Битум – форма нефти, найденной в естественных депозитах. Его использование относится ко времени Каменного века. Слово ‘мама’, например, происходит от персидской ‘мамы’ или ‘битума’, потому что это вещество использовалось в бальзамировании.
Греки использовали битум в строительстве, лекарство и войну – возможно, что легендарный ‘греческий огонь’ был основан на битуме. Самая старая амфора, заполненная битумом (5-й век BCE), была обнаружена российскими археологами на полуострове Тамань, высоко вулканически активный регион (многочисленная нефть просачивается, расположены там), и возможный источник битума, импортированного греками.Больше кислорода с течением времени
Анализ древних образцов битума может показать их возраст и происхождение. Американские исследователи использовали маму, чтобы продемонстрировать, что древний египетский битум не прибыл исключительно из Мертвого моря. Если возраст образца битума от амфоры действительно близко к 2 500 годам, это подразумевает длительный период биологического распада из-за деятельности бактерий, вызывая окисление органических молекул в битуме, т.е. постепенное введение дополнительного кислорода в образец. Это означает, что более старые образцы содержат больше атомов кислорода.
Элементный анализ таманского образца указал на кислород (O) содержание 11%, в противоположность 1% или меньше в новых нефтяных образцах, с другими элементами – углеродом (C), водород (H), азот (N), и сера (S) – существующий в нормальных суммах. Это указывает, что образец ухудшался в течение долгого времени в амфоре; по-видимому, это было там в течение 2 500 лет. Однако элементный анализ не определяет виды молекул, существующих в образце. Чтобы сделать это, исследователи использовали масс-спектрометрию ультрас высоким разрешением.
Масс-спектрометрия – аналитическая техника что заряженные частицы видов в электрическом и/или магнитном поле на основе их отношения массы к обвинению (m/z). Молекулы с начальной буквой z ценность 0 заряжены (ионизированный). Магнитное / электрическое поле позволяет ионам быть отделенными, в этом случае пространственно.
Датчик определяет отношение массы к обвинению частицы своим пунктом ‘приземления’. Массовый спектр – граф интенсивности сигнала датчика (на вертикальной оси) против отношения массы к обвинению (на горизонтальной оси).
Массовый спектр – образец пиков, каждый соответствующий иону с определенным отношением массы к обвинению. Это позволяет идентификацию учредительных веществ в образце.Массовые спектры битума от амфоры (A), нефть из Сибири, которая была выставлена озону (B), и нефть из Сибири перед воздействием озона (C).Более близкий взгляд
Различение многочисленных пиков в массовых спектрах битума друг от друга является проблемой. Чтобы сделать это, исследователи использовали продвинутые методы масс-спектрометрии ультрас высоким разрешением, развитые в лаборатории, которая позволила им отличать молекулы, массы которых отличаются только частью того из электрона.
Это означало, что не один из отдельных компонентов в образце битума – и есть десятки тысяч их – избежал их внимания. Они также определили элементный состав элементов. Анализ показал, что среди веществ в таманском образце битума, которые содержат кислород, у большинства есть четыре – девять кислорода (O) атомы.
Образцы обычной нефти, однако, содержат многочисленные комплексы с двумя атомами кислорода и очень немногими из тех с тремя или четырьмя атомами кислорода. Выставляя нефть озону (O) приводит к окислению и предоставляет вещества с содержанием кислорода, подобным тому из битума от амфоры (см. иллюстрацию выше для сравнения), который поддерживает теорию, что таманский образец имеет эффект длительного окисления.Кислород может на самом деле присутствовать в различных ‘сегментах’ молекулы. Те ‘сегменты’, которые определяют химические свойства вещества, упоминаются как функциональные группы.
Чтобы определить функциональные группы веществ в образце, ученые использовали реакцию обмена водородом/дейтерием. Принцип позади этой техники – то, что дейтерий (D), также известный как тяжелый водород, только заменит тех водород (H) атомы, которые являются частью функциональной группы.
Замена атома дейтерия для водородного атома в молекуле заставляет свой пик на массовой диаграмме спектра быть перемещенным. Оказалось, что был дополнительный обмен водородом/дейтерием в случае древнего битума, когда по сравнению с новым образцом. Это лидерство авторы статьи, чтобы прийти к заключению, что образец от амфоры содержал молекулы не только с одной, О, группа, но также и с два, О, группы, которые являются продуктами процесса деградации.Научный руководитель этой работы – профессор Евгений Николаев, научная Лаборатория MIPT’s голов Иона и Молекулярной Физики, той же самой лаборатории имени в Институте Энергетических проблем Химической Физики (Российской академии наук) и Лаборатория Масс-спектрометрии в Космическом центре Skoltech.
Он и Юрий Костюкевич постдокторский исследователь в Skoltech, который выполнил главные эксперименты в этом проекте, разделили свой взгляд на открытие – «Масс-спектрометрия Ультрас высоким разрешением, очень сильная техника в аналитической химии. Относившийся нефтехимия, археология и медицина это обеспечивает ценное понимание молекулярного состава вещества. Анализ древнего битума уже показал много о преобразованиях, которым нефть подвергается в течение тысячелетий.
Благодаря масс-спектрометрии мы могли бы быть в состоянии получить новую информацию о движении товаров и торговых маршрутах в древнем мире».