异，且不影响地球化学参数解读。该方法为分子有机地球化学提供了一种经济、高效的同步分馏策略，适用于石油与岩石提取物的常规分析。