一种用于沥青SARA组分分离的自动化高效液相色谱（HPLC）方法：操作评估及与ASTM D4124标准的比较

《ACS Omega》：An Automated HPLC Method for SARA Fractionation of Asphalts: Operational Assessment and Comparison with ASTM D4124

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沥青和其他重质石油衍生材料的组成通常被分为四个部分：饱和烃、芳香烃、树脂和沥青质（SARA），这些部分具有不同的极性和溶解度。使用色谱方法分离和量化这些部分可以提供关于胶体稳定性、化学反应性和加工行为的重要信息。然而，SARA部分的测量分布本质上取决于所采用的分析程序。基于开放柱液相色谱分离，ASTM D4124仍然是最广泛应用的标准，尽管它耗时、需要大量溶剂且依赖于操作员。尽管已经提出了许多基于HPLC的替代方法，但由于方法学上的变异性以及缺乏在不同分离方案之间解释结果的明确框架，尤其是在富含芳香烃、树脂和沥青质的沥青系统中，这些替代方法的广泛应用受到了限制。本研究提出了一种自动化的HPLC分离流程，用于SARA的分馏，并将其与ASTM D4124进行了系统比较。该研究强调了HPLC实施的实际方面，包括影响实验室间重现性和可转移性的关键方法步骤。对ASTM分离出的部分和选定的模型化合物的额外分析提供了关于HPLC和ASTM衍生SARA组成之间系统差异的见解。这些差异是由于不同的分离机制和操作切割点造成的，而不是由于分析不准确。这反映了在分子极性连续分布的材料中，SARA分类本质上依赖于方法的特性。通过阐明这些差异的方法学和概念基础，本研究为HPLC-SARA数据的解释提供了实际指导，并支持更一致和可转移的沥青表征方法。

**引言**
沥青和其他重质石油衍生材料的组成通常根据极性和溶解度的不同被分为四个部分：饱和烃、芳香烃、树脂和沥青质（SARA）。这些部分的相对丰度提供了关于胶体稳定性、化学反应性、兼容性和加工行为的宝贵信息，这种分类在炼油操作、重油升级和沥青表征中经常被使用。(1?3) 可以使用不同的分析方法将沥青分离成这些部分。大多数方法的概念来源于Corbett最初提出的程序，(4) 基于极性逐渐增加的色谱柱和溶剂。ASTM D4124标准（《将沥青分离成四个部分的标准测试方法》）是最广泛应用的参考方法。在该协议中，SARA部分的重量测定首先是对麦兰烃和沥青质的初步分离。将较轻的成分溶解在正庚烷（nC7）中后，根据ASTM D6560和ASTM D3279的方法通过过滤分离沥青质。这一步骤已经很耗时，并且需要大量的溶剂，这些溶剂最终必须作为废物处理。然后对麦兰烃部分进行第二次分离以获得其他三个子部分。这是使用活性氧化铝进行液相色谱分离的，通常涉及较大的柱尺寸和较低的自动化程度。因此，这部分程序特别漫长且溶剂消耗量大。最后，为了重量测定分离出的部分，必须从每个子部分中完全去除溶剂，这进一步增加了协议的劳动强度。尽管ASTM D4124在时间、溶剂消耗和操作员努力方面要求较高，但它提供了可以单独进一步分析的分离部分的定量回收。当只需要四个部分的相对分布时，可以考虑其他方法。傅里叶变换红外光谱（FTIR）已被探索作为一种快速的间接方法。Weigel和Stephan报告了FTIR与各种物理和化学参数之间的相关性。(5) 在这些化学参数中，他们包括了SARA部分，并得出结论，FTIR光谱可以用来描述沥青质和麦兰烃的含量，但由于其“高度结构相似性”，不能描述麦兰烃子部分。相比之下，Li等人开发了一个模型，直接从红外光谱评估所有SARA部分的含量，并用薄层色谱-火焰离子化检测（TLC-FID）的数据校准了该方法。(6) 在色谱替代方法中，TLC-FID和高性能液相色谱（HPLC）与开放柱方法相比，能够减少溶剂消耗并提高自动化程度。TLC-FID在Iatroscan系统下商业化，并得到了石油研究所的认可，标准编号为IP 469/01（《通过薄层色谱和火焰离子化检测确定石油产品中的饱和烃、芳香烃和极性化合物》)，已被多个研究小组使用。(7?12) 然而，TLC-FID的样品制备耗时，需要多种溶剂，并且需要操作员持续关注以确保可接受的重复性。此外，学术界和道路建设行业都提出了许多担忧，因为FID检测器的响应取决于组分的类型，且重复性较差。特别是，火焰离子化检测器的响应倾向于低估树脂和沥青质，因为它们的可燃性较低，而高度极性或强吸附的物种可能留在进样点附近而无法被检测到。(13?15) 基于HPLC的SARA方法可以使用市售的柱子、阀门和检测器来实现。然而，不存在普遍标准化的配置，自20世纪70年代以来，许多研究小组提出了具体的设置，这些设置在固定相、柱子排列、流动相和操作条件方面有所不同。(14,16?46) 尽管实验设置、使用的柱子数量和类型、固定相和流动相存在很大差异，但所提出的方法仍然有几个共同特点：(1) 第一个流动相是烷烃，饱和烃是首先到达检测器的组分，因为它们不会在任何柱子中被保留；(2) 芳香烃的保留时间可能比饱和烃长，或者被吸附在柱子上，然后通过其他溶剂选择性地洗脱；(3) 树脂与固定相的相互作用最强，通常在第一个柱子中通过反冲洗模式释放。

最近的研究还集中在两个重要方面。首先，使用蒸发光散射检测器（ELS）比其他检测器（如紫外-可见光（UV–vis）光谱和折射率）提高了定量可靠性。其次，可以通过将沥青样品溶解在极性溶剂中并将其注入HPLC系统来避免耗时的沥青质预分离，在那里与烷烃流动相的混合会诱导其沉淀。这具有缩短整个程序和几乎完全自动化方法的双重优势。最近的代表性配置包括Karevan等人(40,41)和Kheirollahi等人(42)描述的多柱系统，它们使用三个串联的柱子：聚四氟乙烯（PTFE）、氰化物和硅胶。第一个柱子作为机械过滤器，阻挡沥青质，而第二个和第三个柱子分别通过吸附机制保留树脂和芳香烃。然后用甲苯分别洗涤这三个柱子，以溶解和去除沉淀的沥青质，并解吸树脂和芳香烃。Boysen等人(43)使用四个串联的柱子：PTFE、玻璃珠、氨基丙基功能化硅胶和活性硅胶。沥青质从PTFE中回收，树脂通过反冲洗氨基丙基柱和玻璃珠柱回收。最后，芳香烃从硅胶柱中回收（溶剂极性的逐渐增加使得沥青质和芳香烃都可以分成三个不同的子部分）。在最近的一项工作中，Atwah等人简单地通过放置在两个氰化物和硅胶柱之前的硅胶保护柱过滤掉了沥青质。(46) 饱和烃和芳香烃用正戊烷（nC5）在正常流速下洗脱，涉及所有柱子，然后三个柱子分别用nC5/二氯甲烷（DCM）和异丙醇/DCM/甲醇（MeOH）反冲洗以洗脱树脂和沥青质。

尽管在结构细节和分析时间上有所不同，这些方法展示了HPLC-SARA的灵活性以及缺乏单一标准化分离逻辑。值得强调的是，固定相和流动相的差异可能导致色谱方法得到的SARA分布存在系统差异。操作条件（如温度、压力、溶剂梯度的使用）和操作切割点的选择也是如此。这是由于沥青非常复杂的组成造成的，其中许多分子的行为可能处于两个部分之间的临界状态。上述条件的变化可能会使一个分子从一个部分转移到另一个部分。换句话说，它们本质上重叠的组成分布导致在不同分离方法比较时SARA部分的量化存在系统差异。因此，本工作的目标是批判性地评估并实现一种自动化的HPLC流程，用于沥青材料中SARA的测定，特别关注方法学的稳健性、溶剂管理和实际的可转移性。该方法应用于几种渗透等级的粘合剂，并与ASTM D4124进行了系统比较。除了分析性能指标外，本研究还旨在阐明HPLC和ASTM衍生SARA组成之间系统差异的来源。通过分析ASTM分离出的部分和选定的模型化合物，详细检查了分离机制和操作切割点的作用。通过为实验室实施提供实际指导，并为解释跨方法差异提供概念框架，本研究支持更一致和有根据地使用HPLC-SARA进行沥青表征。

**材料与方法**
所有溶剂（nC7、甲苯、DCM、MeOH）均为HPLC级，由Merck Life Science购买并按原样使用。氧化铝（Clearnet Alumina N，AL1000N，100–200目，来自Agela Technologies）在马弗炉中以425°C加热16小时进行活化。平均粒径为675 μm的PTFE粉末由Merck Life Science购买并按原样使用。十六烷、5-α-胆甾烷、1-苯基十二烷、芘、苯并[a]芘、9-蒽甲醇、1,10-菲和蒽醌也由Merck Life Science购买并按原样使用。

**沥青**
选择了四种渗透等级的沥青粘合剂，以代表道路建设中常用的常规铺路等级。表1总结了它们的主要物理性质，包括25°C下的渗透度、软化点（环球法）和性能等级（PG）分类。所选的粘合剂具有不同的稠度和热性能等级，从而使HPLC-SARA方法能够在具有不同胶体结构和组成平衡的材料上进行评估。渗透值根据ASTM D5确定，软化点根据ASTM D36确定，PG分类根据AASHTO M320确定。这些参数为比较粘合剂的硬度和温度敏感性提供了常规框架，从而有助于解释SARA分布与宏观性能特性之间可能的关系。

**表1. 研究的沥青粘合剂的物理性质：渗透度（25°C）、软化点（环球法）和PG分类**
| 防护剂 | 渗透度（25°C）[dmm] | 软化点 [°C] | PG |
|-------|------------|-----------|-------|
| 35–50 | 45 | 3.17 | 0–22 |
| 50–70 | 49.6 | 5–16 | |
| 65–100 | 89 | 4.5 | 16–22 |
| 70–100 | 89 | 45.25 | 16–22 |
| 172 | 35.3 | 6–28 | |

**LC法（ASTM D4124）确定的SARA部分**
SARA部分的确定遵循上述ASTM D4124标准。通过用nC7（150 mL）在40°C下处理沥青样品（约2.0 g）并持续搅拌2小时去除不溶性沥青质后，使用填充有活性氧化铝的玻璃柱（70 cm长，内径1.5 cm）将麦兰烃分离成饱和烃、芳香烃和树脂。固定相通过流过nC7进行准确预润湿。称量的麦兰烃样品（约1 g）溶解在10 mL的nC7中并加入柱顶。然后用nC7（150 mL）洗脱饱和烃，接着用甲苯（33 mL）洗脱；芳香烃用甲苯（67 mL）洗脱，然后用MeOH/toluene 50/50 v/v（75 mL）洗脱，树脂用DCM（150 mL）洗脱。收集的溶液在真空下干燥以去除溶剂，然后分别称量三个部分。引入了两个与ASTM程序不同的地方。首先，不是使用泵将溶剂从柱底循环到柱顶，而是利用少量氮气的过压使溶剂逆向流动。其次，沥青质的去除在40°C下进行，而不是在nC7的沸点下进行，从而与HPLC oven的操作温度相匹配。这种调整确保了ASTM和HPLC程序中沥青质沉淀条件的可比性。**SARA组分的高效液相色谱（HPLC）分析**

所使用的设备是Jasco公司生产的装置，包括以下组件：Jasco AS4050自动进样器、Jasco BS-4000–1样品架、Jasco PU-4180四元梯度泵、五个6位Jasco HV-4380切换阀、Jasco CO-4065柱温箱、Jasco UV-4070紫外-可见光（UV–vis）检测器以及SEDERE公司的SEDEX 85 LT-ELS检测器。ELS检测器设置在35°C和3.3巴的氮气流量下。共使用了三根色谱柱，这些色谱柱通过恒温控制保持在40°C：一根内径50毫米、长度7.8毫米的不锈钢柱，内部填充了聚四氟乙烯（PTFE），用作机械过滤器；另外两根是氰基键合硅胶柱（HyperClone 5微米，孔径120埃，长度250毫米、直径4.6毫米）和氨基丙基键合硅胶柱（Luna 5微米，孔径100埃，长度250毫米、直径4.6毫米），均由Phenomenex公司提供，分别称为氰基柱和氨基柱。

大约1克的沥青在室温下溶解于20毫升的二氯甲烷（DCM）中。溶液用刮刀轻轻搅拌几分钟，然后放置过夜以确保所有沥青成分完全溶解。取少量溶液进一步稀释至4毫克/毫升的浓度，随后将10微升溶液在1.0毫升/分钟的流速下注入系统。整个过程通过程序化控制阀门切换、流动相选择和UV–vis检测器的波长来实现自动化。阀门/色谱柱的连接方式如图1所示，表2总结了各步骤的切换时间和UV–vis检测器的波长。在第一步中，以nC7作为流动相，样品依次流经PTFE柱、氰基柱和氨基柱。在此过程中，沥青质会沉淀并滞留在PTFE柱中。沥青质的沉淀程度取决于nC7降低二氯甲烷溶液极性的能力。由于nC7/DCM的比例非常高，可以认为非溶剂起到了完全沉淀的作用。去除沥青质后，树脂被吸附在氰基柱上；芳香族化合物则滞留在氨基柱上，只有饱和烃类能够到达检测器。

在第二步中，流动相切换为DCM/甲醇（DCM/MeOH）98/2混合物，并采用3分钟的梯度变化，使树脂以反冲洗方式从氰基柱中洗脱出来。第三步中，DCM/MeOH 98/2混合物以正向模式从氨基柱中洗脱芳香族化合物；第四步则从PTFE柱中洗脱沥青质。最后，在第五至第七步中，使用nC7进行16分钟的冲洗步骤，为下一次样品分析准备色谱柱。所有步骤的持续时间是通过系统优化确定的。首先单独测试每根色谱柱的性能，保留时间定义为检测器信号不再出现的时刻。类似地，第五至第七步确保所有色谱柱和管线中的nC7得到充分恢复。整个方法的数据采集时间为29分钟，再加上16分钟的色谱柱再生时间，每次分析总共需要45分钟。由于流速始终保持在1毫升/分钟，因此总溶剂消耗量为45毫升。UV–vis检测器的记录波长根据洗脱组分的不同而设置为254纳米、350纳米或500纳米：通常使用254纳米波长检测单环芳香族化合物；随着环数的增加，最佳波长会向可见光范围偏移。

所选波长并非通过优化研究确定的，因为UV–vis光谱并未用于定量分析，而只是为了检测芳香族化合物的存在。此外，在实验设置过程中，UV–vis检测器非常有用，因为它帮助收集了大量数据以评估和优化上述各步骤的持续时间。因此，定量分析并非必需，只需检测洗脱物的存在即可。因此，除了饱和烃类外，收集UV–vis光谱数据避免了使用需要大量氮气的ELS检测器。

**图1**
(a) 色谱柱设置和ELS检测器输出；(b) 阀门切换设置及仪器整体结构。V1、V2、V3、V4、V5 = 切换阀（绿色 = 开启；红色 = 关闭），PTFE = 机械过滤器，氰基柱和氨基柱 = HPLC色谱柱，UV–vis和ELS = 检测器。

**表2. 各步骤的阀门切换设置、流动相及UV–vis检测器波长**
| 步骤 | 流动相 | V1 | V2 | V3 | V4 | V5 | 时间（分钟） | UV–vis（纳米） |
|------|------|-----|-----|-----|------|---------|---------|
| 1 | nC7 | 开 | 关 | 开 | 开 | 开 | 0–10 | 254 |
| 2 | DCM/MeOH 98/2 | 关 | 开 | 关 | 关 | 10–20 | 350 |
| 3 | DCM/MeOH 98/2 | 开 | 关 | 开 | 关 | 20–26 | 254 |
| 4 | DCM/MeOH 98/2 | 开 | 开 | 开 | 开 | 26–29 | 500 |
| 5 | nC7 | 开 | 关 | 开 | 开 | 29–32 | 6 |
| 6 | nC7 | 开 | 开 | 开 | 开 | 32–41 | 7 |

**结果与讨论**
当将含有沥青的DCM溶液引入HPLC时，使用nC7作为流动相会导致沥青质沉淀。PTFE柱会以固态形式捕获这些沉淀的沥青质，随后这些沥青质会被DCM/MeOH溶液溶解。PTFE因其物理和化学惰性而适合用于其他组分的分析。我们的实验结果证实了这一假设，但值得注意的是，在设置该方法时PTFE柱带来了不少问题。由于市面上没有现成的PTFE填充色谱柱，因此需要在实验室中自行制备。Boysen和Schabron报道了一种使用PTFE颗粒（粒径250–400微米）填充的250毫米×7.0毫米色谱柱（方法来源：Saint-Gobain的D1069193）。在我们的研究中，使用了Merck公司提供的平均粒径为675微米的PTFE粉末来填充传统的50毫米×7.8毫米不锈钢柱。然而，这种配置立即引发了设备的超压警报，不得不大幅减少柱内的PTFE粉末含量（例如通过添加玻璃珠）。虽然这一调整解决了超压问题，但导致了结果不稳定的一系列问题。出乎意料的是，PTFE柱几乎完全捕获了所有SARA组分。经过调整后，PTFE柱的尺寸减小到10毫米×7.8毫米，此时它既能捕获沥青质，又能让其他化合物通过。还测试了另一种PTFE材料，该材料是通过研磨Fluorten提供的PTFE片材并筛选出250–400微米大小的颗粒制成的，但同样出现了超压和所有SARA组分被捕获的问题。据我们所知，其他研究小组并未报告类似现象，这可能表明这些问题与本研究使用的PTFE粉末有关。由于PTFE柱并非市售产品，使用手工填充的色谱柱可能会影响结果的重复性和可转移性。不过，值得注意的是，整个ASTM方法本身就依赖于手工填充的色谱柱。此外，所使用的PTFE粉末是市售的，且柱子尺寸已有详细说明，任何实验室都可以轻松复制。另外，由于PTFE柱主要起机械过滤作用而非色谱分离作用，因此也可以像Atwah等人（46）的研究中那样使用其他商用色谱柱替代。

设置方法时的另一个难点是UV–vis和ELS基线出现大量噪声峰。这些峰与阀门切换和溶剂变化有关，幅度较大且常与分析信号重叠，使得基线减除变得困难，定量分析几乎无法进行。Karevan等人也遇到了类似的基线问题，他们通过先去除nC5（第一种流动相）再使用甲苯作为所有色谱柱的流动相来解决问题（方法来源：丙烷和真空40或乙烷和真空41）。尽管有效，但这种方法对设备和气体处理要求较高。此外，nC5的清洗及随后用甲苯对色谱柱的调节会增加操作时间，导致每次分析周期长达6小时。基线噪声的主要来源有两个：一是阀门切换和流动相变化干扰检测器（尤其是UV–vis检测器）；二是设备包含五个阀门和许多溶剂填充的连接管线，阀门位置变化可能导致部分管线隔离，其中滞留的溶剂在后续阀门切换时重新进入流动路径，可能影响基线和检测结果。因此需要通过步骤5–7进行冲洗，用nC7冲洗系统以确保所有色谱柱和管线中的DCM/MeOH溶液被完全清除。

**图2**展示了注入10微升纯DCM（用于制备沥青溶液的溶剂）时获得的UV–vis和ELS基线。为了避免重叠，UV–vis基线在y轴上稍作上移；但两条曲线均未经过修改或标准化处理。与ELS基线相比，UV–vis基线在20分钟和26分钟附近有两个额外的峰，这些峰的强度与样品峰相当甚至更高，因此在减除时容易产生误差或伪影。不过，在洗脱的前10分钟内，UV–vis基线较为平缓干净，这是后续用于解析色谱图的时间段。相比之下，ELS检测器产生的基线非常平滑。在步骤2的树脂洗脱区域（约17.3分钟处）出现一个小峰，起初令人担忧，因为该峰可能干扰结果解读。但经过多次测试后发现，该峰与样品浓度和注入HPLC的溶液体积无关，因此从树脂组分的积分中排除了这一峰。

**图3**显示了使用不同浓度（50–70%）的沥青溶液时获得的色谱图。Adams等人（44）的色谱图中也观察到了类似的峰。

在分析新样品集之前，总是先向系统中注入10微升纯DCM进行初步测试，然后使用ELS检测器获得的色谱图作为基线，并从后续色谱图中减去该基线。

**图4**展示了使用UV–vis和ELS检测器得到的50–70%沥青样品的色谱图。

根据阀门程序化切换的结果，图4中的信号可以明确归属于四种SARA组分（除饱和烃类外）。在6至10分钟的时间段内，ELS检测器显示两个峰。如果这些峰仅由饱和烃引起，那么紫外-可见光谱应该是平坦的。相比之下，紫外-可见光谱能够检测到第二个峰中的芳香环。在图4中，记录了单一波长下的吸光度随时间的变化；然而，紫外-可见光谱检测器也可以在特定时间获取整个光谱。图5显示了在6.5分钟和7.7分钟后记录的紫外-可见光谱，这些时间分别对应于ELS信号中的第一个和第二个峰。

图5：图4所示沥青50-70样品在饱和烃和Aro1峰最大值对应保留时间处记录的紫外-可见光谱。

只有在紫外-可见光谱信号中才能清晰地看到第二个峰的洗脱物。因此，在第一个饱和烃峰之后，出现了一些具有混合烷烃（或环烷烃）和中等芳香性质的分子。Srinivasan等人已经描述了这种分离饱和烃和芳香烃的难度，并强调了分离程度取决于固定相和流动相的选择。此外，Adams等人也描述了类似的行为，并将这些化合物命名为“Aro1”，基于它们含有一个芳香环的假设。这里使用了相同的命名法。由于Aro1属于芳香烃部分，为了评估6到10分钟之间ELS区域中饱和烃的真实含量，应该减去它们的贡献。将其解卷积为高斯曲线（图6）表明需要三个高斯曲线（并且足够）来准确描述该曲线。从左到右，前两个峰分别由烷烃和环烷烃饱和烃组成，第三个峰由Aro1化合物组成。

考虑到这种解卷积，并将对应于Aro1的面积归因于芳香烃部分，可以计算出四种SARA组分的确切百分比。例如，未经解卷积的沥青50-70的饱和烃和芳香烃组分分别为22.3%和32.2%，而在考虑了分配给Aro1化合物的面积后，它们分别变为13.9%和41.2%。所有色谱图的解卷积都是使用Origin软件进行的，决定系数R2始终大于0.995。解卷积并不人为地划分化学成分，而是提供了部分重叠的色谱贡献的定量分配，这一点得到了在同一洗脱间隔内收集的独立紫外-可见光谱证据的支持。从化学角度来看，饱和烃和芳香烃之间的界限是明确的，因此解卷积以分离它们的贡献是合理的。饱和烃是烷烃-环烷烃分子，不含芳香环。芳香烃可能含有烷烃-环烷烃支链，但至少包含一个苯环。然而，尽管从化学角度来看没有歧义，但含有单个环和高分子量饱和支链的芳香烃可能与饱和烃具有相似的极性。这就是为什么一些Aro1化合物在色谱图中与饱和烃重叠的原因。这种重叠表示类似的色谱行为，但从化学角度来看是交叉污染。在考虑原油或轻质石油流体的潜在应用时，饱和烃和轻质芳香烃之间的交叉污染可能会变得特别显著。然而，在沥青材料的情况下，轻质芳香烃和低分子量饱和烃的相对比例相对有限，且分配给每个组分的积分面积具有高度重复性。此外，与ASTM D4124的系统性比较显示了不同粘合剂之间的一致趋势，这表明观察到的重叠不会在沥青表征的背景下引入不可控的变异性。然而，我们承认在当前配置下无法严格保证这一洗脱区域的组分纯度。目前正在进行一项专门研究，旨在优化柱子和溶剂组合以提高轻质芳香烃的分辨率，在将该方法扩展到更轻质石油系统之前还需要进一步验证。

值得强调的是，与饱和烃和轻质芳香烃不同，芳香烃和树脂之间以及树脂和沥青质之间无法进行明确的化学区分。因此，这三个组分之间的界限由分离方法决定，交叉污染的概念变得不那么重要。

一旦方法建立起来，就进行了大量的重复性测试。对同一样品重复分析得到的色谱图几乎完全重叠。图7显示了五个沥青50-70的色谱图。这些是原始数据；然后对色谱图进行了归一化并稍微垂直移动以防止重叠。为了量化SARA组分，仅使用ELS数据对峰进行了积分。

一旦选择了配置，就通过比较每种沥青的5个样品来定量评估结果的重复性。结果分别报告在表3a、3b、3c和3d中。半范围（Δ/2）和百分比不确定性（%U）的计算公式如下：
Δ/2 = (??max???min) / 2
%U = Δ/2 × Aav × 100%
其中Amax和Amin是每个SARA组分测量含量的最大值和最小值，Aav是平均值。95%重复性限（R95）计算为R95 = 2.77σ，其中σ是每组数据的标准偏差。

表3a. 沥青35-50
样品编号 | 饱和烃 | 芳香烃 | 树脂 | 沥青质
1 | 17.9 | 29.6 | 28.6 | 23.9 | 17.3 | 28.5 | 29.2 | 25.0 | 17.6 | 29.8 | 23.1 | 17.6 | 28.4 | 29.1 | 24.9 | 18.1 | 29.6 | 28.8 | 23.5 |
Δ/2 | 0.4 | 0.7 | 0.4 | 0.9 | 5 |
%U | 2.3 | 2.3 | 1.5 | 3.9 | 0.7 | 8 | 11.6 | 30 | 0.8 | 6 | 9 |

表3b. 沥青50-70
样品编号 | 饱和烃 | 芳香烃 | 树脂 | 沥青质
1 | 114.6 | 40.4 | 24.1 | 20.9 | 14.0 | 40.7 | 25.4 | 19.9 | 14.3 | 9.8 | 24.9 | 1.0 | 41.5 | 25.1 | 19.4 | 14.1 | 9.6 | 25.8 | 20.5 |
Δ/2 | 0.6 | 0.5 | 0.8 | 5 | 4 | 1.4 | 3.4 | 3.9 | 1.2 | 1.5 | 6 |

表3c. 沥青70-100
样品编号 | 饱和烃 | 芳香烃 | 树脂 | 沥青质
1 | 114.8 | 42.4 | 23.6 | 19.2 | 16.3 | 14.2 | 18.4 | 16.2 | 31.6 | 18.4 | 15.3 | 41.5 | 19.8 | 51.6 | 40.9 | 24.5 | 19.0 |
Δ/2 | 0.7 | 0.7 | 0.5 | 0.5 | 4.8 | 1.8 | 2.3 | 1.5 | 1.4 | 7 |

表3d. 沥青160-220
样品编号 | 饱和烃 | 芳香烃 | 树脂 | 沥青质
1 | 125.3 | 36.4 | 22.0 | 16.3 | 24.8 | 35.4 | 21.3 | 18.5 | 32.6 | 22.1 | 17.3 | 18.4 | 25.4 | 36.1 | 12.1 | 17.3 |
Δ/2 | 0.6 | 0.6 | 0.4 | 1.1 | 2.5 | 1.7 | 2.0 | 6.1 |

应当强调的是，使用氰基和胺基柱子会导致不可逆的吸附。在沥青的情况下，一些高极性树脂（如沥青质）可能会被吸附。这可能会改变结果并缩短柱子的使用寿命。不幸的是，在处理像沥青这样含有多种不同化学化合物的复杂材料时，这是一个不可避免的问题。然而，由于这些柱子在大多数文献中都有使用（17,20?25,28,29,31,32,34,36,37,39,40,43,46,49,50），通常认为不可逆吸附的分子不会显著影响单次运行的定量分析。然而，出于这个和其他原因，柱子可能会退化，偶尔需要评估更换的必要性。因此，仅为了内部使用，使用沥青50-70来验证柱子的完整性。到目前为止，在分析了数百个样品后，没有发现与表3中报告的值有显著偏差。

目前，由于该方法刚刚开发出来，并且在这里首次描述，因此还没有通过比较不同实验室的结果获得可重复性数据。然而，由于所有组件都是商业上可获得的，对设备组件、设置和分析程序的详细描述使得该方法可以在其他实验室中复制。整个设置需要具备常规HPLC技能的操作员，并且成本几乎与TLC-FID系统相同。如前所述，唯一的手工元素是填充有商用PTFE的PTFE柱子。由于其作为物理过滤器的角色，PTFE柱子不参与色谱分离过程，这不会影响分子属于哪个组分。PTFE应该只阻止固体组分，其功能可以像之前描述的那样轻松测试和验证。因此，引入手动填充的柱子不应以任何方式影响方法的可转移性和可重复性。

表4报告了四种渗透等级沥青的SARA组分的百分比，以及从ASTM D4124得出的值。

表4. 通过HPLC和ASTM D4124确定的SARA组分百分比
| 方法 | 饱和烃 | 芳香烃 | 树脂 | 沥青质 |
|-----------|---------|---------|---------|---------|
| 35-50 | 17.7 | 29.2 | 29.1 | 24.0 |
| 50 | 13.2 | 40.5 | 18.7 | 27.6 |
| 50-70 | 14.5 | 40.1 | 25.0 | 20.4 |
| 70 | 13.7 | 41.1 | 18.7 | 26.5 |
| 70-100 | 15.6 | 41.6 | 23.9 | 18.9 |
| 160-220 | 14.4 | 25.2 | 21.6 | 17.4 | 22.4 |

可以清楚地观察到两组结果之间的系统差异：HPLC方法提供的饱和烃和树脂含量较高，而芳香烃和沥青质组分较低。这些差异在所有样品中一致出现，源于两种程序的根本不同分离机制。Srinivasan等人已经描述了这种方法依赖的分馏行为，他们展示了烃类分馏结果如何受到吸附剂选择和分离设计的强烈影响。

为了更好地理解这些差异的来源，使用HPLC分别分析了ASTM程序得到的各个组分。以下将它们称为ASTM/组分名称（例如，ASTM/50-70/饱和烃）。从ASTM/饱和烃开始，无论分析哪种沥青，HPLC色谱图仅在预期的时间区间（6-10分钟）显示信号，且对应于Aro1化合物的峰不存在（这一点通过紫外-可见光谱检测器得到确认）。这表明活性氧化铝在饱和烃和芳香烃之间的选择性高于胺基柱。ASTM-饱和烃的峰是不对称的，可以通过解卷积为两个高斯曲线来满意地描述，从而确认了烷烃和环烷烃化合物的存在。例如，图8显示了ASTM/50-70/饱和烃在感兴趣的时间区间内的色谱图，以及解卷积为两个峰的结果。图中还添加了包含Aro1化合物的整个沥青的色谱图以供比较。

ASTM-芳香烃、树脂和沥青质组分的行为明显不同。当使用HPLC重新分析时，每个ASTM衍生的组分在多个SARA区域内都显示信号。

ASTM-芳香烃组分含有大量的树脂。ASTM树脂组分显示了芳香烃和沥青质的贡献，而ASTM沥青质组分显示出大量的树脂含量。这些观察结果反映了在像沥青这样的材料上应用明确切割点的固有难度，因为其分子组成是一个连续的极性范围，而不是离散的类别。在氧化铝柱中形成的色谱带较宽且部分重叠，使得视觉切割点的选择特别依赖于操作员的判断。为了更好地理解这些色谱图，回顾ASTM程序是有帮助的。第一步是将沥青质（一种棕黑色粉末）与 maltenes（呈现棕色且非常粘稠）分离。然后将maltenes溶解在nC7中并注入柱子。

在第一次用nC7洗脱过程中，饱和烃迅速迁移，而芳香烃积聚成黄色带，树脂留在种子点附近。从nC7到甲苯的转变使剩余的饱和烃移动并开始芳香烃的向下移动。因此，第一个切割点应该设置在芳香烃到达柱出口之前。第二个切割点——在芳香烃和树脂之间——更加具有挑战性，因为棕色的树脂前沿逐渐前进，并包含许多与芳香烃极性相似的分子。这种结构连续性解释了为什么ASTM衍生的组分含有大量的相邻SARA组分。最后，DCM洗脱出树脂（图11h-j），柱子保持均匀的浅棕色，表明有一些分子被保留。

这些观察结果与HPLC系统的操作完全一致。在自动化方法中，饱和烃和Aro1在第一步被洗脱；树脂被氰基柱选择性地保留并在第二步洗脱；更高阶的芳香烃（Aro2-Aro3）被胺基柱保留并在第三步洗脱；而原位沉淀的沥青质在第四步从PTFE过滤器中释放。因此，使用三种不同的固定相比ASTM D4124中使用的单个氧化铝柱提供了更清晰的选择性边界。这导致了边界分子在色谱分配上的更清晰：单环芳烃（Aro1）与饱和烃一起迁移，许多芳香-极性物质与树脂一起迁移，而小的类沥青分子在HPLC系统的操作条件下可能表现为树脂。实际上，ASTM收集边界的微小变化会显著改变ASTM组分在HPLC图谱中的表现，进一步突出了ASTM分离的操作性质。图12显示了当第二个切割点向后移动时，沥青50-70的三个ASTM组分的情况。ASTM/50-70/芳香烃组分只有一个峰，且未检测到树脂。同时，如果将第二个切割点向后移动，ASTM-树脂组分中的芳香烃含量会增加。图12展示了当第一个切割点向前移动时，沥青50-70的三个ASTM组分在HPLC图谱中的情况（三个图谱在垂直方向上进行了调整以便于阅读）。值得注意的是，基于HPLC图谱对ASTM方法得到的百分比进行校正，并不能填补两种技术测量结果之间的差距。这证实了化学结构并不能明确地确定一个分子属于哪个SARA组分。

总之，ASTM D4124与自动化HPLC方法之间的系统差异源于这两种方法根本不同的分离机制。在ASTM方法中，宽泛且部分重叠的谱带（尤其是对于芳香烃和树脂）以及视觉确定的切割点导致通过HPLC分析时组分容易受到交叉污染的影响。相比之下，HPLC系统根据与氰基和胺基固定相的选择性相互作用来分离组分，从而更清晰地分配边界分子并具有更高的选择性。HPLC通常会产生更高的饱和烃和树脂组分以及较低的芳香烃和类沥青组分含量。这并不是分析上的差异，而是SARA分类在复杂材料中的内在操作性质。这强调了使用单一、明确定义的方法来比较不同沥青的重要性。

在迄今为止引用的文献中，有许多使用模型分子来校准方法（20,21）或识别不同SARA组分组成的例子。例如，模型分子被用来根据分子中的苯环数量对芳香烃进行分类（22,27,31,39,46,49）。最近，Adams等人进行了一项广泛而有趣的研究，分析了大量模型分子并将其分配到HPLC识别的不同组分中（45）。在这项工作中，芳香烃被分为三个极性递增的子类别，分别命名为Aro1、Aro2和Aro3，这些可以通过色谱法分离。Aro1由含有一个芳香环的分子组成，而Aro2和Aro3主要含有更多的环。类似地，其他模型分子被用来描述其他SARA组分的化学结构。Adams等人使用的模型化合物包括：己十六烷（饱和烃，烷烃类）、5-α-胆甾烷（饱和烃，环烷烃类）、1-苯基十二烷（Aro1）、芘（Aro2）、苯并[a]芘（Aro3）、9-蒽甲醇和1,10-菲咯啉（树脂）以及苝醌（类沥青）。

图13显示了获得的HPLC图谱。所有归类为饱和烃和芳香烃的分子都产生了预期的结果。烷烃类化合物的保留时间略低于环烷烃类化合物，后者在1-苯基十二烷之前洗脱，从而证实了之前的解卷积分析结果。同样，芘（Aro2）和苯并[a]芘（Aro3）如预期那样从胺基柱中洗脱出来。然而，在树脂和类沥青组分中观察到一些差异，因为9-蒽甲醇和苝醌都被归类为树脂组分，尽管后者被选为代表类沥青的化合物。最后，1,10-菲咯啉在40°C时不溶于nC7中，并表现为类沥青。这些不一致性并不令人惊讶，也不表明其中任何一种方法是错误的。这进一步证实了一个分子不能被明确地分类为芳香烃、树脂或类沥青，因为这种分类取决于其化学性质以及包括流动相和固定相在内的操作条件。

本研究提出了一个自动化的HPLC工作流程，用于确定沥青中的SARA成分，并对其进行了关键评估。该工作没有提出全新的色谱架构，而是关注方法实施的实际方面、溶剂管理和自动化，特别强调了其在常规实验室实践中的可转移性。最终设置每次分析需要45分钟，包括柱子重新调节、可控的溶剂消耗和可重复的组分定量。与ASTM D4124的系统性比较证实，HPLC和ASTM方法得到的SARA组成差异源于两者不同的分离原理。ASTM方法依赖于在单个氧化铝柱中的吸附和视觉确定的收集切割点。而HPLC系统则利用与氰基和胺基固定相的选择性相互作用，在编程的洗脱条件下进行分离。因此，特别是在芳香烃、树脂和类沥青区域内的边界分子被不同地分配。这些差异并不反映分析上的不准确性，而是由于应用于化学复杂材料的方法依赖的操作定义所致，在这些材料中组成差异是逐渐变化的，而不是形成明确的离散类别。因此，SARA组分应被视为操作上定义的组，而不是化学上离散的实体。

对ASTM分离的组分和选定的模型化合物的分析进一步表明，SARA边界受分离条件的影响，不能仅基于分子结构来定义。因此，试图通过HPLC复制ASTM的结果或反之亦然是不合适的。为了进行有意义的组成比较，需要一致地使用单一的分析框架。从操作角度来看，所提出的配置的稳健性通过重复性测试和专门的验证程序得到了验证。特别是，用于在线类沥青保留的手动填充PTFE过滤柱在优化填充配置后表现出稳定性和可靠性。由于PTFE元件仅作为机械过滤器，不参与色谱选择性，因此不会影响分子分配到特定SARA组分的结果。除了分析设置本身，这项工作还为实施HPLC-SARA分析的实验室提供了实际指导，为解释基于HPLC和ASTM的SARA测定结果之间的差异提供了更清晰的概念框架。当SARA数据用于组成比较、老化研究或沥青粘合剂的性能相关关联时，这一点至关重要。未来的工作将涉及实验室间验证、柱子的长期稳定性以及进一步评估组分的纯度，以支持更广泛的方法学协调。