古代絲織品藍色染料的顯微光譜分析

0古代織物染料的檢測方法中國的紡織品染色歷史悠久，可以追溯到新石器時代，在商周達到相當高的水平[1.2]。染料是指能溶于水中并能直接或借助助劑染于纖維而顯示色彩的有機物質[3~4]。有機合成染料于19世紀晚期出現,古代紡織品上的染料多為天然植物染料。古代紡織品植物染料的科學測試是中國紡織品科技考古和鑒定工作的重點。明確染色文物染料的種類和基本性能,研究其染色工藝對紡織品修復、復制有著十分重要的作用。植物染料常用的分析測試方法分為色譜法和光譜法。色譜法中最為常見的是高效液相色譜,常用于染料測定的光譜法有紫外-可見光譜法、三維熒光光譜法和全內部反射激光分光法等。國外有報道對從古代織物上提取的染料進行高效液相色譜、薄層色譜、分子光譜等分析[6~10]。在國內,最早是上海紡織科學研究院在研究馬王堆出土織物時對其中的一些染色和印花織物進行了測試,后來,北京紡織科學研究所對定陵出土的黃色織物也曾作過染料測試。近年來,山東考古研究所的張雪蓮和上海博物館的陳元生、解玉林等[12~13]也對古代毛織物染料測試做了很多嘗試。其所用的方法不僅有薄層色譜、紅外光譜法,還采用了高效液相色譜、質譜及快原子轟擊質譜法等分析方法。此外,北京大學張曉梅等通過薄層色譜和拉曼光譜對唐代絲綢樣品藍色染料進行分析,并比較了這兩種方法的利弊。以上的研究中,古織物染料的分析鑒定多需要萃取色素,由于出土染織品異常珍貴,可供染料萃取的更為稀少。樣品多為從織物脫落的少量絲線,色素成分復雜,含量很低,況且某些色素組分因自然降解而消失,分析鑒定難度較大。本研究綜合采用顯微共焦拉曼光譜無損分析技術(Micro-Raman)與薄層色譜(TLC)、紫外-可見吸收光譜(UV-Vis)、高效液相色譜(HPLC)微損分析技術,對一組古代絲織品上藍色染料進行分析鑒定。此外,還對藍色染料標準色素進行了紫外光、高溫、高濕老化試驗,明確其降解原因,以期建立起一套行之有效的藍色植物染料分析和鑒定方法。1試驗和分析1.1樣品測試樣品共四種,均為修復過程中從織物本體脫落的少量絲線(長度最小的約1cm),有藍色、淺藍色色調。樣品情況詳見表1。1.2分析步驟和測試條件1.2.1染料色素成分的鑒定首先使用萬能顯微鏡(德國萊卡DM4000)及掃描電鏡(日本日立S-3400N)對樣品染料保存狀況進行觀察,然后用拉曼光譜技術初步判定樣品染料組成,采用超聲波方式以冰醋酸或吡啶為萃取劑對樣品藍色染料進行提取。對比標準色素和古樣品提取色素的紫外-可見吸收光譜、薄層色譜以及高效液相色譜,鑒定樣品染料色素成分。然后對靛藍試劑進行UVA紫外光(主波長365nm,距樣品13cm)、高溫(T=50℃,RH=60%)、高濕(室溫,RH=85%)老化試驗,通過對比相同濃度與測試條件下老化前后靛藍試劑的高效液相色譜,探討藍色染料的降解原因及機理。1.2.2檢測儀器和分析方法1)顯微共焦拉曼光譜。該儀器為法國JY公司LabRAMHR800型激光顯微共焦拉曼光譜儀。在室溫、暗室條件下,采用λ0=785nm的激發光源(半導體激光器),物鏡50倍長焦,信號采集時間10~30s,累加次數1~2次,光柵600,狹縫寬度100μm,儀器分辨率2cm-1,光斑尺寸1μm,采用單晶硅片校準,光譜測試范圍4000~100cm-1,在顯微鏡下找準染料測試點,進行聚焦后測試,樣品表面的激光功率2~3mW。2)紫外-可見分光光度計。日本島津UV-1800型紫外可見分光光度計。分別以各染料提取試劑作為空白,掃描波長范圍190~800nm。該儀器檢測靈敏度較高,定性分析中,配制100mL溶液,最少樣品量可達10-6g。3)薄層色譜。薄層色譜法是一種物理分離分析方法,當前常用于染料的分析中,最佳樣品量0.5~3mg/mL。將未知染料試樣和標準染料試樣同時在薄層板上點樣,比較展開后的斑點形狀、顏色和Rf值,從而判斷位置樣品的性質。試驗采用硅膠GF254薄層板(10×20cm),薄層厚度0.20~0.25mm。4)高效液相色譜。高效液相色譜是快速的微量分析工具,最低檢出限可達10-7~10-12g。當分析條件一定,任何物質都有確定不變的保留時間,通過比較未知物與已知物的保留時間,即能判別某一色譜峰所代表的組分。該儀器為德國LUMTECHK-501高效液相色譜儀,5500自動進樣器,K-2600多通道紫外檢測器,EastChromPlus數據處理工作站。色譜柱:PhenomenexLunaC18(250mm×4.60mm,5μm);分析方法:流動相:甲醇-水(80:20);紫外檢測器:檢測波長286nm;進樣量:20L;流速1mL/min。5)紅外光譜。日本島津IRPrestige-21傅立葉變換紅外光譜儀。采用KBr壓片法,取3mg樣品,與300mgKBr混合制樣,檢測范圍4000~400cm-1,分辨率4cm-1。2結果與討論2.1掃描電鏡照片對古織物樣品纖維取樣后,在萬能顯微鏡以及掃描電鏡下觀察。如圖1a為扇套藍色纖維的放大1000倍的顯微鏡縱面照片;圖1b為其放大2000倍的掃描電鏡圖片。從兩張圖片均可看出,纖維中間透明,邊界清晰,除一些藍色染料及塵土小顆粒沾染外,無明顯橫截紋及縱向溝紋。同樣藍棉襖藍色、淺藍色纖維以及百納枕頂(文章中統稱為元代鴿子洞出土文物)藍色纖維在萬能顯微鏡下放大1000倍(圖2)均具有相同的特征,屬于絲纖維,可以看到藍色染料降解較為嚴重。2.2藍草中植物細胞的結構古代藍色植物染料均是運用藍草中所含靛質進行染色,人類應用靛藍染色的歷史可以追溯到四千多年前。據古文獻記載,相傳在夏代,我國就開始種植藍草。1880年,AdolfvonBayer用化學方法合成了靛藍,傳統的靛藍生產也就日漸式微。但是,在國家級非物質文化遺產保護名錄中,傳統的藍印花布、蠟染和扎染中使用的染料均為靛藍,而目前僅有少數地區還在進行傳統的制靛工作。常見的藍草有菘藍、蓼藍、馬藍等,色素主要集中在葉和莖部。所有藍草中均有可以縮合成靛藍的吲哚酚(也稱吲羥)[18~19],但它在各植物細胞中的存在形式卻是有所不同。其中菘藍中的形式為菘藍甙,當它遇到堿時即可水解游離出吲哚酚,吲哚酚在熱水或堿性溶液中發生酮式互變異構現象,兩分子吲哚酮在堿性條件下發生縮合反應從而氧化為靛藍(C16H10N2O2);而其他藍草如蓼藍、馬藍中是靛甙,必須經過長時間的發酵、在生物酶和酸的作用下才能水解游離出吲哚酚。吲哚酚氧化縮合時,若溫度過高、堿性過強,則會生成一種靛藍的同分異構體靛玉紅。靛藍素和靛玉紅的分子結構式見圖3。可見靛藍素分子與靛玉紅分子的所有原子均處于同一平面,兩個分子都是由碳骨架及環上的氮原子參與的大的共軛體系構成。靛藍分子中存在的氫鍵是對稱的(順式靛藍),而靛玉紅則沒有對稱結構(反式靛藍),理論上來說,靛玉紅分子的穩定性高于靛藍。2.2.1扇套藍色紗線應系藍色織物采用非接觸式拉曼光譜無損鑒定古代絲織品藍色染料。圖4為標準靛藍試劑(北京市旭東化工廠,化學純,分子式:C16H10N2O2),扇套藍色絲線以及采用吡啶作為色素萃取劑使該絲線脫色后的拉曼光譜圖。由圖4可見,標準靛藍的拉曼特征峰位出現在103w、132m、175vw、252m、311w、544m、599m、675w、756w、1224w、1310m、1362w、1460w、1572vs。扇套藍色絲線拉曼峰位出現在102、133、175、252、310、545、598、675、762、1228、1460、1575cm-1,與標準靛藍拉曼光譜相似度較好,而脫色后的絲線完全不具備靛藍的特征,說明扇套藍色絲線應系靛藍染色。圖5為鴿子洞出土紡織品藍色染料拉曼光譜與標準靛藍的比較,可以看到具有很好的吻合度。可見利用激光拉曼光譜在顯微鏡下找到適合的測試點可以實現對紡織品上藍色染料2.2.2體驗結果及分析用試劑吡啶超聲萃取B1、B3、B4藍色染料1.5h,有較多的藍色染料剝落下來。以靛藍試劑、含靛藍的中草藥青黛作為對照樣品,配置成靛藍、青黛溶液,與以上剝色試樣萃取液做紫外-可見吸收光譜測試,以吡啶作為參比溶液(301nm以下的紫外區有強吸收),掃描波長范圍190~800nm。由圖6可見,樣品B1、B3、B4均在610nm附近有最大吸收峰,與靛藍、青黛的最大吸收波長位置基本一致,可見均為同一物質靛藍素染色。采用試劑冰醋酸超聲提取B2、B4藍色染料1h,有少量藍色染料被剝落,同樣以靛藍試劑、中草藥青黛作為對照樣品,配置成的靛藍、青黛溶液,以冰醋酸作為參比溶液(249nm以下的紫外區有較強吸收),各測試其紫外可見吸收光譜(圖7)。由圖7可的無損測定,不需要繁瑣的染料剝離過程。當然由于古織物染料自身、媒染物或其他污染物的影響,染料測試中易出現較強的熒光背景,掩蓋了某些拉曼信號。所以顯微共焦拉曼在古織物染料鑒定中的應用尚存在一定局限性,需要結合其他分析手段予以確認。知,樣品B2、B4與靛藍、青黛類似,均在286、616nm有特征吸收,顯示樣品B2、B4與靛藍、青黛物質分子中的生色團(助色團)相同,應該帶有苯環。青黛冰醋酸溶液還在406.5nm處有特征吸收,可見青黛作為一種含有靛藍的中草藥,還具有其他成分。對比以吡啶和冰醋酸提取的藍色染料610nm附近的特征吸收可知,冰醋酸提取溶液峰位出現紅移,這和該溶液的極性較大有關。可見古織物藍色染料均為有機物,為藍草中的提取物靛藍色素染色。試劑吡啶或者冰醋酸均可作為古織物藍色染料的萃取劑。因為吡啶在301nm以下的紫外區有強吸收,冰醋酸在249nm以下的紫外區有較強吸收,綜合對比來說在紫外-可見吸收光譜測試中,冰醋酸是較為理想的藍色染料萃取劑。2.2.3供試溶液及條件采用薄層色譜法測試扇套藍色絲線染料色素,將絲線蒸餾水洗凈,以吡啶溶液超聲萃取樣品藍色染料,大部分染料被剝取,證明應為有機染料。稱量參比物靛藍試劑0.0221g、青黛0.0203g,量取吡啶各10mL,配成約為2mg/mL的供試溶液。將樣品染料萃取液、標準靛藍、青黛吡啶溶液以微量注射器各吸取2~5μL,同時以薄層層析法做展開分析。試驗條件為基質:硅膠GF254(成品);溫度:27℃;時間:45min;展開劑:苯:三氯甲烷:丙酮=50:40:10(V/V),展開結果見表2。從表2可以看出,樣品藍色染料提取液與標準靛藍、青黛二者相應的斑點、顏色一致,而且Rf值非常接近,證明樣品染料藍色素與標準靛藍、青黛為同一種物質。2.2.4藍草中植物葉片主成分分析將各藍色染料織物樣品,靛藍素和靛玉紅標準品(中國藥品生物制品檢定所),靛藍試劑,青黛用冰醋酸分別萃取,將該染料溶液在高效液相色譜上分析,實驗結果見圖8。分析圖譜可知靛藍素標準品的主峰保留時間為6.7min,靛玉紅標準品的主峰保留時間為9.4min。靛藍與青黛所含色素成分一致,皆共有兩個主峰,這兩個主峰分別代表靛藍素(indigo)和靛玉紅(indirubin)的流出峰。各文物樣品染料的兩個主峰保留時間與試劑靛藍、青黛主峰的保留時間基本一致,可以說明各藍色染料主要成分都是靛藍素和靛玉紅。靛藍素和靛玉紅為同分異構體,均是藍草中靛藍的主要成分,由此可以推斷和樣品藍色均系用靛藍染色。由于各樣品染料制靛工藝或者色素老化狀況的不同,這幾個樣品兩成分之間比例不同,通過對兩個主峰峰面積進行積分,計算這兩組分的相對含量(表3)。可見靛藍與青黛標準品中靛藍素相對含量達72%以上,靛玉紅含量相對較低,這樣染出來的藍色色彩明度才會比較大。樣品中B2、B4靛藍素依然為主要色素成分,靛藍素相對含量可達88%以上;而樣品B1、B3,特別是樣品B3靛藍素相對含量僅為3.46%,可能由于降解較為嚴重或者為了染色色調的需要而調整制靛工藝(溫度過高或者pH過大)而得。2.3高溫、高濕老化將靛藍試劑分為三組,第一組置于紫外老化箱中老化(T=17.9~20℃,RH=35%),采用UVA燈(主波長365nm),紫外輻照度1153μW/cm2;一組置于恒溫恒濕試驗箱(T=50℃,RH=60%)進行高溫老化,另一組置于KCl飽和鹽水控制的干燥器(內T=20℃,RH=85%)進行高濕老化。光照老化2個月,高溫、高濕老化各6個月后取出進行高效液相色譜(HPLC)測試。圖9為靛藍試劑紫外光照射2個月后的HPLC圖,通過與圖8靛藍試劑未老化前HPLC圖對比可知,可能由于老化時間較短,靛藍素流出信號變化并不顯著;而靛玉紅流出信號變微弱,相對含量降低較明顯。圖10為高溫老化后的HPLC圖,靛藍素、靛玉紅流出信號相當微弱,特別是靛藍素(順式靛藍)相對含量降低非常明顯,可見較之靛玉紅(反式靛藍),靛藍素更不耐高溫老化。圖11是靛藍試劑高濕老化后的HPLC圖,靛藍素、靛玉紅流出信號較為微弱,可見高濕環境促使了靛藍素和靛玉紅含量的降低。3拉曼光譜技術的局限性1)綜合采用顯微共焦拉曼光譜無損分析技術(Micro-Raman)與薄層色譜(TLC)、紫外-可見吸收光譜(UV-Vis)、高效液相色譜(HPLC)無損分析手段,對微量的絲織品藍色染料色素鑒定來說顯然非常有效。激光拉曼技術不需要繁瑣的染料萃取過程,可對織物藍色染料實現迅速、原位無損測試。但由于古織物染料自身、媒染物或其他污染物的影響,染料測試中易出現較強的熒光背景,掩蓋了某些拉曼信號。表面增強拉曼光譜技術雖然可以減少熒光信號,卻失去了無損分析的優勢。所以拉曼光譜技術在染料鑒定中的應用尚存在一定局限性。而薄層色譜、高效液相色譜等其他手段需要微量樣