Исследователи из МФТИ, Сколтеха, ОИВТ РАН и МГУ предложили новый подход к исследованию состава нефти. Ученые доказали, что при повышении температуры и давления возможно получить водный раствор, и провели анализ его состава. Метод соответствует принципам «зеленой химии», позволяя отказаться от использования небезопасных для экологии растворителей. Работа опубликована в журнале Analytical and Bioanalytical Chemistry.
В чистом виде нефть практически не используется. Чтобы сделать процесс переработки максимально эффективным, необходимо знать, из каких компонентов состоит исходное сырье. В нефти их насчитывается более 400 тысяч, причем состав образца зависит от месторождения, на котором он был добыт. Исключительная сложность состава не позволяет разделить нефть на отдельные компоненты. До сих пор относительно мало изучены тяжелые (не улетучивающиеся при нагреве до 300°С) фракции. Известно, что в основном они состоят из фенолов, кетонов, карбазолов, пиридинов, хинолинов, дибензофуранов и карбоновых кислот. При этом многие углеводороды имеют одинаковый элементный состав. Они обладают определенным набором атомов углерода, водорода и кислорода, но имеют разное строение, то есть являются изомерами друг друга.
Метод масс-спектроскопии дает информацию о элементном составе вещества и молекулярной массе, но не всегда в силах различить изомеры. Дополнительную информацию можно получить с помощью изотопного обмена. Этот метод основан на том, что кислород (или водород) в различных соединениях, в данном случае в нефти, с разной интенсивностью замещается своим изотопом — тем же элементом, но обладающим иной массой. Самый удобный и безопасный источник изотопов кислорода и водорода — вода, однако при обычных условиях нефть в ней не растворяется, поэтому ранее применялись высококонцентрированные кислоты или щелочи. Но кислота, особенно при высоких температурах, разрушает органические соединения, тем самым изменяя состав образца.
Тем не менее, известно, что нерастворимые в воде соединения могут быть растворены в перегретой, так называемой сверхкритической воде, температура которой значительно превышает 100°С, поэтому было решено применить этот подход и к нефти. Авторы работы доказали, что при повышении температуры и давления получить водный раствор нефти возможно, и провели анализ ее состава. Образец нагревали до 360°С вместе с тяжелой водой (в которой водород заменен дейтерием) или тяжелокислородной (кислород 16O заменен на 18O) при давлении более 300 атмосфер в течение часа.
Ученые сравнивали масс-спектры исходного образца и образца после реакции обмена. Полученные данные позволили получить больше информации о структуре входящих в состав нефти соединений. Подобный метод может применяться для исследования и других сложных неполярных соединений на молекулярном уровне.
«Изотопные метки могут вставать только в определенные места молекулы по аналогии с принципом ключ-замок. Измеряя количество обменов методом масс-спектрометрии сверхвысокого разрешения мы можем получать информацию о структуре молекул даже тогда, когда выделить чистое вещество и установить его структуру другими методами невозможно», — отметил руководитель лаборатории масс-спектрометрии Сколтеха, профессор МФТИ Евгений Николаев.
