Wissenschaftler verwenden Massenspektrometrie, um eine antike griechische Amphore zu analysieren

DOCUMENTAL - LA MAQUINARIA MILITAR ANTIGUA - A LAS ARMAS 1 - DOCUMENTAL DE HISTORIA - ANTIGUEDAD (Kann 2019).

Anonim

Russische Wissenschaftler haben die Bestandteile der ältesten Bitumenprobe in einer alten Vase identifiziert und eine genaue Schätzung ihres Alters vorgenommen. In einem Artikel im Journal of Mass Spectrometry schlägt die Forschungskooperation einen neuen und effektiveren Ansatz für die Analyse organischer Verbindungen vor und führt speziell entwickelte Software ein.

Bitumen ist eine Form von Erdöl in natürlichen Lagerstätten gefunden. Seine Verwendung stammt aus der Steinzeit. Das Wort "Mumie" zum Beispiel leitet sich vom persischen Wort für Bitumen ab, weil diese Substanz beim Einbalsamieren verwendet wurde. Die Griechen verwendeten Bitumen in Konstruktion, Medizin und Kriegsführung - es ist möglich, dass das legendäre griechische Feuer auf Bitumen basierte. Die älteste mit Bitumen gefüllte Amphore (5. Jahrhundert v. Chr.) Wurde von russischen Archäologen auf der Taman-Halbinsel entdeckt, einer vulkanisch aktiven Region (dort befinden sich zahlreiche Erdölsicker) und eine mögliche Quelle des von den Griechen importierten Bitumens.

Mehr Sauerstoff im Laufe der Zeit

Die Analyse von alten Bitumenproben kann ihr Alter und ihre Herkunft offenbaren. Amerikanische Forscher haben eine Mumie verwendet, um zu zeigen, dass altes ägyptisches Bitumen nicht ausschließlich aus dem Toten Meer stammt. Wenn das Alter der Bitumenprobe aus der Amphore tatsächlich etwa 2.500 Jahre beträgt, bedeutet dies eine längere biologische Abbauzeit aufgrund der Aktivität von Bakterien, die eine Oxidation der organischen Moleküle in Bitumen bewirkt, dh die allmähliche Einführung von zusätzlichem Sauerstoff in die Probe. Dies bedeutet, dass ältere Proben mehr Sauerstoffatome enthalten.

Die Elementaranalyse der Taman - Probe zeigte einen Sauerstoffgehalt (O) von 11%, im Gegensatz zu 1% oder weniger in frischen Petroleumproben, mit den anderen Elementen - Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H), Stickstoff (N) und Schwefel (S) wurde in erwarteten Mengen gefunden. Dies deutet darauf hin, dass sich die Probe in der Amphore lange Zeit verschlechtert hatte; anscheinend war es seit 2500 Jahren dort. Die Elementaranalyse identifiziert jedoch nicht die Arten von Molekülen, die in der Probe vorhanden sind. Zu diesem Zweck verwendeten die Forscher ultrahochauflösende Massenspektrometrie.

Massenspektrometrie ist eine analytische Technik, die geladene Teilchen in einem elektrischen und / oder magnetischen Feld basierend auf ihrem Masse-zu-Ladung-Verhältnis (m / z) sortiert. Moleküle mit einem anfänglichen z-Wert von 0 werden geladen (ionisiert). Ein magnetisches / elektrisches Feld trennt Ionen - in diesem Fall räumlich. Der Detektor bestimmt das Masse-zu-Ladung-Verhältnis eines Teilchens durch seinen Auftreffpunkt. Ein Massenspektrum ist ein Diagramm der Detektorsignalintensität (auf der vertikalen Achse) gegen das Masse-zu-Ladungs-Verhältnis (auf der horizontalen Achse). Ein Massenspektrum ist ein Muster von Peaks, die jeweils einem Ion mit einem spezifischen Masse-zu-Ladung-Verhältnis entsprechen. Es ermöglicht die Identifizierung der Inhaltsstoffe in der Probe.

Massenspektren von Bitumen aus der Amphore (A), Erdöl aus Sibirien, das Ozon ausgesetzt wurde (B), und Erdöl aus Sibirien vor der Ozonbelastung (C).

Eine genauere Betrachtung

Es ist eine Herausforderung, die zahlreichen Peaks in den Massenspektren von Bitumen voneinander zu unterscheiden. Dafür nutzten die Forscher die im Labor entwickelten hochaufgelösten Massenspektrometrietechniken, mit denen sie Moleküle unterscheiden konnten, deren Massen sich nur um einen Bruchteil eines Elektrons unterscheiden. Dies bedeutete, dass nicht eine der einzelnen Komponenten in der Bitumenprobe von Zehntausenden ihrer Aufmerksamkeit entging. Sie bestimmten auch die elementare Zusammensetzung der Bestandteile. Die Analyse ergab, dass unter den Substanzen in der Taman-Bitumenprobe, die Sauerstoff enthalten, die meisten vier bis neun Sauerstoffatome (O) haben. Proben von gewöhnlichem Erdöl enthalten jedoch zahlreiche Verbindungen mit zwei Sauerstoffatomen und sehr wenige von solchen mit drei oder vier Sauerstoffatomen. Das Aussetzen von Erdöl gegenüber Ozon führt zur Oxidation und verleiht Substanzen mit einem Sauerstoffgehalt ähnlich dem des Bitumens von der Amphore, was die Theorie stützt, dass die Taman-Probe die Wirkung einer verlängerten Oxidation trägt.

Sauerstoff kann tatsächlich in verschiedenen "Segmenten" eines Moleküls vorhanden sein. Diejenigen "Segmente", die die chemischen Eigenschaften des Stoffes bestimmen, werden als funktionelle Gruppen bezeichnet. Um die funktionellen Gruppen der Substanzen in der Probe zu identifizieren, nutzten die Wissenschaftler die Wasserstoff / Deuterium-Austauschreaktion. Das Prinzip hinter dieser Technik ist, dass Deuterium (D), auch als schwerer Wasserstoff bekannt, nur diejenigen Wasserstoffatome (H) ersetzt, die Teil einer funktionellen Gruppe sind. Die Substitution eines Deuteriumatoms für ein Wasserstoffatom in einem Molekül bewirkt, dass sein Peak auf dem Massenspektrumsdiagramm verschoben wird. Es stellte sich heraus, dass es im Fall des alten Bitumens einen zusätzlichen Wasserstoff / Deuterium-Austausch gab, verglichen mit der frischen Probe. Dies führte die Autoren der Arbeit zu der Schlussfolgerung, dass die Probe aus der Amphore Moleküle nicht nur mit einer OH-Gruppe, sondern auch mit zwei OH-Gruppen, die Produkte des Abbauprozesses sind, enthielt.

"Die ultrahochauflösende Massenspektrometrie ist eine immens leistungsfähige Technik in der analytischen Chemie. In der Petrochemie, Archäologie und Medizin bietet sie einen wertvollen Einblick in die molekulare Zusammensetzung eines Stoffes. Die Analyse von altem Bitumen hat bereits viel über die Umwandlungen offenbart Erdöl wird im Laufe von Jahrtausenden verarbeitet. Dank der Massenspektrometrie könnten wir neue Informationen über den Warenverkehr und die Handelsrouten in der Antike erhalten ", sagte Professor Evgeny Nikolaev, einer der Leiter des Projekts.

menu
menu