目前，全球大約三分之一的能源來自原油。原油的化學(xué)成分決定了它的質(zhì)量，進(jìn)而影響其加工、性能和市場價格。因此，對原油狀態(tài)進(jìn)行定性和定量的監(jiān)測是不可少的。

原油成分中對原油質(zhì)量影響最大的是瀝青質(zhì)，它也是原油中最重的組分。瀝青質(zhì)的組成成分是多環(huán)芳烴環(huán)和脂肪族側(cè)鏈的化合物和微量的釩和鎳形成的復(fù)雜混合物。低濃度的瀝青質(zhì)容易發(fā)生聚集，導(dǎo)致其粘度增加，并在石油開采和加工過程中堵塞井筒和出油管線。此外，瀝青質(zhì)還會使提質(zhì)和精制過程中的催化反應(yīng)失活。

分析原油中烴類復(fù)雜混合物中瀝青質(zhì)的濃度十分困難，特別是對于在線監(jiān)測。傳統(tǒng)的測量方法是測量原油的粘度和介電常數(shù)等物理性質(zhì)，然后用這些數(shù)據(jù)來確定潛在的化學(xué)成分。當(dāng)進(jìn)行特定瀝青質(zhì)分析時，通常在模型系統(tǒng)或已稀釋到簡單溶劑中的樣品中進(jìn)行測量。

電子自旋共振（ESR）或電子順磁共振（EPR）的引入已能夠直接對瀝青質(zhì)進(jìn)行表征。這項技術(shù)提供了高分辨率和定量的數(shù)據(jù)，可反映出當(dāng)?shù)丨h(huán)境中真實(shí)的動態(tài)信息。此外，ESR 是一種無損檢測方法，無需樣品制備。

ESR 利用靜磁場中微波的共振吸收來測量含有未成對電子的分子和含有順磁中心的系統(tǒng)。瀝青質(zhì)的多環(huán)芳烴核心中含有有機(jī)自由基，在 g = 2.0032 處能表現(xiàn)出典型的 ESR 信號，因而在原油中很容易被識別出來。

該峰的波幅與樣品中瀝青質(zhì)的濃度相對應(yīng)，因此這項技術(shù)也可用于定量分析。另外，ESR 還可以檢測釩，可把釩當(dāng)做一種氧釩卟啉來觀察，它在與瀝青質(zhì)有機(jī)自由基信號的相似區(qū)域內(nèi)顯示為八個寬間距的窄峰。

通過監(jiān)測這些成分的各種特性，可以更好地了解原油的成分和化學(xué)變化。以前，ESR 已能夠區(qū)分不同類型的原油，但最近幾年，人們開始對更加特定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析。

生物降解是改變原油成分和質(zhì)量的主要過程之一。在這個過程中，烴類被氧化，生成了二氧化碳和有機(jī)酸，從而導(dǎo)致飽和烴和芳香烴的濃度下降，粘度、金屬含量和酸度上升。

最近的一項研究對三種巴西原油中的這一過程進(jìn)行了比較，通過使用 ESR 來監(jiān)測原油中是否存在與卟啉化合物相關(guān)或不相關(guān)的有機(jī)自由基和釩氧物種。該方法可以通過信號量化值將兩個生物降解樣品與非生物降解樣品區(qū)分開來，以及將這兩個生物降解樣品彼此區(qū)分開來。

溫度也會影響原油中有機(jī)自由基物種的行為和結(jié)構(gòu)性質(zhì)，從而影響原油質(zhì)量。對這些變化進(jìn)行了研究，使用了原位 ESR 來監(jiān)測在 293-673 K 的溫度范圍中原油樣品的不同餾分。

對于所有餾分，溫度的上升會導(dǎo)致有機(jī)自由基物種的增加，然而，人們發(fā)現(xiàn)這一過程發(fā)生的機(jī)制因餾分而異。常壓渣油和原油餾分呈現(xiàn)相似，在 433 K 附近產(chǎn)生有機(jī)自由基，而減壓渣油中有機(jī)自由基的產(chǎn)生表現(xiàn)為一個多步驟的過程。

布魯克microESR可實(shí)現(xiàn)對原油成分的實(shí)時分析

大多數(shù) ESR 波譜儀龐大且笨重，這限制了它們對原油進(jìn)行在線實(shí)時分析的能力。然而，光學(xué)和無線通信技術(shù)的進(jìn)步使得布魯克開發(fā)出了ESR 波譜儀——microESR，它體型小巧，移動輕便，占地面積為 30.5 x 30.5 x 30.5 cm³，僅重 10 kg。

microESR 無需任何定期維護(hù)或特殊安裝。

microESR 還為 ESR 數(shù)據(jù)的采集、處理和分析提供了簡單的軟件工作流程。

隨著近年 ESR 在原油分析應(yīng)用上的進(jìn)展，microESR 可用作在線監(jiān)測工具，來表征原油在勘探、生產(chǎn)和精制操作過程中的化學(xué)成分。

這種分析可在許多應(yīng)用中使用，包括評估原油的人工老化，以及預(yù)測進(jìn)一步操作過程中可能出現(xiàn)的問題。