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土壤埋藏對(duì)常見(jiàn)彩繪文物蛋白膠料形貌和結(jié)構(gòu)的影響

2020-07-14 02:35:11馬珍珍王麗琴張亞旭由蕊郭芷彤楊璐
分析化學(xué) 2020年7期
關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)

馬珍珍 王麗琴 張亞旭 由蕊 郭芷彤 楊璐

摘要利用掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射法(XRD)和紅外光譜法(FTIR)對(duì)豬皮膠、全蛋、蛋清、蛋黃、牛奶5種常見(jiàn)彩繪文物蛋白膠料老化前后的形貌、結(jié)晶度、紅外光譜吸收特征和蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)含量進(jìn)行了對(duì)比研究。結(jié)果表明,5種膠料老化后,表面規(guī)則的結(jié)構(gòu)和紋理遭到破壞,整體變得松散;結(jié)晶度降低,尤以牛奶最顯著;老化后,5種蛋白膠酰胺Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ帶紅外吸收的階梯狀特征仍然明顯,但螺旋結(jié)構(gòu)已經(jīng)解離,且均呈現(xiàn)α螺旋含量降低、β折疊和無(wú)規(guī)則卷曲含量增高的趨勢(shì),說(shuō)明分子結(jié)構(gòu)從有序趨于無(wú)序狀態(tài)。

關(guān)鍵詞形貌; 結(jié)構(gòu); 蛋白膠料; 土壤埋藏老化; 彩繪文物

1引 言

蛋白類物質(zhì)來(lái)源廣, 易獲得,是古代彩繪文物最常見(jiàn)的膠料[1,2],作為顏料的分散和固定劑,也是彩繪文物色彩穩(wěn)定存在的關(guān)鍵物質(zhì)[3]。我國(guó)擁有大量珍貴的考古出土彩繪文物,土壤埋藏降解是其出土前的主要老化形式,會(huì)改變蛋白膠料的形貌和結(jié)構(gòu),導(dǎo)致彩繪顏料層出現(xiàn)粉化、脫落等病害[4],降低文物的藝術(shù)價(jià)值,早期秦兵馬俑彩繪脫落就是一個(gè)典型的例子。由于蛋白膠料形貌和結(jié)構(gòu)的改變,極大影響了蛋白膠料鑒定的準(zhǔn)確性和保護(hù)材料的選擇,成為制約彩繪文物有效保護(hù)的瓶頸問(wèn)題之一。按照“不改變文物原貌”的文物保護(hù)基本原則,要求盡可能使用原有材料進(jìn)行保護(hù)。因此,蛋白膠料的準(zhǔn)確鑒定是正確選擇保護(hù)材料和實(shí)施保護(hù)的前提和基礎(chǔ),對(duì)彩繪文物保護(hù)具有重要指導(dǎo)意義。

掃描電子顯微鏡(SEM)、紅外光譜法(FTIR)和X射線衍射法(XRD)等技術(shù)是常用的材料表征手段[5,6],近年來(lái)已用于有機(jī)質(zhì)文物形貌觀察、結(jié)構(gòu)分析及文物保護(hù)中。例如,利用SEM觀察絲織品圖案金屬化過(guò)程中Ag的沉積[7],并用于評(píng)估不同方法對(duì)紙張中老化動(dòng)物膠的清理效果[8]。Sotiropoulou等[9]利用FTIR研究希臘史前時(shí)期、羅馬時(shí)期墓葬壁畫(huà)材質(zhì)成分,獲取了彩繪層蛋白膠料的紅外吸收光譜特征信息; 絲綢室內(nèi)自然老化和人工紫外老化的研究表明,絲綢蛋白無(wú)定形區(qū)發(fā)生氧化、二級(jí)結(jié)構(gòu)變化使得晶體結(jié)構(gòu)規(guī)則度降低[10]。XRD作為獲取生物大分子結(jié)構(gòu)的主要技術(shù)之一[11],也用于文物加固材料性能的表征,Hao等[12]指出,老化絲織品經(jīng)加固后,結(jié)晶度提高、微缺陷被修復(fù),結(jié)構(gòu)排列逐步規(guī)則化。本研究以中國(guó)古代彩繪文物最常見(jiàn)膠料豬皮膠、蛋類和牛奶[13]為研究對(duì)象,利用上述方法探討了膠料在土壤埋藏老化前后的形貌、結(jié)晶度、FTIR吸收特征及二級(jí)結(jié)構(gòu)的變化,為文物蛋白膠料的準(zhǔn)確鑒定和保護(hù)修復(fù)材料的選擇奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。

2實(shí)驗(yàn)部分

2.1儀器、試劑與材料

VEGA3XM鎢燈絲型掃描電子顯微鏡(捷克泰斯肯公司); Smart LAB型X射線衍射儀(日本理學(xué)株式會(huì)社); Bruker Tensor 27型FTIR光譜儀(德國(guó)布魯克公司); PP20E手動(dòng)電動(dòng)一體式壓片機(jī)(天津瑞岸科技有限公司); MasterS HitechSciencetool實(shí)驗(yàn)室超純水系統(tǒng)(上海和泰儀器有限公司)。

氨水(色譜純,天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所); KBr粉末(光譜純,天津天光光學(xué)儀器有限公司); 乙醇(分析純,天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司); 鐵粉(分析純,天津市東麗區(qū)天大化學(xué)試劑廠); 蛋白膠料:市售全蛋、蛋清和蛋黃(機(jī)械分離全蛋獲得),銀橋全脂牛奶,豬皮膠依據(jù)《齊民要術(shù)》所述傳統(tǒng)制膠技術(shù)由市售新鮮豬皮熬制[14]。

2.2蛋白膠樣的制備及樣品前處理

2.2.1新鮮蛋白樣品的制備稱取不同質(zhì)量的豬皮膠(含蛋白85%)、全蛋(含蛋白12.8%)、蛋清(含蛋白11.5%)、蛋黃(含蛋白17.5%)和牛奶(含蛋白3%),使其均含有0.6 g蛋白。蛋白樣品用超純水溶解后于載玻片上成膜,陰干至水份完全揮發(fā)后,備用。每種膠制備2組,其中一組按照2.2.3節(jié)處理后作為新鮮蛋白樣品,另一組按照2.2.2節(jié)處理后作為老化蛋白樣品。

2.2.2老化蛋白樣品的制備取墓葬底土層土若干(本實(shí)驗(yàn)用土取自陜西韓休唐墓新鮮開(kāi)挖的墓葬土,離地表10 m深),參考文獻(xiàn)[15]的方法進(jìn)行樣品的土壤埋藏,具體如下:經(jīng)分樣篩(孔徑0.2 mm)過(guò)篩后排除大顆粒土塊等雜質(zhì),于255℃下滅菌處理24 h,加超純水制得含水率12%的滅菌土樣,裝入玻璃罐中。將2.2.1節(jié)制備的另一組膠樣埋入土中,并在上、中、下層分別鋪置10%的鐵粉,將土壓實(shí)、擰緊罐蓋并用蠟密封罐體,遮黑后于5℃存放,使樣品處于缺氧、避光、低溫、密閉的穩(wěn)定環(huán)境中,以模擬彩繪文物在土壤埋藏中的老化狀態(tài)。埋藏一年后,清除膠樣表面的土,按2.2.3節(jié)處理后,制得老化蛋白樣品。

2.2.3樣品前處理分別取1 g土壤埋藏老化前后的豬皮膠、全蛋、蛋清、蛋黃、牛奶膠樣,加入2.5 mol/L氨水溶液2 mL,超聲萃取1.5 h,5000 r/min離心5 min,吸取上清液,以排除土壤中無(wú)機(jī)鹽、顏料等的干擾[13,16]。上述操作重復(fù)兩遍,將上清液烘干,備用。

2.3測(cè)試方法及條件

2.3.1形貌觀察取3×3 mm蛋白膠樣放在粘有導(dǎo)電膠的樣品座上,噴金后置于掃描電子顯微鏡樣品倉(cāng)中,抽真空后觀察蛋白膠樣的顯微形貌。測(cè)試條件:電壓20 kV,工作距離15 mm,使用二次電子探頭。

2.3.2XRD測(cè)試取3~5 mg蛋白膠樣,研磨至粉末后平鋪于單晶硅載物片上并壓平,置于X射線衍射儀試樣倉(cāng)中進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試條件:銅靶,管電壓40 kV,管電流150 mA,寬度0.02°,掃描速度15°/min。

2.3.3FTIR測(cè)試取3~5 mg蛋白膠樣與200 mg KBr粉末混合,研磨至均勻粉末后,用壓片機(jī)于10 MPa下壓制窗片進(jìn)行FTIR分析。測(cè)試條件,掃描次數(shù):64次,波數(shù)范圍:4000~675 cm,譜帶增強(qiáng)因子取3),使用SavitzkyGolay函數(shù)對(duì)光譜求二階導(dǎo)。對(duì)得到的子峰峰位進(jìn)行二級(jí)結(jié)構(gòu)指認(rèn),在Origin 8.5中對(duì)譜圖各子峰進(jìn)行多次高斯曲線擬合,使殘差最小,根據(jù)各子峰面積,計(jì)算各二級(jí)結(jié)構(gòu)組分的百分含量。

3結(jié)果與討論

3.1蛋白膠樣土壤埋藏老化方法的選擇

我國(guó)幅員遼闊,地下埋藏環(huán)境雖受地理位置、水文條件等影響而有所差異,但多數(shù)考古遺址和遺物均深埋于地下,如秦始皇兵馬俑彩繪陶人和陶馬位于地下5 m以下,該層屬于底土層(距地表>50~60 cm),土體緊實(shí),環(huán)境缺氧、無(wú)光、低溫,物質(zhì)代謝極其緩慢,地表氣候很難影響到該層。因此,本研究選擇缺氧、避光、低溫、穩(wěn)定密閉的底土層土壤進(jìn)行文物蛋白膠樣的老化實(shí)驗(yàn)。

3.2形貌觀察

由SEM結(jié)果(圖1)可知,土壤埋藏老化后,5種膠料微觀形貌均出現(xiàn)不同程度的變化。全蛋、蛋黃和牛奶樣品出現(xiàn)溶蝕、鱗片化及脫落現(xiàn)象,其中,蛋黃和全蛋樣品(圖1C、1D、1G和1H)的整體完整性未遭到破壞,而牛奶樣品(圖1I和1J)出現(xiàn)了碎裂,分散成大小不等的塊體; 蛋清樣品整體結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯斷裂(圖1E和1F); 豬皮膠樣品(圖1A和1B)老化后結(jié)構(gòu)出現(xiàn)輕微疏松化,但整體形貌變化最小,土壤埋藏老化的樣品穩(wěn)定性最高。

3.3XRD分析

由5種蛋白膠料土壤埋藏老化前后的XRD結(jié)果(圖2)可以獲取其特征峰所對(duì)應(yīng)的衍射角(2θ)、峰半高寬度(β)及峰面積(Area),利用Bragg方程、Scherrer公式分別計(jì)算晶面間距(d)和晶粒大小(D),其中入射X射線Cu靶波長(zhǎng)為0.154 nm,Scherrer常數(shù)取0.89,結(jié)果見(jiàn)表1。

豬皮膠和牛奶樣品經(jīng)1年老化后的衍射角不變,蛋類的衍射角樣品較老化前略有減小,但降幅極低(<1%)。根據(jù)文獻(xiàn)[17]可知,衍射角變化不大,說(shuō)明土壤埋藏老化未改變蛋白膠的物質(zhì)成分。

由Bragg方程計(jì)算所得的晶面間距可知,蛋類(包括全蛋、蛋清和蛋黃)樣品老化后的d值略增(<1%),豬皮膠和牛奶樣品均未變化,說(shuō)明土壤埋藏老化對(duì)5種蛋白膠料的晶面間距無(wú)明顯影響。

由Scherrer公式計(jì)算所得的晶粒大小可知,老化前后5種膠的D值變化程度較低(<5%),說(shuō)明土壤埋藏老化并未明顯影響晶體尺寸。

所有膠老化后,吸收峰面積均減小,但減少程度不同,其中牛奶樣品減少最顯著(67%),蛋清和全蛋樣品減少程度居中(23%~43%),蛋黃和豬皮樣品的變化小(分別減少9%和2%)。由此可知,豬皮樣品最穩(wěn)定,蛋黃樣品次之,牛奶樣品老化最嚴(yán)重。由文獻(xiàn)[18]可知,峰面積與結(jié)晶度呈正相關(guān)。因此,土壤埋藏老化使蛋白膠料的結(jié)晶度均降低,蛋白質(zhì)的有序性降低。

3.4FTIR分析

由老化前后的FTIR譜圖(圖3)可見(jiàn),5種蛋白膠在老化后出現(xiàn)1654~1657 cm

5種蛋白膠的α螺旋含量均明顯降低,其中,蛋清樣品降低最顯著(39.06%)。5種蛋白膠的β折疊含量呈增加趨勢(shì),平均增量為5.79%。豬皮膠和蛋黃樣品的反平行β折疊結(jié)構(gòu)、平行β折疊結(jié)構(gòu)含量基本未發(fā)生改變,而其余3種樣品的反平行β折疊含量減少(7.05%~13.96%),平行β折疊含量增加(14.01%~23.89%)。5種蛋白膠的無(wú)規(guī)則卷曲含量增加,平均增量為11.93%; β轉(zhuǎn)角含量呈升高趨勢(shì)(4.10%~15.97%)。豬皮膠和蛋黃樣品的6種二級(jí)結(jié)構(gòu)含量變化整體小于其它樣品,從分子層面說(shuō)明其土壤埋藏穩(wěn)定性相對(duì)較高。

5種蛋白膠的二級(jí)結(jié)構(gòu)含量均存在α螺旋含量降低、β折疊和無(wú)規(guī)則卷曲含量升高的變化規(guī)律,牛奶樣品的變化尤為顯著,說(shuō)明所有膠料結(jié)構(gòu)均從有序趨于無(wú)序狀態(tài)[25],與上述XRD有序性降低、酰胺A帶變寬、結(jié)構(gòu)出現(xiàn)解螺旋的結(jié)論相吻合。膠料蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)上述變化是因?yàn)楦缓谅菪牡鞍踪|(zhì)存在由α螺旋向β折疊轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)[26]。Chen等[27]使用統(tǒng)一的勢(shì)能模型計(jì)算出α螺旋和β折疊的勢(shì)能,指出前者的勢(shì)能(Symbolm@@7.1ε)高于后者(Symbolm@@7.4ε),前者可轉(zhuǎn)化為后者。Ding等[28]通過(guò)離散分子動(dòng)力學(xué)算法得出α螺旋、β折疊和無(wú)規(guī)則卷曲的熵值(α螺旋<β折疊<無(wú)規(guī)則卷曲)。由熱力學(xué)第二定律可知:在自然過(guò)程中,一個(gè)孤立系統(tǒng)的總混亂度(熵)會(huì)增大(熵增原理)。因此,土壤埋藏老化后,膠料呈現(xiàn)α螺旋含量降低 、β折疊和無(wú)規(guī)則卷曲含量增大的趨勢(shì)。

3.5不同蛋白膠料土壤埋藏穩(wěn)定性差異的討論綜上,由幾種常見(jiàn)蛋白膠料的顯微形貌、結(jié)晶度、FTIR吸收和二級(jí)結(jié)構(gòu)含量變化可知,豬皮膠的土壤埋藏老化穩(wěn)定性高于其它樣品,這取決于其分子組成和結(jié)構(gòu)。

3.5.1分子中疏水性氨基酸含量的影響

本研究組前期研究獲取了豬皮膠、全蛋和牛奶樣品的氨基酸含量分布特征[29],其中,豬皮膠含疏水性氨基酸丙氨酸(Ala)、甘氨酸(Gly)、纈氨酸(Val)、亮氨酸(Leu)、異亮氨酸(Ile)、脯氨酸(Pro)、苯丙氨酸(Phe)高達(dá)73.11%,而全蛋和牛奶樣品含疏水性氨基酸僅52.19%和52.40%。同時(shí)相關(guān)研究表明,含疏水性氨基酸[30]高的蛋白質(zhì),穩(wěn)定性通常更高[31]。因此,從分子中疏水性氨基酸含量影響可知,豬皮膠土壤埋藏的穩(wěn)定性高于蛋類和牛奶樣品。

3.5.2蛋白結(jié)構(gòu)的影響豬皮膠的主要成分膠原蛋白為非常特殊的螺旋結(jié)構(gòu),具體而言,GlyXY(X和Y 為Gly之外的氨基酸,X 主要是 Pro,Y 主要是羥脯氨酸Hyp)三肽周期結(jié)構(gòu)先組成左手螺旋肽鏈,3條此肽鏈再以右手螺旋方式形成穩(wěn)定的三股螺旋結(jié)構(gòu)[32,33]。豬皮膠這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)比含球狀[34]、球狀膠體[35]的蛋類和牛奶樣品的穩(wěn)定性更高。

4結(jié) 論

通過(guò)對(duì)5種常見(jiàn)彩繪文物蛋白膠料在土壤埋藏老化前后的形貌、結(jié)構(gòu)的對(duì)比研究表明,老化膠料表面規(guī)則結(jié)構(gòu)和紋理均遭破壞,整體變得松散化,膠料的衍射角、晶面間距和晶粒大小基本保持不變,結(jié)晶度整體減小。老化膠料雖具有蛋白質(zhì)酰胺Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ帶紅外光譜的典型吸收特征,但α螺旋含量降低、β折疊和無(wú)規(guī)則卷曲含量增高,說(shuō)明蛋白結(jié)構(gòu)從有序趨于無(wú)序狀態(tài)。在5種膠料中,牛奶的形貌、結(jié)構(gòu)變化相對(duì)較大,而豬皮膠相對(duì)小,說(shuō)明后者的土壤埋藏老化穩(wěn)定性優(yōu)于前者。后期可進(jìn)一步展開(kāi)老化前后氨基酸一級(jí)結(jié)構(gòu)含量的分析,以探討一級(jí)結(jié)構(gòu)與二級(jí)結(jié)構(gòu)變化之間的關(guān)系,為彩繪文物的劣化機(jī)理研究提供科學(xué)依據(jù)。

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《形而上學(xué)》△卷的結(jié)構(gòu)和位置
論結(jié)構(gòu)
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模具制造(2019年3期)2019-06-06 02:10:54
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論《日出》的結(jié)構(gòu)
縱向結(jié)構(gòu)
縱向結(jié)構(gòu)
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人間(2015年21期)2015-03-11 15:23:21
創(chuàng)新治理結(jié)構(gòu)促進(jìn)中小企業(yè)持續(xù)成長(zhǎng)
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