地球化學(xué)-第四章生物標(biāo)志物1課件

第四章生物標(biāo)志化合物生物標(biāo)志化合物（Biomarker，Biologicalmarkers,Biologicalfossils,molecularfossils.），也稱為分子化石，它是存在于巖石和沉積物中的一類復(fù)雜有機(jī)化合物，是石油源于有機(jī)體的一種重要信息。生物標(biāo)志化合物的研究有助于加深人們對(duì)有機(jī)沉積環(huán)境、有機(jī)母源特征及有機(jī)質(zhì)的演化特征的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也是油源對(duì)比、油氣運(yùn)移研究不可缺少的手段，因而是油氣地球化學(xué)研究的又一重要內(nèi)容。第一節(jié)基本概念一、生物標(biāo)志化合物的概念及形成

生物標(biāo)志化合物二、生物標(biāo)志化合物的研究意義

三、生物標(biāo)志化合物的分析

第一節(jié)基本概念一、生物標(biāo)志化合物的概念及形成

生物標(biāo)志化合物：是沉積物（巖）、原油、油頁(yè)巖和煤中那些來(lái)源于生物體，在有機(jī)質(zhì)演化過(guò)程中具有一定穩(wěn)定性，沒(méi)有或很少發(fā)生變化，基本保存了原始生化組分的碳骨架，記載了原始生物母質(zhì)特殊分子結(jié)構(gòu)信息的有機(jī)化合物。生物標(biāo)志化合物從何而來(lái)？生物標(biāo)志化合物正構(gòu)烷烴無(wú)環(huán)類異戊二烯烷烴二環(huán)－四環(huán)異戊二烯烷烴藿烷系列甾烷芳香烴含氮化合物、卟啉生物標(biāo)志物的類別一、生物標(biāo)志化合物的概念及形成

二、生物標(biāo)志化合物的研究意義

三、生物標(biāo)志化合物的分析

第一節(jié)

基本概念

二、生物標(biāo)志化合物的研究意義

生物標(biāo)志化合物在有機(jī)質(zhì)熱演化過(guò)程中：

一方面在各種作用下，發(fā)生一定的結(jié)構(gòu)變化，以達(dá)到熱力學(xué)上的穩(wěn)定性。這些變化包括失去不穩(wěn)定的官能團(tuán)，不飽和的鏈加氫變?yōu)轱柡偷慕Y(jié)構(gòu)，發(fā)生芳構(gòu)化以及異構(gòu)化和分子的重排等。另一方面仍然保留其母體基本碳骨架結(jié)構(gòu)上的“變異性”使其能夠用于追溯有機(jī)質(zhì)的演化歷程。正是這種結(jié)構(gòu)上的繼承性使其具有標(biāo)志有機(jī)質(zhì)來(lái)源及沉積環(huán)境的作用。油氣運(yùn)移提供證據(jù)：烴源巖和疏導(dǎo)層對(duì)油氣運(yùn)移起到色層效應(yīng)，利用這種效應(yīng)可以追溯油氣運(yùn)移路徑和方向。研究原油生物降解程度：成藏以后油藏進(jìn)入細(xì)菌活動(dòng)帶，細(xì)菌會(huì)選擇性地破壞一些生物標(biāo)志物，通過(guò)檢測(cè)生物標(biāo)志物被細(xì)菌降解的情況，可以確定油藏形成以后演化的歷史。第一節(jié)

基本概念

一、生物標(biāo)志化合物的概念及形成

生物標(biāo)志化合物二、生物標(biāo)志化合物的研究意義

三、生物標(biāo)志化合物的分析

原油及烴源巖樣品分析流程三、生物標(biāo)志化合物的分析

近些年來(lái)，相繼出現(xiàn)了超聲抽提、攪拌抽提、氣體加壓抽提等一系列新的抽提裝置和方法。但是還沒(méi)有推廣使用，目前較普遍的仍是索氏抽提法。用氯仿抽提巖石中的可溶有機(jī)質(zhì)，其萃取物稱氯仿瀝青。樣品制備（1）將巖心外層有污染部分剝離掉，在低于50℃下烘干。（2）樣品粉碎至粒徑在40-80目，碎樣機(jī)溫度應(yīng)小于50℃分析步驟（1）稱取100-500g樣品，裝入經(jīng)過(guò)氯仿抽提的濾紙筒中，包好后置于抽提器中，紙筒不得超過(guò)虹吸管高度。（2）在抽提器底瓶中，加入不超過(guò)2/3容積的氯仿，在75-82℃水浴或電熱套中抽提，每25-30min回流一次。（3）一般樣品的抽提時(shí)間在60h以上，熒光檢查樣品在三級(jí)以下方為合格。（4）抽提前將少量銅片放入底瓶，供脫硫用。（5）濃縮溫度應(yīng)低于40℃計(jì)算M=mG1-G2×100%式中M—氯仿瀝青百分含量，%G1—容器加氯仿瀝青量，gG2—容器重量，gm—樣品量，g柱層析法族組分分離測(cè)定方法（一）沉淀瀝青質(zhì)稱取0.02-0.05g氯仿瀝青或原油樣品（需脫水，40℃在真空度為5.33×104Pa下恒重），放入50ml具塞三角瓶中，加入30ml正己烷（有的實(shí)驗(yàn)室用30-60℃石油醚）搖勻，靜置過(guò)夜，使瀝青質(zhì)沉淀。（二）飽和烴、芳烴及膠質(zhì)分離和測(cè)定1.裝置及化學(xué)試劑吸附柱內(nèi)徑為10~12mm；氧化鋁與硅膠為0.15mm粒徑；正己烷、苯和無(wú)水乙醇（分析純）。2.柱色層分離條件（1）氧化鋁與硅膠比為4:6，吸附劑用量為樣品量的150~200倍。吸附劑填充的松緊要合適，流速在每分鐘40滴左右。硅膠氧化鋁脫脂棉脫脂棉硅膠氧化鋁脫脂棉脫脂棉（2）沖洗劑與樣品比例為1:1500；用正己烷沖洗飽和烴用苯?jīng)_洗芳烴酒苯（苯:無(wú)水乙醇1:1）沖洗非烴（膠質(zhì)）。2.色譜技術(shù)（Chromatography）

色譜法是俄國(guó)植物學(xué)家茨維特于1906年首先提出的。他將植物色素的石油醚萃取液倒入裝有CaCO3吸附劑的豎直玻璃管中，再加入純石油醚任其流下，結(jié)果在管內(nèi)形成不同顏色的譜帶，溶液中的不同色素得到了分離?！吧V”一詞由此得名。后來(lái)這種方法逐漸用于無(wú)色物質(zhì)的分離，但色譜一詞卻沿襲使用下來(lái)。目前是將原油、氯仿瀝青等混合物分離成單個(gè)化合物從而進(jìn)行鑒定的主要技術(shù)。（1）色譜技術(shù)原理利用流動(dòng)的穩(wěn)定流體帶著待分離樣品在裝有吸附劑的細(xì)管中流動(dòng)，使混合物在流動(dòng)過(guò)程中不斷吸附－解吸，最終分子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分子量小的組分先從色譜柱出口流出，分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分子量大的組分后從色譜柱口流出，達(dá)到對(duì)混合樣品的分離作用。再利用檢測(cè)儀器進(jìn)行檢測(cè)。氣相色譜儀基本設(shè)備可分做氣路系統(tǒng)、進(jìn)樣系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、檢測(cè)和放大記錄系統(tǒng)以及溫度控制系統(tǒng)。氣相色譜常用難揮發(fā)的高沸點(diǎn)固定液或固體吸附劑作為固定相。

用氮、氫、氦等氣體作為載氣，攜帶溶質(zhì)作為流動(dòng)相。氣相色譜流程及組成（1）氣路系統(tǒng)：主要由載氣和檢測(cè)器用的助燃?xì)狻⑷細(xì)獾葰饴方M成。（2）分離系統(tǒng)：主要有進(jìn)樣器、柱箱及色譜柱，控溫系統(tǒng)及電氣控制單元。（3）檢測(cè)、紀(jì)錄及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：包括檢測(cè)器，以及控溫單元、放大器、記錄儀、積分儀或微處理機(jī)等。（2）儀器結(jié)構(gòu)氣相色譜儀器示意圖

色譜柱是氣相色譜的心臟，它是一細(xì)長(zhǎng)的毛細(xì)柱（一般直徑0.25mm，長(zhǎng)一般大于40m，高級(jí)毛細(xì)柱的質(zhì)地一般為彈性熔融石英毛細(xì)柱），固定相位于其內(nèi)壁。質(zhì)譜法（massspectrometry）是通過(guò)研究分子量和離子化的分子碎片來(lái)認(rèn)識(shí)分子結(jié)構(gòu)的一種現(xiàn)代分析技木。3.質(zhì)譜法（massspectrometry）—MS色譜的優(yōu)點(diǎn)是將同類化合物分離開；色譜的缺點(diǎn)是不能鑒定未知化合物。以高能電子將單個(gè)分子擊碎，用碎片的質(zhì)量組成特征，推測(cè)分子的結(jié)構(gòu)組成和分子量，以達(dá)到分子鑒定的目的。（1）質(zhì)譜分析原理經(jīng)過(guò)GC的有機(jī)化合物被氣化；

進(jìn)入MS的接口時(shí)受到能量較高的(10-70eV)電子束轟擊；分子失去一個(gè)外層電子變成帶正電荷的分子離子(M+)。一般有機(jī)化合物分子電離成分子離子所需要的能量為7～15eV。常用質(zhì)譜儀電子束的能量遠(yuǎn)大于有機(jī)分子的電離勢(shì)，為50～70eV。這樣多余的能量可以繼續(xù)使分子離子裂解為穩(wěn)定的質(zhì)量較小的正離子和一些中性碎片。形成分子離子M+形成多個(gè)碎片離子A+和中性碎片B每一類化合物的碎裂有相似的規(guī)律，即有相同的碎片。因此，可以用它可以鑒定混合在一起的多種同系物分子的結(jié)構(gòu)。（2）儀器及檢測(cè)過(guò)程典型的分析用質(zhì)譜儀主要由四個(gè)部分組成，即：①試樣注入系統(tǒng)；②離子源③靜電加速系統(tǒng)；④檢測(cè)器和記錄系統(tǒng)質(zhì)譜儀主要部件示意圖質(zhì)譜儀中離子源是最重要的組成部分。常用的電子轟擊型離子源是由發(fā)熱的鎢絲產(chǎn)生的電子流轟擊試樣分子，使其中相當(dāng)大的一部分離子化，產(chǎn)生以正離子為主的離子流。利用幾百到幾千伏高壓電場(chǎng)使正離子加速。正離子束在質(zhì)量分析器中受到磁場(chǎng)H作用，它將依m(xù)/e（質(zhì)荷比即質(zhì)量與電荷的比值）的大小分離。質(zhì)荷比大的離子軌道彎曲半徑大，相同質(zhì)荷比的離子偏轉(zhuǎn)程度相同。通過(guò)改變粒子速度或場(chǎng)強(qiáng)，質(zhì)量分析器就將不同質(zhì)荷比的正離子分離開來(lái)，它們依次被收集、放大并按m/e大小記錄下來(lái)為質(zhì)譜圖。（3）質(zhì)譜圖的初步判讀

分子在高能量電子束的轟擊下可以形成各種不同質(zhì)量的碎片，表現(xiàn)為質(zhì)譜圖上的峰，這些峰的位置和相對(duì)強(qiáng)度與分子的結(jié)構(gòu)組成和含量有關(guān)。通過(guò)對(duì)大量分子質(zhì)譜的研究，目前對(duì)分子碎片化的機(jī)理有了更多的認(rèn)識(shí)。根據(jù)分子碎片的形成機(jī)理及特征，可將質(zhì)譜峰分為分子離子峰、碎片離子峰、亞穩(wěn)峰、同位素峰等。C29D-單芳8，14-斷藿烷的質(zhì)譜圖

在質(zhì)譜圖中對(duì)應(yīng)于分子離子的峰為分子離子蜂或母峰，一般位于譜圖中m/e最高的位置，也即最后位置。因?yàn)檎x子電荷常為１，所以分子離子蜂的質(zhì)荷比值即為該化合物的分子量，這就為鑒定有機(jī)化合物提供了重要依據(jù)。高靈敏度的質(zhì)譜儀可以區(qū)分質(zhì)量數(shù)差值小于0.1的化合物。1）分子離子峰分子離子峰的強(qiáng)度與化合物結(jié)構(gòu)有關(guān)。如果分子結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，則分子離子蜂強(qiáng)度較大，其它的碎片峰則不發(fā)育，如環(huán)狀結(jié)構(gòu)化合物的分子離子蜂較強(qiáng)，而一些鏈狀結(jié)構(gòu)的化合物質(zhì)譜圖中分子離子峰很弱，碎片峰強(qiáng)度大。此外，為了得到較好的分子離子蜂可以降低電離電壓。峰值最高，對(duì)應(yīng)離子濃度最大的蜂是基峰。將該峰值定為100，其它離子的峰與基峰相比所得的百分?jǐn)?shù)叫做相對(duì)豐度，質(zhì)譜圖上橫坐標(biāo)為質(zhì)荷比m/e，縱坐標(biāo)為相對(duì)豐度。2）基蜂各類化合物的分于離子裂解成不同的碎片具有一定的規(guī)律性，它取決于化合物的結(jié)構(gòu)和鍵的強(qiáng)度?；衔锓肿泳哂衅涮卣魉槠?，不會(huì)有兩種分子在受電子轟擊時(shí)會(huì)以完全相同的方式碎片化，因此化合物的質(zhì)譜可以成為結(jié)構(gòu)鑒定的指紋3）碎片離子蜂一些常見(jiàn)生物標(biāo)志化合物的特征碎片離子

4）同位素蜂有機(jī)化合物一般含有C、H、O、N、S、Cl、Br等元素，這些元素都有其穩(wěn)定同位素。因此，在質(zhì)譜上會(huì)出現(xiàn)由不同質(zhì)量的同位素形成的離子峰（主要是分子離子峰）。如前所述，色譜法的特點(diǎn)是高分辨能力，質(zhì)譜法的特點(diǎn)是高鑒別能力，因此，將兩個(gè)儀器連接在一起即色質(zhì)聯(lián)機(jī)（GC-MS），用色譜儀作為分離器、質(zhì)譜儀作為鑒定器便可發(fā)揮兩個(gè)儀器的長(zhǎng)處，甚至還可以得到兩種方法單獨(dú)使用時(shí)無(wú)法獲取的信息。4．色譜—質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)色譜－質(zhì)譜（GC-MS）分析是在分子結(jié)構(gòu)或分子級(jí)水平上研究地質(zhì)作用是高科技用于地質(zhì)研究的具體體現(xiàn)。目前色譜－質(zhì)譜分析在許多領(lǐng)域均有應(yīng)用。小型化、自動(dòng)化簡(jiǎn)單化是GC－MS發(fā)展方向。（1）GC-MS分析得到的成果總離子流圖：按到達(dá)檢測(cè)器的離子先后、數(shù)量多少排列出的譜圖(TIC圖)該圖與色譜圖基本一樣。石油的TIC和GC圖十分相似，可以用于檢查樣品的分離情況和信號(hào)強(qiáng)弱，并且相互驗(yàn)證，互為補(bǔ)充。質(zhì)譜圖：

將每一次掃描的記錄，應(yīng)用質(zhì)荷比對(duì)檢測(cè)器響應(yīng)值作圖，就可以得到由色譜分離的某一種化合物的質(zhì)譜圖。質(zhì)