古代丝织品蓝色染料的显微光谱分析

古代丝织品蓝色染料的显微光谱分析

0古代织物染料的检测方法中国的纺织品染色历史悠久，可以追溯到新石器时代，在商周达到相当高的水平[1.2]。染料是指能溶于水中并能直接或借助助剂染于纤维而显示色彩的有机物质[3~4]。有机合成染料于19世纪晚期出现,古代纺织品上的染料多为天然植物染料。古代纺织品植物染料的科学测试是中国纺织品科技考古和鉴定工作的重点。明确染色文物染料的种类和基本性能,研究其染色工艺对纺织品修复、复制有着十分重要的作用。植物染料常用的分析测试方法分为色谱法和光谱法。色谱法中最为常见的是高效液相色谱,常用于染料测定的光谱法有紫外-可见光谱法、三维荧光光谱法和全内部反射激光分光法等。国外有报道对从古代织物上提取的染料进行高效液相色谱、薄层色谱、分子光谱等分析[6~10]。在国内,最早是上海纺织科学研究院在研究马王堆出土织物时对其中的一些染色和印花织物进行了测试,后来,北京纺织科学研究所对定陵出土的黄色织物也曾作过染料测试。近年来,山东考古研究所的张雪莲和上海博物馆的陈元生、解玉林等[12~13]也对古代毛织物染料测试做了很多尝试。其所用的方法不仅有薄层色谱、红外光谱法,还采用了高效液相色谱、质谱及快原子轰击质谱法等分析方法。此外,北京大学张晓梅等通过薄层色谱和拉曼光谱对唐代丝绸样品蓝色染料进行分析,并比较了这两种方法的利弊。以上的研究中,古织物染料的分析鉴定多需要萃取色素,由于出土染织品异常珍贵,可供染料萃取的更为稀少。样品多为从织物脱落的少量丝线,色素成分复杂,含量很低,况且某些色素组分因自然降解而消失,分析鉴定难度较大。本研究综合采用显微共焦拉曼光谱无损分析技术(Micro-Raman)与薄层色谱(TLC)、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)、高效液相色谱(HPLC)微损分析技术,对一组古代丝织品上蓝色染料进行分析鉴定。此外,还对蓝色染料标准色素进行了紫外光、高温、高湿老化试验,明确其降解原因,以期建立起一套行之有效的蓝色植物染料分析和鉴定方法。1试验和分析1.1样品测试样品共四种,均为修复过程中从织物本体脱落的少量丝线(长度最小的约1cm),有蓝色、浅蓝色色调。样品情况详见表1。1.2分析步骤和测试条件1.2.1染料色素成分的鉴定首先使用万能显微镜(德国莱卡DM4000)及扫描电镜(日本日立S-3400N)对样品染料保存状况进行观察,然后用拉曼光谱技术初步判定样品染料组成,采用超声波方式以冰醋酸或吡啶为萃取剂对样品蓝色染料进行提取。对比标准色素和古样品提取色素的紫外-可见吸收光谱、薄层色谱以及高效液相色谱,鉴定样品染料色素成分。然后对靛蓝试剂进行UVA紫外光(主波长365nm,距样品13cm)、高温(T=50℃,RH=60%)、高湿(室温,RH=85%)老化试验,通过对比相同浓度与测试条件下老化前后靛蓝试剂的高效液相色谱,探讨蓝色染料的降解原因及机理。1.2.2检测仪器和分析方法1)显微共焦拉曼光谱。该仪器为法国JY公司LabRAMHR800型激光显微共焦拉曼光谱仪。在室温、暗室条件下,采用λ0=785nm的激发光源(半导体激光器),物镜50倍长焦,信号采集时间10~30s,累加次数1~2次,光栅600,狭缝宽度100μm,仪器分辨率2cm-1,光斑尺寸1μm,采用单晶硅片校准,光谱测试范围4000~100cm-1,在显微镜下找准染料测试点,进行聚焦后测试,样品表面的激光功率2~3mW。2)紫外-可见分光光度计。日本岛津UV-1800型紫外可见分光光度计。分别以各染料提取试剂作为空白,扫描波长范围190~800nm。该仪器检测灵敏度较高,定性分析中,配制100mL溶液,最少样品量可达10-6g。3)薄层色谱。薄层色谱法是一种物理分离分析方法,当前常用于染料的分析中,最佳样品量0.5~3mg/mL。将未知染料试样和标准染料试样同时在薄层板上点样,比较展开后的斑点形状、颜色和Rf值,从而判断位置样品的性质。试验采用硅胶GF254薄层板(10×20cm),薄层厚度0.20~0.25mm。4)高效液相色谱。高效液相色谱是快速的微量分析工具,最低检出限可达10-7~10-12g。当分析条件一定,任何物质都有确定不变的保留时间,通过比较未知物与已知物的保留时间,即能判别某一色谱峰所代表的组分。该仪器为德国LUMTECHK-501高效液相色谱仪,5500自动进样器,K-2600多通道紫外检测器,EastChromPlus数据处理工作站。色谱柱:PhenomenexLunaC18(250mm×4.60mm,5μm);分析方法:流动相:甲醇-水(80:20);紫外检测器:检测波长286nm;进样量:20L;流速1mL/min。5)红外光谱。日本岛津IRPrestige-21傅立叶变换红外光谱仪。采用KBr压片法,取3mg样品,与300mgKBr混合制样,检测范围4000~400cm-1,分辨率4cm-1。2结果与讨论2.1扫描电镜照片对古织物样品纤维取样后,在万能显微镜以及扫描电镜下观察。如图1a为扇套蓝色纤维的放大1000倍的显微镜纵面照片;图1b为其放大2000倍的扫描电镜图片。从两张图片均可看出,纤维中间透明,边界清晰,除一些蓝色染料及尘土小颗粒沾染外,无明显横截纹及纵向沟纹。同样蓝棉袄蓝色、浅蓝色纤维以及百纳枕顶(文章中统称为元代鸽子洞出土文物)蓝色纤维在万能显微镜下放大1000倍(图2)均具有相同的特征,属于丝纤维,可以看到蓝色染料降解较为严重。2.2蓝草中植物细胞的结构古代蓝色植物染料均是运用蓝草中所含靛质进行染色,人类应用靛蓝染色的历史可以追溯到四千多年前。据古文献记载,相传在夏代,我国就开始种植蓝草。1880年,AdolfvonBayer用化学方法合成了靛蓝,传统的靛蓝生产也就日渐式微。但是,在国家级非物质文化遗产保护名录中,传统的蓝印花布、蜡染和扎染中使用的染料均为靛蓝,而目前仅有少数地区还在进行传统的制靛工作。常见的蓝草有菘蓝、蓼蓝、马蓝等,色素主要集中在叶和茎部。所有蓝草中均有可以缩合成靛蓝的吲哚酚(也称吲羟)[18~19],但它在各植物细胞中的存在形式却是有所不同。其中菘蓝中的形式为菘蓝甙,当它遇到碱时即可水解游离出吲哚酚,吲哚酚在热水或碱性溶液中发生酮式互变异构现象,两分子吲哚酮在碱性条件下发生缩合反应从而氧化为靛蓝(C16H10N2O2);而其他蓝草如蓼蓝、马蓝中是靛甙,必须经过长时间的发酵、在生物酶和酸的作用下才能水解游离出吲哚酚。吲哚酚氧化缩合时,若温度过高、碱性过强,则会生成一种靛蓝的同分异构体靛玉红。靛蓝素和靛玉红的分子结构式见图3。可见靛蓝素分子与靛玉红分子的所有原子均处于同一平面,两个分子都是由碳骨架及环上的氮原子参与的大的共轭体系构成。靛蓝分子中存在的氢键是对称的(顺式靛蓝),而靛玉红则没有对称结构(反式靛蓝),理论上来说,靛玉红分子的稳定性高于靛蓝。2.2.1扇套蓝色纱线应系蓝色织物采用非接触式拉曼光谱无损鉴定古代丝织品蓝色染料。图4为标准靛蓝试剂(北京市旭东化工厂,化学纯,分子式:C16H10N2O2),扇套蓝色丝线以及采用吡啶作为色素萃取剂使该丝线脱色后的拉曼光谱图。由图4可见,标准靛蓝的拉曼特征峰位出现在103w、132m、175vw、252m、311w、544m、599m、675w、756w、1224w、1310m、1362w、1460w、1572vs。扇套蓝色丝线拉曼峰位出现在102、133、175、252、310、545、598、675、762、1228、1460、1575cm-1,与标准靛蓝拉曼光谱相似度较好,而脱色后的丝线完全不具备靛蓝的特征,说明扇套蓝色丝线应系靛蓝染色。图5为鸽子洞出土纺织品蓝色染料拉曼光谱与标准靛蓝的比较,可以看到具有很好的吻合度。可见利用激光拉曼光谱在显微镜下找到适合的测试点可以实现对纺织品上蓝色染料2.2.2体验结果及分析用试剂吡啶超声萃取B1、B3、B4蓝色染料1.5h,有较多的蓝色染料剥落下来。以靛蓝试剂、含靛蓝的中草药青黛作为对照样品,配置成靛蓝、青黛溶液,与以上剥色试样萃取液做紫外-可见吸收光谱测试,以吡啶作为参比溶液(301nm以下的紫外区有强吸收),扫描波长范围190~800nm。由图6可见,样品B1、B3、B4均在610nm附近有最大吸收峰,与靛蓝、青黛的最大吸收波长位置基本一致,可见均为同一物质靛蓝素染色。采用试剂冰醋酸超声提取B2、B4蓝色染料1h,有少量蓝色染料被剥落,同样以靛蓝试剂、中草药青黛作为对照样品,配置成的靛蓝、青黛溶液,以冰醋酸作为参比溶液(249nm以下的紫外区有较强吸收),各测试其紫外可见吸收光谱(图7)。由图7可的无损测定,不需要繁琐的染料剥离过程。当然由于古织物染料自身、媒染物或其他污染物的影响,染料测试中易出现较强的荧光背景,掩盖了某些拉曼信号。所以显微共焦拉曼在古织物染料鉴定中的应用尚存在一定局限性,需要结合其他分析手段予以确认。知,样品B2、B4与靛蓝、青黛类似,均在286、616nm有特征吸收,显示样品B2、B4与靛蓝、青黛物质分子中的生色团(助色团)相同,应该带有苯环。青黛冰醋酸溶液还在406.5nm处有特征吸收,可见青黛作为一种含有靛蓝的中草药,还具有其他成分。对比以吡啶和冰醋酸提取的蓝色染料610nm附近的特征吸收可知,冰醋酸提取溶液峰位出现红移,这和该溶液的极性较大有关。可见古织物蓝色染料均为有机物,为蓝草中的提取物靛蓝色素染色。试剂吡啶或者冰醋酸均可作为古织物蓝色染料的萃取剂。因为吡啶在301nm以下的紫外区有强吸收,冰醋酸在249nm以下的紫外区有较强吸收,综合对比来说在紫外-可见吸收光谱测试中,冰醋酸是较为理想的蓝色染料萃取剂。2.2.3供试溶液及条件采用薄层色谱法测试扇套蓝色丝线染料色素,将丝线蒸馏水洗净,以吡啶溶液超声萃取样品蓝色染料,大部分染料被剥取,证明应为有机染料。称量参比物靛蓝试剂0.0221g、青黛0.0203g,量取吡啶各10mL,配成约为2mg/mL的供试溶液。将样品染料萃取液、标准靛蓝、青黛吡啶溶液以微量注射器各吸取2~5μL,同时以薄层层析法做展开分析。试验条件为基质:硅胶GF254(成品);温度:27℃;时间:45min;展开剂:苯:三氯甲烷:丙酮=50:40:10(V/V),展开结果见表2。从表2可以看出,样品蓝色染料提取液与标准靛蓝、青黛二者相应的斑点、颜色一致,而且Rf值非常接近,证明样品染料蓝色素与标准靛蓝、青黛为同一种物质。2.2.4蓝草中植物叶片主成分分析将各蓝色染料织物样品,靛蓝素和靛玉红标准品(中国药品生物制品检定所),靛蓝试剂,青黛用冰醋酸分别萃取,将该染料溶液在高效液相色谱上分析,实验结果见图8。分析图谱可知靛蓝素标准品的主峰保留时间为6.7min,靛玉红标准品的主峰保留时间为9.4min。靛蓝与青黛所含色素成分一致,皆共有两个主峰,这两个主峰分别代表靛蓝素(indigo)和靛玉红(indirubin)的流出峰。各文物样品染料的两个主峰保留时间与试剂靛蓝、青黛主峰的保留时间基本一致,可以说明各蓝色染料主要成分都是靛蓝素和靛玉红。靛蓝素和靛玉红为同分异构体,均是蓝草中靛蓝的主要成分,由此可以推断和样品蓝色均系用靛蓝染色。由于各样品染料制靛工艺或者色素老化状况的不同,这几个样品两成分之间比例不同,通过对两个主峰峰面积进行积分,计算这两组分的相对含量(表3)。可见靛蓝与青黛标准品中靛蓝素相对含量达72%以上,靛玉红含量相对较低,这样染出来的蓝色色彩明度才会比较大。样品中B2、B4靛蓝素依然为主要色素成分,靛蓝素相对含量可达88%以上;而样品B1、B3,特别是样品B3靛蓝素相对含量仅为3.46%,可能由于降解较为严重或者为了染色色调的需要而调整制靛工艺(温度过高或者pH过大)而得。2.3高温、高湿老化将靛蓝试剂分为三组,第一组置于紫外老化箱中老化(T=17.9~20℃,RH=35%),采用UVA灯(主波长365nm),紫外辐照度1153μW/cm2;一组置于恒温恒湿试验箱(T=50℃,RH=60%)进行高温老化,另一组置于KCl饱和盐水控制的干燥器(内T=20℃,RH=85%)进行高湿老化。光照老化2个月,高温、高湿老化各6个月后取出进行高效液相色谱(HPLC)测试。图9为靛蓝试剂紫外光照射2个月后的HPLC图,通过与图8靛蓝试剂未老化前HPLC图对比可知,可能由于老化时间较短,靛蓝素流出信号变化并不显著;而靛玉红流出信号变微弱,相对含量降低较明显。图10为高温老化后的HPLC图,靛蓝素、靛玉红流出信号相当微弱,特别是靛蓝素(顺式靛蓝)相对含量降低非常明显,可见较之靛玉红(反式靛蓝),靛蓝素更不耐高温老化。图11是靛蓝试剂高湿老化后的HPLC图,靛蓝素、靛玉红流出信号较为微弱,可见高湿环境促使了靛蓝素和靛玉红含量的降低。3拉曼光谱技术的局限性1)综合采用显微共焦拉曼光谱无损分析技术(Micro-Raman)与薄层色谱(TLC)、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)、高效液相色谱(HPLC)无损分析手段,对微量的丝织品蓝色染料色素鉴定来说显然非常有效。激光拉曼技术不需要繁琐的染料萃取过程,可对织物蓝色染料实现迅速、原位无损测试。但由于古织物染料自身、媒染物或其他污染物的影响,染料测试中易出现较强的荧光背景,掩盖了某些拉曼信号。表面增强拉曼光谱技术虽然可以减少荧光信号,却失去了无损分析的优势。所以拉曼光谱技术在染料鉴定中的应用尚存在一定局限性。而薄层色谱、高效液相色谱等其他手段需要微量样