超高速二维气相色谱技术结合反向柱组合，用于增强石化样品中甾烷生物标志物的分离效果

《Journal of Chromatography A》：Hyper speed Comprehensive Two-Dimensional Gas Chromatography with Reversed Column Set for Enhanced Separation of Sterane Biomarkers in Petrochemical Samples

本研究采用反相柱集成的二维气相色谱-飞行时间质谱联用技术，优化了温度程序，显著缩短了石油饱和烃中甾烷类生物标志物的分析时间至30.71分钟（传统方法81分钟），分辨率超过1.5，且符合超高速标准，提升了复杂样品高通量分析效率。

　　

埃伦·J.M.P. 卡姆波斯（Ellen J.M.P. Campos）| 卡琳·冯·穆伦（Carin von Muhlen）| 罗德里戈·S. 特谢拉（Rodrigo S. Teixeira）| 苏珊娜·M. 纳西门托（Suzane M. Nascimento）| 卡洛斯·阿尔贝托·卡博内齐（Carlos Alberto Carbonezi）

里约热内卢州立大学化学与环境系，巴西雷森德（Resende），RJ 27537-000

摘要

背景

甾烷和烷基甾烷是石油地球化学中广泛使用的关键分子生物标志物，用于阐明石油来源、关联石油系统、表征沉积环境、评估热成熟度以及确定生物降解的程度。然而，它们的结构相似性给分析带来了重大挑战，尤其是在复杂石油化学基质中的色谱分离和共洗脱方面。传统的气相色谱（GC）×气相色谱（GC）方法在分离这些目标分析物时效率有限。因此，本研究旨在探索一种更高效、高通量的分析策略，以分离和检测甾烷生物标志物。

结果

开发了一种超高速二维气相色谱方法（GC × GC/TOFMS），采用反向柱配置，并与传统柱配置进行了系统比较。反向配置改善了峰形，提高了检测灵敏度，常规甾烷和烷基甾烷（包括甲基甾烷）的色谱分离度超过R > 1.5。分离过程仅需30.71分钟，平均理论峰时间（ATPT）为每峰47.16毫秒，符合超高速标准。该配置显著提升了分析性能，将分离时间缩短至传统方法的一半以下，无论是对于目标生物标志物的定性还是定量分析，还是对于复杂石油化学基质中的共洗脱化合物。

意义

在GC × GC/TOFMS系统中采用反向柱配置，显著提高了甾烷类生物标志物的分析分辨率、速度和灵敏度。超高速分类证实了该方法在高通量应用中的潜力，同时不牺牲色谱效率。这些发现推动了石油生物标志物分析的发展，特别是在需要快速、可靠地分析复杂样品中的地球化学特征的情况下。

引言

原油分析面临诸多挑战，因其成分极其复杂且不均匀，包含数千种具有不同分子量、极性和其他物理化学性质的化合物[1]。其中，饱和烃组分尤为重要，因为它含有甾烷和藿烷等关键生物标志物[2]。这些化合物在石油化学表征、地质评估和环境研究中至关重要。准确鉴定和量化常规甾烷有助于了解石油的来源、热成熟度和质量，同时也有助于优化炼制和加工策略[3]。

二维气相色谱（GC × GC）是一种公认的复杂混合物分离技术，具有出色的分离能力、更高的灵敏度和详细的化学表征能力[1,4]。

传统的GC × GC柱配置通常使用非极性的一维柱与极性的二维柱组合，其中一维柱长度一般为30米，在各种应用中表现出良好性能。对于原油分析，由于GC × GC色谱图中的有序排列，可以轻松区分不同类型的组分[5]。然而，传统方法往往需要较长的分析时间，这降低了其吸引力。近期研究致力于在保持分离质量的同时缩短分析时间。在传统GC × GC中，缩短分析时间常常会导致共洗脱和分辨率下降。因此，快速GC × GC逐渐受到重视，它使用更短的柱子、更小的内径和更薄的固定相薄膜来实现快速分离[6,7]。

尽管快速GC × GC具有优势，但在分析饱和烃组分时仍存在局限性。不理想的峰形以及检测和分离常规甾烷的困难影响了分析的准确性和可靠性。为解决这些问题，提出了反向柱配置，即极性的一维柱与非极性的二维柱相结合[8],[9],[10]。

在传统柱配置中，最大分离温度受到柱子热稳定性的限制，其中主柱通常是限制因素。在GC × GC分离中，当化合物在超过260-280°C的温度下洗脱时，这一限制尤为明显，从而大大限制了固定相组合的选择[7]。反向柱配置的优势在于允许高分子量化合物在柱子的热极限内洗脱。本研究的目的是开发并优化一种用于原油样品的快速反向GC × GC/TOFMS方法，重点关注甾烷和烷基甾烷。研究还采用了平均理论峰时间（ATPT）指标来优化方法并评估色谱效率。通过比较传统配置和快速反向配置，本文旨在展示这些配置的潜力，并提升复杂石油化学样品的详细分析能力。

样本

CENPES/巴西石油公司（Petrobras）提供了两种具有不同特性的原油样本用于分析。使用样本A进行了反向柱优化，而样本B用于方法比较。样本A中的二甾烷和C₂₇甾烷浓度较高，尤其是C₂₇ αααS甾烷占主导地位，烷基甾烷的含量也较高。相比之下，样本B中的二甾烷浓度较低，但C₂₇甾烷浓度较高

反向柱配置的温度程序优化

样本A用于方法开发，样本B用于方法评估。图1显示了使用传统柱配置（方法1）和本文测试的反向柱配置得到的原油饱和烃组分色谱图（关注甾烷区域（m/z 217和218）的颜色图。甾烷区域通常难以分离，因为这些化合物的洗脱时间较短

结论

本研究采用反向相柱配置进行GC × GC-TOFMS分析，显著缩短了分析时间，从传统配置的81分钟缩短至30.71分钟，同时保持了高分析性能。平均理论峰时间（ATPT）表明两种分离方法都属于超高速分离。色谱参数（包括分辨率和选择性）证实了该方法的有效性

CRediT作者贡献声明

埃伦·J.M.P. 卡姆波斯（Ellen J.M.P. Campos）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、软件开发、方法学设计、数据整理、概念构建。卡琳·冯·穆伦（Carin von Muhlen）：撰写 – 审稿与编辑、验证、项目监督、方法学设计、资金获取。罗德里戈·S. 特谢拉（Rodrigo S. Teixeira）：撰写 – 审稿与编辑、验证、数据分析、概念构建。苏珊娜·M. 纳西门托（Suzane M. Nascimento）：方法学设计、数据分析。卡洛斯·阿尔贝托·卡博内齐（Carlos Alberto Carbonezi）：撰写 – 审稿与编辑