成分分析——揭示古希臘陶瓷雙耳罐中的秘密

材料牛注：對古老的文物進行質譜分析，能夠精確地判斷其中的物質成分，幫助分析它們在歷史長河中所經歷的變換，分分鐘帶你穿越數千年。超高分辨率質譜分析還對石油化工、醫藥和分析化學等領域具有意義非凡的價值。

俄羅斯科學家在一個舊花瓶中檢測出最古老的瀝青樣品的組成成分，并精確推測出它的年代。來自莫斯科物理技術學院、斯科爾科沃科學與技術學院、材料文化歷史學院、托爾羅斯環境問題理化學院和俄羅斯科學院伊曼紐爾生化物理學院的科學家們，在Journal of Mass Spectrometry上共同發表了一篇文章，提出了一種新型有效的有機化合物分析方法并介紹了相應的設計軟件。

瀝青是石油自然沉積物的一種。它的使用可以追溯到石器時代。比如，木乃伊（mummy）這個詞就是從波斯語中的“瀝青”(bitumen)演化而來，因為這種物質是被用來對尸體作防腐處理的。古希臘人在建筑、醫藥和戰爭中都會使用瀝青，傳說中的希臘之火很有可能也是由瀝青點燃的。俄羅斯考古學家在塔曼半島發現的最古老的陶瓷雙耳罐（約公元前5世紀）中含有大量的瀝青。塔曼半島是火山頻發區，大量石油滲出地表，這里很有可能是古希臘瀝青的來源地之一。

氧化日益嚴重

通過分析能夠得到古老瀝青樣品的年代和產地。美國科學家曾利用一具木乃伊證明古埃及的瀝青并不是僅僅來自死海地區。如果陶瓷雙耳罐中的瀝青真的有接近2500年的歷史，這意味著生物降解的時間會更長，這是由于細菌的活動使瀝青中的有機分子不斷氧化，氧含量逐漸增加。這也就是說，樣品越古老，含氧量越大。

元素分析結果顯示，塔曼半島樣品的氧含量為11%，而在剛開采的原油中氧含量只有1%甚至更少，而碳、氫、氮、硫等其他元素含量無明顯差異。這表明，陶瓷雙耳罐里的瀝青已經被降解很長時間了，顯然，已經長達2500年了。但是，元素分析并不能檢測出物品中的分子種類，因此，科學家們采用了超高分辨率質譜分析方法。

質譜分析法，是一種在電場或磁場中利用帶電物質粒子質荷比（m/z）的差異，識別成分的分析技術。質子數（z）為0的分子是帶電的（電離態）。磁場或者電場能使離子在空間上分開。由于不同粒子的質荷比不一樣，經過磁場或電場后的運動軌跡也不一樣，導致最終落點在不同位置，從而被探測器捕捉。質譜圖像中，橫坐標是質荷比，縱坐標是探測信號強度。質譜測量出不同質荷比的離子所對應的特征峰，以此檢測出物品中的組成成分。

例如，陶瓷雙耳罐中瀝青的質譜為A，暴露于臭氧環境中的自西伯利亞石油的質譜為B，以及未暴露于臭氧的自西伯利亞石油的質譜為C。

進一步的研究

逐個分析瀝青質譜中眾多峰值是一項艱難的工作。所以，科學家們采用了一種新發明的先進超高分辨率質譜技術，它能區分質量僅相差一個電子重量的成分。這意味著，不只是一種成分被忽略了，而是成千上萬種。他們還測定出各種成分的元素構成。分析表明，半島瀝青樣品中含氧的物質里，大多數含有4到9個氧原子。然而，普通石油中的大多數化合物都只含有2個氧原子，只有極少數具有3或4個氧原子。石油放置于臭氧環境中會導致氧化，使其含氧量與陶瓷雙耳罐中瀝青相似，這也證明了塔曼半島的瀝青經歷了很長的氧化過程。

氧原子會出現在分子中的不同“部位”。這些決定著物質的化學性質的不同“部位”叫做官能團。科學家使用氕/氘交換反應來檢測物質中不同的官能團。這種技術的原理是，氘(即重氫)只能置換某一種官能團中的氫原子，這種置換會使得該分子質譜中的峰值偏移。結果顯示，相比于先開采的瀝青樣品，在古老瀝青樣品中置換反應要多一個。該文章的作者們因此斷定，陶瓷雙耳罐由于氧化過程產生了兩個OH官能團，而不是只有一個。

Evgeny Nikolaev教授是這項研究工作的負責人，也是莫斯科物理技術學院粒子物理實驗室、俄羅斯科學院環境問題理化學院粒子物理實驗室以及斯科爾科沃科學與技術學院空間中心質譜實驗室的科研主管。他和斯科爾科沃科學與技術學院的博士后Yuri Kostyukevich完成了該課題的大部分實驗工作，他們宣稱：“超高分辨率質譜分析是分析化學領域的一項具有強大功能的技術。”在石油化工，考古和醫藥領域，它可以提供物質成分的有效信息。對古老瀝青的分析已經顯示出石油在數千年間經歷的種種變化。正是因為有了質譜分析技術，我們才能獲得古代商貿路線方面的新信息。

參考原文鏈接：Scientists use mass spectrometry to 'look inside' an ancient Greek amphora

本文由材料人編輯部杜征崢提供素材，WDY編譯，薛文嘉審核，點我加入材料人編輯部。