新疆尉犁縣克亞克庫都克烽燧遺址出土的紡織品染料的科學(xué)分析

關(guān)明，康曉靜，魏樂，胡興軍，韓超，李興，劉瀚文，曲亮，趙鎮(zhèn)文

（1.故宮博物院，北京 100009；2.新疆維吾爾自治區(qū)文物考古研究所，烏魯木齊 830011；3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所，北京 100081；4.中國科學(xué)院化學(xué)研究所，北京 100190）

引言

克亞克庫都克烽燧遺址，位于新疆維吾爾自治區(qū)巴音郭楞蒙古自治州尉犁縣，屬于孔雀河烽燧群，作為“大磧路”沿線現(xiàn)存不多的軍事設(shè)施遺址，是古代中央政權(quán)治理西域地區(qū)和維護(hù)絲綢之路的重要?dú)v史見證[1,2]?？脊艑W(xué)家根據(jù)地層堆積、出土遺物、碳十四分析和歷史文獻(xiàn)明確其為唐代安西四鎮(zhèn)之一焉耆鎮(zhèn)下軍鎮(zhèn)防御設(shè)施。遺址出土了16 件紡織品，質(zhì)地包含絲、毛、棉、麻，作為該時(shí)期絲路沿線紡織品的代表，映射了當(dāng)時(shí)戍邊將士的軍旅生活，是極其珍貴的史料[3]。

染料，作為紡織品色彩的最重要的物質(zhì)基礎(chǔ)之一，反映了一個(gè)時(shí)代的藝術(shù)、生活、習(xí)俗、科學(xué)水平等信息，對于染料的科學(xué)分析，對于進(jìn)一步提取紡織品文物的歷史信息、探索古代染色工藝、揭示紡織品文物褪色過程等具有重要意義，同時(shí)對色彩保護(hù)及修復(fù)工作提供強(qiáng)有力的支撐[4-6]。古代天然染料具有化學(xué)組分多樣、原料來源廣泛、染色工藝復(fù)雜等特點(diǎn)，同時(shí)由于考古樣品復(fù)雜的埋藏環(huán)境導(dǎo)致化學(xué)組分的降解與氧化，給出土紡織品的染料鑒定帶來巨大挑戰(zhàn)[7]。同時(shí)，由于大多數(shù)色彩相近的染料分子具有相似的官能團(tuán)，難以對同類染料組分進(jìn)行準(zhǔn)確鑒定；此外，為了豐富顏色裝飾效果通常將不同顏色的多個(gè)染料混合，加大了實(shí)際工作中染料科學(xué)分析的難度。

基質(zhì)輔助激光解吸電離傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜（matrix assisted laser deposition ionization-Fourier transform ion cyclotron resonance-mass spectrometry，MALDI-FTICR-MS）因其具有超高質(zhì)量分辨率（質(zhì)量數(shù)可精確到小數(shù)點(diǎn)第四位）、準(zhǔn)確度高（質(zhì)量誤差小于5 ppm）、操作簡便、高通量分析、較高耐鹽性等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜樣品中未知物的快速準(zhǔn)確鑒定，因此廣泛用于有機(jī)分子的檢測[8,9]。在以往的研究中，基于MALDI-MS 的方法已被成功用于文物樣品中植物膠的鑒別[10]，本文首次利用分辨率更高的MALDI-FTICR-MS 對新疆維吾爾自治區(qū)尉犁縣克亞克庫都克烽燧遺址出土的紅色、黃色、藍(lán)色和綠色唐代紡織品染料進(jìn)行科學(xué)分析，并利用傳統(tǒng)染料分析手段——超高效液相色譜-質(zhì)譜（ultra-performance liquid chromatography-mass spectrometry，UPLC-MS）進(jìn)行驗(yàn)證。研究表明，紅色纖維的主要染色成分為茜素、紫茜素，推測染料為茜草；黃色纖維的主要染色成分為小檗堿，推測染料為黃檗；藍(lán)色纖維的主要染色成分為靛藍(lán)，推測染料為靛青；綠色纖維的主要染色成分為小檗堿和靛藍(lán)，推測黃檗和靛青套染而成。

1 樣品與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 試劑和樣品

硝酸銀（AgNO3），多巴胺鹽酸鹽，三羥甲基氨基甲烷（Tris），二甲基亞砜（DMSO）購自阿拉?。ㄖ袊虾＃PLC 級甲醇（MeOH）、乙腈（CH3CN）、甲酸（FA）購買于Fisher Scientific（Pittsburgh，PA）。超純水產(chǎn)自Milli-Q 水凈化系統(tǒng)（Millipore Corporation，USA）。以上所有試劑均未進(jìn)行純化處理直接使用。

織物殘片出土于新疆維吾爾自治區(qū)尉犁縣克亞克庫都克烽燧遺址。樣品按顏色分為紅色、黃色、綠色和藍(lán)色，如圖1 所示。取纖維末端（約2毫米）作為檢測樣品。

圖1 新疆維吾爾自治區(qū)尉犁縣克亞克庫都克烽燧遺址出土的紅、黃、綠、藍(lán)色唐代織物殘片

1.2 銀納米顆粒（MALDI 基質(zhì)）的制備與表征

本方法使用銀納米顆粒作為MALDI 基質(zhì)，通過Han et al 建立的MALDI-MS 方法制備而得[9]，制備過程如下：在攪拌條件下，將濃度為0.01 g/mL 的2 mL AgNO3水溶液逐滴加入至25 mL 新鮮制備的多巴胺溶液（溶劑為10 mM Tris 溶液，pH 調(diào)節(jié)至7.80，DA 濃度為0.004 g/mL），于40°C 下反應(yīng)24 h，產(chǎn)物通過離心收集，并用MeOH 沖洗，保存于MeOH:H2O=5:5（v/v）中。

1.3 樣品制備

在前期文獻(xiàn)報(bào)道方法的基礎(chǔ)上對唐代染色絲織品進(jìn)行染料提取[11]，制備過程如下：稱重的樣品放于100 μL DMSO 中于60 ℃下超聲30 min，收集上清液。剩余物用50 μL MeOH：FA=5:5（v/v）于60 ℃下超聲10 min，重復(fù)三次，直至樣品基本無色，收集上清液。將上清液匯總吹干，避光保存于-20 ℃，檢測時(shí)復(fù)溶于MeOH。1 μL 樣品萃取液與等體積的MALDI 基質(zhì)溶液充分混合，點(diǎn)靶，進(jìn)行MALDI-MS 分析。

1.4 MALDI-FTICR-MS

使用9.4 T 超導(dǎo)磁體并配有337 nm“SmartBeam”激光器的Bruker SolariX 型MALDI-FTICR-MS 質(zhì)譜儀（SolariX，Bruker，Bremen，Germany）對染料分子進(jìn)行高質(zhì)量準(zhǔn)確度的質(zhì)譜分析，正/負(fù)離子模式均被用于檢測。利用銀納米顆粒產(chǎn)生的銀簇離子（[Ag2]+：m/z 215.8093,[Ag3]+：m/z 322.7144 和324.7141),和[Ag3CH3CN]+：m/z 363.7409 和365.7406）實(shí)現(xiàn)正離子模式的內(nèi)標(biāo)法質(zhì)量校準(zhǔn)，三氟乙酸鈉（NaTFA）用于負(fù)離子模式的外標(biāo)法質(zhì)量校準(zhǔn)。質(zhì)譜參數(shù)設(shè)置如下：質(zhì)譜檢測范圍設(shè)為150-800 m/z，分辨率在m/z 400 時(shí)為66,000，激光能量為20%。采集到的數(shù)據(jù)利用DataAnalysis 4.0（Bruker Daltonics），和IsotopeParttern（Bruker Daltonics）進(jìn)行分析，質(zhì)量誤差設(shè)為小于5 ppm。

1.5 UPLC-MS

超高效液相色譜-四級桿飛行時(shí)間質(zhì)譜（H-Class UPLC，G2-XS QTOF MS，Waters）用于方法驗(yàn)證。色譜實(shí)驗(yàn)條件與之前工作一致[5,11]，具體如下：色譜柱為ACQUITY BEH C18（1.7 μm，2.1x100 mm），流動(dòng)相A 為0.1%甲酸水溶液，流動(dòng)相B 為乙腈，洗脫程序如下：0-0.5 min，95%A；0.5-7.5 min，由95%A 變化至5%A；7.5-10 min，5%A；10.1 min，由5%A變化至95%A；11.5 min，95%A。流動(dòng)相流速為0.3 mL/min，柱溫30 ℃。質(zhì)譜條件如下：毛細(xì)管電壓3 kV，離子源溫度120 ℃，脫溶劑氣溫度450 ℃，正負(fù)離子模式均用于檢測。

2 結(jié)果與討論

唐代是絲綢之路的繁榮鼎盛時(shí)期，紡織品作為東西方交流的媒介，促進(jìn)了文化的交流與融合，這一時(shí)期相對應(yīng)的染色工藝在繼承原有工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展到了新的高度，拼色、套染等工藝日趨成熟。本工作以絲路沿線新疆克亞克庫都克烽燧遺址出土的紡織品為代表，分析唐代紡織品的染色成分，有助于探究與還原該時(shí)期的染色工藝、獲取絲路沿線的歷史文化信息、并提供紡織品文物修復(fù)的數(shù)據(jù)支撐。

為實(shí)現(xiàn)染料分子的準(zhǔn)確鑒定，本工作首次使用一種具有超高質(zhì)量分辨率的質(zhì)譜（MALDI-FRICR-MS），其質(zhì)量數(shù)可精確到小數(shù)點(diǎn)第四位，質(zhì)量誤差小于5 ppm，對纖維的染色成分進(jìn)行定性分析。根據(jù)前期研究，銀納米顆粒具有因其優(yōu)良的基質(zhì)效應(yīng)、尺寸小易與分析物形成均勻分散的共結(jié)晶層、背景信號低等優(yōu)點(diǎn)，因此在本方法中使用銀納米顆粒作為MALDI 基質(zhì)。另外，銀納米顆粒作為MALDI 基質(zhì)還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，其產(chǎn)生的一系列銀簇離子峰（如[Ag3]+：m/z 322.71439 和324.71406；[Ag3@ACN]+：m/z 363.74094 和365.74060），可以作為質(zhì)譜質(zhì)量校準(zhǔn)的內(nèi)標(biāo)，為實(shí)時(shí)獲取待測物的精確分子量奠定基礎(chǔ)[9]。鑒于基于銀納米顆粒為基質(zhì)的MALDI-FTICR-MS 的方法在未知物準(zhǔn)確鑒定上表現(xiàn)出的優(yōu)越能力，我們嘗試以唐代染色纖維為研究對象，探究其對出土紡織品染料分析的可行性。本研究選取新疆維吾爾自治區(qū)尉犁縣克亞克庫都克烽燧遺址出土的紅色、黃色、綠色和藍(lán)色四類染色絲織品，其染料定性分析結(jié)果如圖2-圖5 所示。

2.1 紅色纖維樣品的染料分析

基于MALDI-FTICR-MS 的紅色纖維樣品分析結(jié)果如圖2a 所示，檢測到茜素（C14H8O4）和紫茜素（C14H8O5）兩種蒽醌類染色組分。其中，m/z 239.0339 為茜素的準(zhǔn)分子離子峰[M-H]-，理論值為m/z 239.03388，質(zhì)量誤差為-0.08 ppm，確認(rèn)樣品中含有茜素。根據(jù)紫茜素的分子式，推測在m/z 255.02880（理論值）附近出現(xiàn)準(zhǔn)分子離子峰[M-H]-，檢測到m/z 255.0290 和255.2320 的兩個(gè)峰，推斷分別為紫茜素和棕櫚酸（C16H32O2，一種常見的脂肪酸，廣泛地存在于植物中）的準(zhǔn)分子離子峰[M-H]-，鑒于MALDI-FTICR-MS 的高質(zhì)量分辨率，可以實(shí)現(xiàn)兩種組分的準(zhǔn)確鑒定，質(zhì)量誤差分別為-0.8 ppm 和0.4 ppm。為進(jìn)一步驗(yàn)證本方法的分析結(jié)果，利用UPLC-MS 進(jìn)行對比和驗(yàn)證。在正離子模式下，檢測到6.09 min（m/z 241.1111，圖2b）和6.64 min（m/z 257.1043，圖2c）分別為茜素和紫茜素，質(zhì)量誤差分別為255.4 ppm 和232.8 ppm，對比圖2a，MALDI-FTICR-MS的檢測結(jié)果質(zhì)量準(zhǔn)確度高，適用于復(fù)雜樣品中未知染料組分的準(zhǔn)確鑒定。根據(jù)檢測結(jié)果，鑒于茜素和紫茜素是茜草的主要顯色成分[12]，推測紅色纖維是由茜草染色而成。茜草是我國歷史最悠久的紅色植物染料，其用于染色的歷史可追溯到商周時(shí)期，直到唐代茜草仍是重要的紅色染料，《新修本草》記載茜根“可以染絳”，除此之外，茜草也被報(bào)道用于其他唐代紅色纖維樣品的染色[13,14]。

圖2 紅色纖維樣品的分析結(jié)果。a.MALDI-FTICR-MS 負(fù)離子模式下檢測出茜素和紫茜素。b.UPLC-MS 正離子模式下檢測到6.09 min 為茜素。c.UPLC-MS 正離子模式下檢測到6.64 min 為紫茜素

2.2 黃色纖維樣品的染料分析

圖3 為黃色纖維樣品的分析結(jié)果，小檗堿（C20H18NO4）為黃色纖維樣品的主要染色成分。MALDI-FTICR-MS 檢測到m/z 336.1229，為小檗堿的分子離子峰[M]+（理論值為m/z 336.12303），質(zhì)量誤差為-0.4 ppm。利用UPLC-MS 對檢測結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，在正離子模式下，在4.75 min 檢測到m/z 336.1715，質(zhì)量誤差為144.2 ppm，結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道的保留時(shí)間[11]，確定為小檗堿。因此，推測黃色纖維是由黃檗染色而成。黃檗，其染色歷史可追溯到東漢，《周易參同契》中記載：“若檗染為黃兮，似藍(lán)成綠組”；東晉葛洪于《抱樸子》中提及以黃檗汁染紙，制得黃麻紙，風(fēng)行于晉唐時(shí)期。本工作中，克亞克庫都克烽燧遺址出土的唐代黃色纖維樣品證明為黃檗染色而成。

圖3 黃色纖維樣品的染色成分為小檗堿。a.MALDI-FTICR-MS 正離子模式下檢測出小檗堿，誤差為-0.4 ppm。b.UPLC-MS 正離子模式下檢測到4.75 min為小檗堿

2.3 藍(lán)色纖維樣品的染料分析

藍(lán)色纖維提取物在MALDI-FTICR-MS 正離子模式下檢測到靛藍(lán)分子（C16H10N2O2）的鈉離子加和峰（[M+Na]+，m/z 285.0634），質(zhì)量誤差為-0.2 ppm（理論值為m/z 285.06345），因此確認(rèn)其染色成分為靛藍(lán)，如圖4a 所示。利用UPLC-MS 進(jìn)行驗(yàn)證，在負(fù)離子模式下，在6.63 min 檢測到m/z 261.0721，質(zhì)量誤差為23.9 ppm，結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道的保留時(shí)間，確定為靛藍(lán)[11]。藍(lán)色系植物染料種類較多，包含蓼藍(lán)、菘藍(lán)、木藍(lán)、馬藍(lán)、莧藍(lán)等，其主要染色成分均為靛藍(lán)，這些藍(lán)草類植物是已知應(yīng)用最早的染色植物，《詩經(jīng)》《禮記》《齊民要術(shù)》等著作中均對其種植、制靛和染色工藝有所提及[15]。追溯克亞克庫都克烽燧出土的唐代藍(lán)色纖維樣品中靛藍(lán)的具體植物染料來源仍需進(jìn)一步研究。

圖4 藍(lán)色纖維樣品的染色成分為靛藍(lán)。a.MALDI-FTICR-MS 正離子模式下檢測出靛藍(lán)，誤差為-0.2 ppm。b.UPLC-MS 負(fù)離子模式下檢測到6.63 min 為靛藍(lán)

2.4 綠色纖維樣品的染料分析

基于MALDI-FTICR-MS 的綠色纖維樣品分析結(jié)果如圖5a 所示，檢測到靛藍(lán)（C16H10N2O2）和小檗堿（C20H18NO4）兩種染色組分。其中，m/z 285.0634 為靛藍(lán)的鈉離子加和峰[M+Na]+，質(zhì)量誤差為-0.2 ppm；m/z 336.1230 為小檗堿的分子離子峰[M]+，質(zhì)量誤差為-0.09 ppm。基于UPLC-MS 進(jìn)行驗(yàn)證，在正離子模式下測得4.72 min 出現(xiàn)小檗堿（[M]+，336.1752，質(zhì)量誤差為155.2 ppm），在負(fù)離子模式下測得6.63 min 出現(xiàn)靛藍(lán)（[M+Na]+，261.0688，質(zhì)量誤差為11.3 ppm），分別與黃色和藍(lán)色纖維樣品中測得的小檗堿和靛藍(lán)的保留時(shí)間一致。相比于基于UPLC-MS 的染料分析方法，MALDI-FTICR-MS 通過一次檢測即可實(shí)現(xiàn)兩種染料組分的準(zhǔn)確鑒定。根據(jù)檢測結(jié)果可知，綠色纖維同時(shí)包含藍(lán)色染色成分靛藍(lán)和黃色染色成分小檗堿，推測為兩種染料套染而成。套染工藝，即使用兩種或以上的植物染料先后浸染以達(dá)到預(yù)期效果的染色方法，套染法可追溯到殷、周時(shí)期，到漢唐時(shí)期已經(jīng)發(fā)展的較為成熟[14,15]。鑒于古代的綠色系植物染料較少，一般通過黃色和藍(lán)色套染的方法染綠，如《天工開物》中記載，“黃檗水染，靛水蓋。今用小葉莧藍(lán)煎水蓋者，名草豆綠，色甚鮮”[15]。因此，推斷綠色纖維是由黃檗和藍(lán)草類植物套染而成。

圖5 綠色纖維樣品的主要染色成分為靛藍(lán)和小檗堿。a.MALDI-FTICR-MS 正離子模式下檢測出靛藍(lán)和小檗堿。b.UPLC-MS 正離子模式下檢測到4.72 min 為小檗堿。c.UPLC-MS 負(fù)離子模式下檢測到6.63 min 為靛藍(lán)

總結(jié)而言，基于MALDI-FTICR-MS 對新疆維吾爾自治區(qū)尉犁縣克亞克庫都克烽燧遺址出土的紅色、黃色、藍(lán)色和綠色唐代紡織品的染料進(jìn)行分析，準(zhǔn)確鑒定出茜草、紫茜草、小檗堿、靛藍(lán)等染料成分，結(jié)果見表1。

表1 基于MALDI-FTICR-MS 對新疆吾爾自治區(qū)尉犁縣克亞克庫都克烽燧遺址出土的紡織品染料成分的鑒定及對應(yīng)的染料來源

基于銀納米顆粒建立的MALDI-FTICR-MS 檢測方法可以實(shí)現(xiàn)古代紡織品染料的準(zhǔn)確鑒定，質(zhì)量誤差小于5 ppm，大幅提高了檢測準(zhǔn)確度，實(shí)現(xiàn)化學(xué)結(jié)構(gòu)相似的染料分子和多種染料組分的準(zhǔn)確鑒定，在復(fù)雜染料的定性分析上具有強(qiáng)大的綜合分析能力。

3 結(jié)論

本文首次利用超高質(zhì)量分辨率的MALDI-FTICR-MS 對新疆維吾爾自治區(qū)尉犁縣克亞克庫都克烽燧遺址出土的紅色、黃色、藍(lán)色和綠色唐代紡織品染料進(jìn)行科學(xué)分析。研究表明，紅色纖維的主要染色成分為茜素、紫茜素，推測染料為茜草；黃色纖維的主要染色成分為小檗堿，推測染料為黃檗；藍(lán)色纖維的主要染色成分為靛藍(lán)，推測染料為藍(lán)草類植物；綠色纖維的主要染色成分為小檗堿和靛藍(lán)，推測由黃檗和藍(lán)草類植物套染而成。借助精確分子量，基于銀納米顆粒建立的MALDI-FTICR-MS 檢測方法可以實(shí)現(xiàn)化學(xué)結(jié)構(gòu)相似染料分子、多種類染料組分的同時(shí)鑒定，在復(fù)雜染料的定性分析上具有廣闊的應(yīng)用前景。