文物中多糖類(lèi)膠結(jié)材料的熱裂解-氣相色譜/質(zhì)譜識(shí)別

王 娜, 谷 岸, 屈雅潔, 雷 勇

(故宮博物院, 書(shū)畫(huà)保護(hù)文化和旅游部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100009)

多糖類(lèi)材料,包括淀粉、植物膠等,是我國(guó)文物制作及修復(fù)過(guò)程中常用的膠結(jié)材料,如淀粉常與桐油、豬血等混合用作古建地仗的膠結(jié)材料[1,2],淀粉糨糊是書(shū)畫(huà)、檔案、裱作所用傳統(tǒng)修裱材料[3-5],而桃膠則可在陶器修補(bǔ)、壁畫(huà)揭取工作中起加固作用[6,7]。

所用材料的準(zhǔn)確識(shí)別,是對(duì)文物進(jìn)行科學(xué)研究及合理制定修復(fù)、保護(hù)方案的基礎(chǔ)。多糖類(lèi)材料屬于碳水化合物,是由不少于10個(gè)的單糖通過(guò)糖苷鍵聚合而成的高分子聚合物,原始成分復(fù)雜,此外,多糖在文物制作及修復(fù)過(guò)程中常與其他有機(jī)、無(wú)機(jī)材料混用,且所用量一般較少,如古建地仗中用來(lái)膠結(jié)灰料的油滿(mǎn),其所用面粉、石灰水、灰油的質(zhì)量比約為1∶1.3∶1.95,面粉用量最少[1],因此文物樣品中多糖類(lèi)材料的檢測(cè)較為困難。

考古工作者通常通過(guò)顯微觀測(cè)的方法,來(lái)確定歷史遺存中是否含有淀粉顆粒并判斷其種屬,目前已有多類(lèi)植物的淀粉粒形態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)[8,9],此類(lèi)方法也可用于淀粉類(lèi)膠料的定性分析[10],但無(wú)法直接用于植物膠類(lèi)材料的檢測(cè),而且顯微觀測(cè)方法往往需要耗費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間對(duì)樣品進(jìn)行浸泡、提取等前處理,且所需樣品量較多,因此并不適于快速判斷微量樣品中是否含有淀粉膠料。傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)分析操作簡(jiǎn)單,可快速辨別樣品中是否含有多糖類(lèi)材料,但在文物樣品檢測(cè)中譜圖解析易受其他組分干擾,且FT-IR分析無(wú)法實(shí)現(xiàn)淀粉、植物膠等多糖的具體辨別。氣相色譜/質(zhì)譜(GC/MS)[11-13]、高效液相色譜(HPLC)[14,15]技術(shù)可通過(guò)對(duì)多糖單體的定性、定量識(shí)別來(lái)判斷其類(lèi)別,但GC/MS、HPLC實(shí)驗(yàn)需對(duì)樣品進(jìn)行水解、衍生化等前處理,過(guò)程繁復(fù)、耗時(shí)長(zhǎng),且對(duì)于文物樣品來(lái)說(shuō),前處理過(guò)程有可能造成目標(biāo)組分的流失。

在GC/MS技術(shù)基礎(chǔ)之上發(fā)展起來(lái)的熱裂解-氣相色譜/質(zhì)譜(Py-GC/MS),可在高溫及惰性氣體保護(hù)下將待測(cè)樣品中的有機(jī)高分子材料瞬間熱裂解為小分子組分,裂解組分隨即通過(guò)GC/MS系統(tǒng)分離并識(shí)別,最終可根據(jù)裂解產(chǎn)物的組成還原出樣品原始組分信息。Py-GC/MS實(shí)驗(yàn)無(wú)需樣品前處理,能避免前處理過(guò)程中待測(cè)組分的流失,而且兼具GC/MS高靈敏度的特點(diǎn),能實(shí)現(xiàn)微量、復(fù)雜樣品的定性分析,因此,Py-GC/MS技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于文物樣品中各類(lèi)天然及合成有機(jī)高分子材料的綜合分析[16,17],本課題組已基于此項(xiàng)技術(shù),建立了大漆[18]、干性油[19]、蛋白質(zhì)[20]以及蠟類(lèi)材料[21]的定性識(shí)別方法。

目前已有科研工作者將Py-GC/MS技術(shù)用于多糖類(lèi)材料的識(shí)別及研究[16,22,23],但鮮見(jiàn)有關(guān)文物用多糖類(lèi)膠結(jié)材料Py-GC/MS分析結(jié)果的詳細(xì)報(bào)道及不同類(lèi)別多糖辨別方法。我國(guó)最常用的多糖類(lèi)膠結(jié)材料是淀粉及桃膠,而阿拉伯膠則在西方國(guó)家被廣泛使用[24],鑒于此,本研究將以小麥淀粉糨糊、桃膠、阿拉伯膠為研究對(duì)象,系統(tǒng)總結(jié)各類(lèi)材料的Py-GC/MS特征裂解產(chǎn)物及辨別信息,以實(shí)現(xiàn)這3種材料的準(zhǔn)確、快速辨別。在參比材料研究的基礎(chǔ)上,將所建立分析方法應(yīng)用于故宮舊藏剔紅云龍紋天球瓶瓶口部位黏結(jié)材料,以及旻寧御筆并蒂含芳貼落畫(huà)心紙所用黏結(jié)材料的辨別,以驗(yàn)證所建立分析方法的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器、試劑與材料

Py-GC/MS分析采用日本Frontier公司EGA-PY3030D型熱裂解儀,美國(guó)Agilent公司7890B/5977A型氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀。

淀粉、天然桃膠均由故宮博物院文?？萍疾啃迯?fù)科組提供,阿拉伯膠購(gòu)于Kremer試劑公司。淀粉為小麥淀粉,制成糨糊后用平頭畫(huà)筆均勻刷涂于玻璃板上,放置在室溫條件下待干燥至恒重后即可進(jìn)行分析。桃膠、阿拉伯膠直接取樣測(cè)試。

甲基化試劑為10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))四甲基氫氧化銨(tetramethylammonium hydroxide, TMAH)甲醇溶液,購(gòu)于上海阿拉丁試劑公司,分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)采取在線(xiàn)甲基化技術(shù),將少于1 mg的樣品與5 μL 10% TMAH甲醇溶液一同放入不銹鋼樣品舟,然后直接送入熱裂解儀石英裂解管,樣品甲基化反應(yīng)可與熱裂解反應(yīng)同時(shí)完成。裂解溫度500 ℃,裂解時(shí)間為12 s。熱裂解儀與氣相色譜接口溫度為300 ℃。

GC條件 色譜柱為HP-5MS毛細(xì)管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm);進(jìn)樣口溫度為300 ℃;色譜柱初始溫度50 ℃,保持2 min,隨后柱溫箱以4 ℃/min上升到300 ℃,保持15.5 min;分流進(jìn)樣,分流比50∶1;載氣為氦氣,流速1.0 mL/min。

質(zhì)譜條件 電子轟擊離子源溫度230 ℃,電離源能量70 eV,四極桿溫度150 ℃,采取全掃描的模式,掃描范圍為m/z29～550,質(zhì)譜識(shí)別數(shù)據(jù)庫(kù)為NIST Libraries。

為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性,參比樣品在相同條件下均重復(fù)進(jìn)行3次Py-GC/MS測(cè)試,取其平均值作為最終結(jié)果。

1.3 文物樣品信息

為評(píng)價(jià)所建立多糖材料分析方法及參數(shù)的有效性,對(duì)兩個(gè)采集自故宮舊藏清代文物的樣品進(jìn)行分析,以識(shí)別其所用膠結(jié)材料。兩個(gè)樣品分別為剔紅云龍紋天球瓶(以下簡(jiǎn)稱(chēng)剔紅瓶)瓶口部位黏結(jié)材料,以及旻寧御筆并蒂含芳貼落(以下簡(jiǎn)稱(chēng)貼落)畫(huà)心紙,文物照片見(jiàn)圖1。

圖 1 故宮博物院舊藏清代(a)剔紅云龍紋天球瓶及其瓶口部位黏結(jié)材料和(b)旻寧御筆并蒂含芳貼落Fig. 1 Images of (a) a globular carved red lacquer vase with dragon and cloud motifs, including a magnified image of the rim, and (b) Tieluo with Bingdihanfang written by Min-ning (Emperor Daoguang, Qing Dynasty) from the Palace Museum collection

表 1 淀粉、桃膠、阿拉伯膠所含單糖和糖醛酸的組成

2 結(jié)果與討論

2.1 Py-GC/MS分析條件

由于文物樣品中多糖類(lèi)膠結(jié)材料常與其他有機(jī)材料混用,因此研究采用課題組已建立的同時(shí)適用于干性油[19]、蛋白質(zhì)[20]、蠟類(lèi)材料[21]定性分析的在線(xiàn)甲基化Py-GC/MS實(shí)驗(yàn)程序(即本文1.2節(jié)所述實(shí)驗(yàn)參數(shù))對(duì)淀粉、桃膠、阿拉伯膠等多糖膠結(jié)材料標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行分析。已建立的Py-GC/MS程序柱溫箱升溫速率緩慢、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、質(zhì)譜檢測(cè)范圍大,能夠?qū)崿F(xiàn)文物樣品中多糖及其他類(lèi)別有機(jī)材料的綜合分析。此外,在線(xiàn)甲基化反應(yīng)的進(jìn)行,能夠?qū)悠分械臉O性組分甲基化,起到改善色譜峰形、提高色譜柱分離效率的作用。

2.2 多糖類(lèi)膠結(jié)材料參比樣品Py-GC/MS分析

表1所列為淀粉、桃膠、阿拉伯膠所含單糖及糖醛酸的具體組分。其中淀粉是由D-葡萄糖脫去水分子后經(jīng)糖苷鍵連接在一起形成的同多糖,而桃膠、阿拉伯膠則是由阿拉伯糖、半乳糖、葡糖糖醛酸等多種不同單糖以及糖醛酸組成的雜多糖[25-27]。

淀粉、桃膠、阿拉伯膠的Py-GC/MS分析結(jié)果總離子流圖(TIC)見(jiàn)圖2。經(jīng)譜圖解析,發(fā)現(xiàn)在不同保留時(shí)間段內(nèi),淀粉、桃膠、阿拉伯膠的裂解產(chǎn)物比對(duì)結(jié)果具有明顯差異。表2、表3、表4及表5所列即分別為保留時(shí)間前段(2.5～10 min)、中段(10～19 min)、后段(19～60 min)3類(lèi)材料的主要裂解產(chǎn)物。

圖 2 淀粉、桃膠、阿拉伯膠的Py-GC/MS總離子流色譜圖Fig. 2 Total ion chromatograms of starch, peach gum,and gum Arabic analyzed by pyrolysis-gas chromatography/mass spectrometry (Py-GC/MS)

在保留時(shí)間2.5～10 min內(nèi),淀粉、桃膠、阿拉伯膠裂解產(chǎn)物主要是3-甲基-呋喃、呋喃酮、呋喃甲醛以及1-羥基-2-丁酮、1,2-環(huán)戊二酮等小分子呋喃、酮類(lèi)組分(見(jiàn)表2),其中桃膠和阿拉伯膠的裂解產(chǎn)物幾乎一致,而淀粉裂解產(chǎn)物的種類(lèi)明顯少于其他兩種植物膠,這可能是因?yàn)榈矸蹆H由葡萄糖一種單糖聚合而成,而桃膠和阿拉伯膠的單糖構(gòu)成則更為多樣。

在保留時(shí)間10～19 min內(nèi),淀粉、桃膠、阿拉伯膠的裂解產(chǎn)物差異明顯(見(jiàn)表3)。其中淀粉主要檢出2,5-二甲基呋喃-3,4(2H,5H)-二酮、四氫-2H-吡喃-2-酮、1,4∶3,6-二酐-α-D-吡喃葡萄糖等多種呋喃型酮、吡喃型酮以及單糖脫水產(chǎn)物;桃膠主要檢出多種呋喃型酮以及3-甲基-1,2-環(huán)戊二酮等多種酮類(lèi)組分,吡喃型酮僅檢出二氫-2H-吡喃-2,6(3H)-二酮;阿拉伯膠的裂解產(chǎn)物則更為復(fù)雜,包括呋喃型羧酸、酮、呋喃型酮、酯、單糖脫水產(chǎn)物等多類(lèi)組分,但未檢出吡喃型酮,其中保留時(shí)間為15.8 min的戊二酸雙(5-甲氧基-3-甲基-2-戊醇)甲酯,其色譜峰是阿拉伯膠所有裂解產(chǎn)物中的次強(qiáng)峰,可作為辨別阿拉伯膠的特征組分。此外需指出的是,保留時(shí)間為11.7 min的2-甲氧基-苯酚、保留時(shí)間為12.6 min的麥芽酚在3種材料中都有檢出且色譜峰強(qiáng)度較高,可作為辨別多糖類(lèi)材料的參考組分。

表 2 淀粉、桃膠、阿拉伯膠參比樣品在保留時(shí)間2.5～10 min內(nèi)的Py-GC/MS分析結(jié)果

在保留時(shí)間19～60 min內(nèi),淀粉、桃膠、阿拉伯膠在31 min之前的裂解產(chǎn)物是葡萄糖、甘露糖等單糖經(jīng)分子內(nèi)脫水、開(kāi)環(huán)、甲基化等反應(yīng)形成的單糖衍生物(monosaccharide derivative),而35 min之后則是單糖低聚體衍生物(monosaccharide oligomer derivative)(見(jiàn)表4、表5)。對(duì)于不能通過(guò)譜庫(kù)檢索確定分子結(jié)構(gòu)的單糖及單糖低聚體衍生物,表中以單糖衍生物、單糖低聚體衍生物加以數(shù)字序號(hào)進(jìn)行標(biāo)識(shí),為更直觀的進(jìn)行辨別,表中依次列出了所有裂解產(chǎn)物的主要質(zhì)譜碎片離子。對(duì)比表4、表5可看出,雖然桃膠中所檢測(cè)到裂解產(chǎn)物的數(shù)量少于阿拉伯膠,但兩者裂解產(chǎn)物的種類(lèi)基本一致,因此可確定桃膠、阿拉伯膠裂解產(chǎn)物相似度較高,但是淀粉的裂解產(chǎn)物與前兩者完全不同。

如圖2和表4所示,淀粉在保留時(shí)間25.2～31.0 min檢出的1,6-脫水-β-D-吡喃葡萄糖是其主要裂解產(chǎn)物。1,6-脫水-β-D-吡喃葡萄糖的質(zhì)譜圖及其主要碎片離子m/z60、57、73的提取離子流圖(EIC)見(jiàn)圖3。進(jìn)一步對(duì)比其最強(qiáng)碎片離子m/z60的EIC圖在淀粉、桃膠、阿拉伯膠中的分布情況(見(jiàn)圖4),可確定1,6-脫水-β-D-吡喃葡萄糖僅在淀粉中檢出,因此可將1,6-脫水-β-D-吡喃葡萄糖作為辨別淀粉與桃膠、阿拉伯膠的特征組分。此外,雖然淀粉是由葡萄糖構(gòu)成的同多糖,但其裂解產(chǎn)物中還檢出了果糖、阿洛糖、甘露糖、半乳糖、木糖等其他單糖的衍生物,這可能是由于淀粉熱裂解過(guò)程中在高溫、高壓及堿性條件下發(fā)生了分子異構(gòu)反應(yīng),導(dǎo)致葡萄糖結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

表 3 淀粉、桃膠、阿拉伯膠參比樣品在保留時(shí)間10～19 min內(nèi)的Py-GC/MS分析結(jié)果

根據(jù)表5所列桃膠、阿拉伯膠裂解產(chǎn)物的主要質(zhì)譜碎片離子質(zhì)荷比,可看出除桃膠在21.6～22.8 min檢出的單糖衍生物1、阿拉伯膠在21.8 min檢出的單糖衍生物2的最強(qiáng)碎片離子為m/z60之外,所有單糖衍生物及單糖聚體的最強(qiáng)或次強(qiáng)質(zhì)譜碎片離子都是m/z101。圖5所示為桃膠、阿拉伯膠的m/z60、m/z101碎片離子的EIC圖,可看出,桃膠在21.6～22.8 min的m/z60的EIC峰強(qiáng)度遠(yuǎn)高于所有m/z101的EIC峰,而阿拉伯膠在21.8 min的m/z60的EIC峰強(qiáng)度弱于大部分m/z101的EIC峰,因此可以通過(guò)m/z60、m/z101的EIC圖中峰保留時(shí)間及強(qiáng)度對(duì)比實(shí)現(xiàn)桃膠與阿拉伯膠的辨別。

表 5 桃膠、阿拉伯膠標(biāo)準(zhǔn)樣品在保留時(shí)間19～60 min內(nèi)的Py-GC/MS分析結(jié)果

圖 3 淀粉在保留時(shí)間25.2～31.0 min的裂解產(chǎn)物1,6-脫水-β-D-吡喃葡萄糖的質(zhì)譜圖及其主要碎片離子的提取離子流圖 Fig. 3 Mass spectrum of 1,6-anhydro-β-D-glucopyranose detected in starch with the retention time of 25.2-31.0 min and the extracted ion chromatograms (EICs) of main fragment ions

圖 4 淀粉、桃膠、阿拉伯膠Py-GC/MS分析的m/z 60碎片離子的提取離子流圖Fig. 4 EICs of fragment ions with m/z 60 for starch,peach gum, and gum Arabic analyzed by Py-GC/MS

綜上所述,淀粉、桃膠、阿拉伯膠在本工作所用色譜分離方法保留時(shí)間前段(2.5～10 min)、中段(10～19 min)、后段(19～60 min)內(nèi)的裂解產(chǎn)物差異明顯,特別是可根據(jù)中段及后段裂解產(chǎn)物的差異實(shí)現(xiàn)3類(lèi)材料的辨別。

2.3 文物樣品分析

為評(píng)價(jià)所建立多糖類(lèi)材料的Py-GC/MS分析方法及所總結(jié)裂解產(chǎn)物信息的可行性,將其應(yīng)用于故宮舊藏剔紅瓶瓶口部位黏結(jié)材料以及貼落畫(huà)心紙所用膠結(jié)材料的分析。

圖 5 桃膠、阿拉伯膠的Py-GC/MS分析在保留時(shí)間19～60 min內(nèi)m/z 60、m/z 101碎片離子的提取離子流圖Fig. 5 EICs for fragment ions with m/z 60 and m/z 101 in peach gum and gum Arabic with the retention time of 19-60 min analyzed by Py-GC/MS

圖 6 剔紅瓶瓶口部位黏結(jié)材料和貼落畫(huà)心紙樣品的Py-GC/MS分析結(jié)果以及裂解產(chǎn)物1,6-脫水-β-D-吡喃葡萄糖主要碎片離子m/z 60、m/z 57、m/z 73的EIC圖Fig. 6 Py-GC/MS results and EICs for major fragment ions, with m/z 60, 57, and 73, of 1,6-anhydro-β-D-glucopyranose in the binding material sampled from the rim of the carved red lacquer vase and paper from the Tieluo

考慮到實(shí)際文物樣品組分復(fù)雜,其所含的其他有機(jī)、無(wú)機(jī)材料可能會(huì)干擾到多糖裂解產(chǎn)物的識(shí)別,因此仔細(xì)分析了文物樣品Py-GC/MS實(shí)驗(yàn)結(jié)果中所有色譜峰的質(zhì)譜圖,而不僅限于強(qiáng)度較高的峰,并且為確保辨別結(jié)果的準(zhǔn)確性,只有當(dāng)文物樣品色譜峰的保留時(shí)間以及質(zhì)譜圖均能與多糖標(biāo)準(zhǔn)樣品相對(duì)應(yīng),才認(rèn)定此組分可歸屬于多糖裂解產(chǎn)物。

兩件文物樣品的Py-GC/MS分析結(jié)果見(jiàn)圖6,經(jīng)質(zhì)譜解析,在兩個(gè)樣品中均識(shí)別出大量多糖類(lèi)材料裂解產(chǎn)物(見(jiàn)表6),特別是保留時(shí)間25～30 min內(nèi)1,6-脫水-β-D-吡喃葡萄糖的檢出可確定兩件文物樣品中都有淀粉膠結(jié)材料,且根據(jù)兩類(lèi)文物傳統(tǒng)用料特點(diǎn),推測(cè)剔紅瓶瓶口部位黏結(jié)材料中含有面粉,貼落畫(huà)心紙同樣采用面粉糨糊。

表 6 剔紅瓶瓶口部位黏結(jié)材料和貼落畫(huà)心紙樣品的Py-GC/MS分析結(jié)果

面粉糨糊原料成本低、易獲取,糨糊使用后能增強(qiáng)紙張的機(jī)械強(qiáng)度且對(duì)書(shū)畫(huà)外觀沒(méi)有明顯影響,而且糨糊作為黏結(jié)材料其操作具備可逆性,通過(guò)適當(dāng)增加濕度即可將經(jīng)糨糊黏結(jié)的紙張完全分離而不損傷紙張,因此糨糊一直是我國(guó)傳統(tǒng)紙質(zhì)書(shū)畫(huà)裝裱必備材料,中國(guó)古代書(shū)畫(huà)裝裱的專(zhuān)著,明代周嘉胄《裝潢志》中“墨以膠成,裱以糊就”的論述即是關(guān)于糨糊的記載[3]。此外,面粉、糯米漿等多糖材料都是我國(guó)古代建筑以及家具等器物制作常用原材料,其中古建地仗或者器物灰胎制作中面粉經(jīng)常與桐油、豬血等混合用作膠結(jié)材料[1,2],而糯米漿則能增強(qiáng)建筑灰漿的強(qiáng)度、韌性和防滲能力[28]。

3 結(jié)論

Py-GC/MS技術(shù)在文物有機(jī)材料的識(shí)別及研究方面具有十分廣闊的應(yīng)用前景。本研究基于Py-GC/MS技術(shù)系統(tǒng)分析了中國(guó)古代書(shū)畫(huà)、建筑、器物等文物中常用的多糖類(lèi)膠結(jié)材料淀粉、桃膠,以及西方國(guó)家最常用的阿拉伯膠。研究確定了3類(lèi)材料的熱裂解產(chǎn)物,并發(fā)現(xiàn)其熱裂解產(chǎn)物在保留時(shí)間前、中、后段分別呈現(xiàn)出明顯的一致性或差異性,因此研究通過(guò)特定保留時(shí)間段內(nèi)的差異性實(shí)現(xiàn)了淀粉、桃膠以及阿拉伯膠的辨別。

將所建立的多糖材料分析方法用于故宮舊藏清代一件漆器文物以及一件書(shū)畫(huà)文物樣品膠結(jié)材料的分析,在兩個(gè)樣品中均檢測(cè)到淀粉。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與相應(yīng)類(lèi)別文物傳統(tǒng)用料能夠相互印證,這也驗(yàn)證了所建立Py-GC/MS分析方法的可行性。但需要指出的是,兩件文物樣品中所檢出的淀粉裂解產(chǎn)物明顯少于淀粉標(biāo)準(zhǔn)樣品,這與文物中淀粉的自然老化有關(guān),也可能與文物樣品中其他有機(jī)、無(wú)機(jī)材料對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響有關(guān),因此,多糖類(lèi)材料的老化,以及其他材料對(duì)多糖裂解過(guò)程及裂解產(chǎn)物檢測(cè)的影響都有待深入研究。

致謝 感謝故宮博物院文?？萍疾科崞餍迯?fù)組閔俊嶸、王凱飆提供雕漆文物樣品,書(shū)畫(huà)修復(fù)組楊澤華、王璐提供貼落文物樣品。