Битум — это форма нефти, обнаруженная в природных месторождениях. Его использование восходит к каменному веку. Слово «мумия», например, происходит от персидского «мама» или «битум», потому что это вещество использовалось при бальзамировании.
Греки использовали битум в строительстве, медицине и войне — возможно, легендарный «греческий огонь» был основан на битуме. Самая старая амфора, наполненная битумом (V век до н.э.), была обнаружена русскими археологами на Таманском полуострове, в регионе с высокой вулканической активностью (здесь расположены многочисленные выходы нефти) и возможном источнике битума, импортированного греками.
Больше кислорода со временемАнализ образцов древних битумов позволяет выявить их возраст и происхождение. Американские исследователи использовали мумию, чтобы продемонстрировать, что древнеегипетский битум не поступал исключительно из Мертвого моря.
Если возраст образца битума из амфоры действительно близок к 2500 годам, это означает длительный период биоразложения из-за активности бактерий, вызывающих окисление органических молекул в битуме, то есть постепенное введение дополнительного кислорода в образец. . Это означает, что более старые образцы содержат больше атомов кислорода.Элементный анализ пробы Тамани показал содержание кислорода (O) 11% по сравнению с 1% или менее в свежих пробах нефти, с другими элементами — углеродом (C), водородом (H), азотом (N), и сера (S) — присутствует в нормальных количествах.
Это указывает на то, что образец долгое время разлагался внутри амфоры; очевидно, он был там 2500 лет назад. Однако элементный анализ не определяет типы молекул, присутствующих в образце. Для этого исследователи использовали масс-спектрометрию сверхвысокого разрешения.Масс-спектрометрия — это аналитический метод, который сортирует заряженные частицы в электрическом и / или магнитном поле на основе их отношения массы к заряду (m / z).
Молекулы с начальным значением z, равным 0, заряжаются (ионизируются). Магнитное / электрическое поле позволяет разделить ионы, в данном случае пространственно.
Детектор определяет отношение массы к заряду частицы по точке ее «приземления». Масс-спектр представляет собой график зависимости интенсивности сигнала детектора (по вертикальной оси) от отношения массы к заряду (по горизонтальной оси).
Масс-спектр — это набор пиков, каждый из которых соответствует иону с определенным отношением массы к заряду. Это позволяет идентифицировать составляющие вещества в образце.
Масс-спектры битума из амфоры (A), нефти из Сибири, подвергшейся воздействию озона (B), и нефти из Сибири до воздействия озона (C).ВнимательнееОтличить многочисленные пики в масс-спектрах битума друг от друга непросто.
Для этого исследователи использовали передовые методы масс-спектрометрии сверхвысокого разрешения, разработанные в лаборатории, которые позволили им различать молекулы, массы которых различаются лишь на часть массы электрона. Это означало, что ни один из отдельных компонентов в образце битума — а их десятки тысяч — не ускользнул от их внимания.
Они также определили элементный состав составляющих. Анализ показал, что среди веществ в образце битума Тамани, содержащих кислород, большинство имеет от четырех до девяти атомов кислорода (O). Однако образцы обычной нефти содержат множество соединений с двумя атомами кислорода и очень мало соединений с тремя или четырьмя атомами кислорода.
Воздействие на нефть озона (O) приводит к окислению и дает вещества с содержанием кислорода, аналогичным таковому в битуме из амфоры (см. Иллюстрацию выше для сравнения), что подтверждает теорию о том, что образец Тамана несет эффект длительного окисления.Кислород действительно может присутствовать в разных «сегментах» молекулы. Те «сегменты», которые определяют химические свойства вещества, называются функциональными группами.
Чтобы определить функциональные группы веществ в образце, ученые использовали реакцию обмена водород / дейтерий. Принцип, лежащий в основе этого метода, заключается в том, что дейтерий (D), также известный как тяжелый водород, заменяет только те атомы водорода (H), которые являются частью функциональной группы.
Замена атома водорода в молекуле атомом дейтерия приводит к смещению его пика на диаграмме масс-спектра. Оказалось, что в случае древнего битума произошел дополнительный обмен водород / дейтерий по сравнению со свежим образцом.
Это привело авторов статьи к выводу, что образец из амфоры содержал молекулы не только с одной ОН-группой, но и с двумя ОН-группами, которые являются продуктами процесса деградации.Научный руководитель работы — профессор Евгений Николаев, научные руководители Лаборатории ионной и молекулярной физики МФТИ, одноименной лаборатории Института энергетических проблем химической физики РАН и Лаборатории масс-спектрометрии Сколтеха. Космический центр.
Он и докторант Сколтеха Юрий Костюкевич, проводивший основные эксперименты в рамках этого проекта, поделились своим взглядом на открытие: «Масс-спектрометрия сверхвысокого разрешения — чрезвычайно мощный метод в аналитической химии. Применяется в нефтехимии, археологии и медицине. ценное понимание молекулярного состава вещества.
Анализ древних битумов уже многое показал о превращениях, которым нефть претерпевает на протяжении тысячелетий. Благодаря масс-спектрометрии мы могли бы получить новую информацию о грузоперевозках и торговые пути в древнем мире ".