基于超高效液相色譜-質譜聯用技術和便攜式拉曼光譜儀鑒定模擬老化紡織品中的靛藍染料

關鍵詞 超高效液相色譜-四極桿飛行時間質譜；便攜式拉曼光譜；靛藍；紡織品老化

天然纖維的使用由來已久，其中應用最廣泛的是取自植物種籽的棉纖維和取自動物分泌物的絲纖維。隨著染織技術的進步，采用天然染料染織棉和絲等天然纖維可以獲得圖案豐富、風格迥異的染織物。靛藍（Indigo）作為來源最廣泛的藍色系天然植物染料，不僅是人類所知的最古老染料之一，也因其具有優越的染色性能和耐光性能被廣泛應用于織物的染色加工。然而，在保存過程中，由于潮濕[1]和光照[2]等因素的影響，紡織品中天然染料容易發生老化褪色現象，給染料的識別鑒定帶來困難，也嚴重影響紡織品文物的保護與修復。

在紡織品文物的分析方法的研究中，對纖維種類[3]、纖維結構[4]和加工技藝的探索方法已經相當成熟。然而，對于其中所用的特定天然染料的識別鑒定仍存在困難，尤其是紡織品中老化染料的識別鑒定。目前，雖然有部分技術，如拉曼光譜[5-6]、光纖反射光譜[7]、原位紫外可見-熒光法[8-9]以及高效液相色譜[10-12]等，已被成功應用于紡織品中天然染料的鑒定，但由于可供分析的文物紡織品樣品量極少，對鑒定方法的分離效果、精確度和靈敏度都提出了更高的要求。相對而言，超高效液相色譜-質譜聯用技術顯示出極大的優勢。例如，研究者采用超高效液相色譜-質譜聯用技術鑒定紡織品中的茜草、蘇木、紅花、姜黃和黃檗等天然染料[13-15]，并采用該技術實現了唐代紡織品文物中茜草和紫草染料的識別[16]。此外，非侵入式檢測手段也成為研究者關注的對象[17]，其中，便攜式拉曼光譜技術為珍貴文物的無損檢測和現場檢測提供了便利。對于靛藍染料，雖然已有研究探討了其在溶液和凝膠介質中的光老化降解產物及機理[1，18-19]，但缺乏對染織品中的靛藍在光老化和酸老化后的識別檢測研究。

為模擬紡織品文物在館藏和墓葬中的保存環境，本研究對現代紡織品棉和絲進行靛藍模擬染色，并進行紫外光老化和酸老化處理。采用高效快捷的超高效液相色譜-四極桿-飛行時間質譜（Ultra-highperformance liquid chromatography-quadrupole time-of-flight-mass" spectrometry， UPLC-Q-TOF-MS）聯用技術以及原位無損的便攜式拉曼光譜（Portable Raman spectroscopy， P-RS）技術，對老化前后棉料和絲料中的靛藍成分進行分析檢測。本研究結果為古代紡織品老化后靛藍染料的檢測提供了思路，也為相關文物的保護和修復提供了科學依據。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Zeiss Gemini 500 場發射掃描電子顯微鏡（卡爾蔡司（上海）管理有限公司）；ACQUITY UPLC I-Class超高效液相色譜-四極桿-飛行時間質譜聯用儀（中國教學儀器設備有限公司）；R785-105-ST 便攜式拉曼光譜儀（常州先舟環保科技有限公司）；紫外光老化箱（自制）。

靛藍標準品（純度gt;98%，上海麥克林試劑公司）；靛紅標準品（純度gt;98%，上海陶術生物科技有限公司）；N，N-二甲基甲酰胺（DMF，分析純，天津市富宇精細化工有限公司）；NaOH（分析純，天津科茂化學試劑有限公司）；濃HCl（質量分數36%～38%）和氯仿（分析純）（國藥集團化學試劑有限公司）；保險粉（分析純，天津市大茂化學試劑廠）。實驗用水為超純水（18.2 MΩ·cm），由Milli-Q Integral 10 純水儀（美國密理博公司）制備。未染色棉布（100%棉）及絲綢（100%絲）購于本地市場。

1.2 實驗方法

1.2.1 靛藍染色模擬樣品的制備

靛藍是一種還原性染料，微溶于水，直接上染的染色效果和色牢度較差。參照古代傳統染色工藝，將靛藍加入到2 g/L NaOH 溶液中，再分批加入適量保險粉，攪拌溶解得到靛白隱色鹽溶液，其中，所加入NaOH、保險粉與靛藍的質量比為2∶5∶2。將未染色的棉布和絲綢清洗后平整浸入靛白隱色鹽溶液染色，布料整體浸于液面下以保證染色均勻。浸泡45 min 后取出，避光自然氧化晾干，洗去染色棉布和絲綢的浮色，并裁剪成75 mm×25 mm 大小的長條型棉料和絲料樣品。

紫外光老化：搭建紫外光老化裝置，長36 cm、寬18 cm、高22 cm，樣品臺與紫外燈的垂直距離為15 cm，選用波長為340 nm 的UVA 燈管（20 W）；參考文獻[14]的方法對染色后的棉料和絲料樣品進行紫外光加速老化實驗，持續照射20 d 后取出，期間每隔12 h 更換樣品的位置以保證光照均勻。

酸老化：配制pH=2 的HCl 溶液，將靛藍染色的棉料和絲料樣品分別浸入酸液中，密封浸泡20 d 后取出，用超純水重復清洗至pH=7，晾干備用。

1.2.2 萃取溶劑和萃取方法的優化

靛藍在大多數常見溶劑中的溶解度有限，而在DMF 中具有較好的溶解性能，因此采用DMF 作萃取劑或剝色劑提取樣品中的靛藍。然而，靛藍的同分異構體靛玉紅在DMF 中也具有較好的溶解度，這在一定程度上干擾了靛藍的準確識別。鑒于此，本研究采用兩步萃取法萃取靛藍：（1）采用DMF 從靛藍染色的棉料和絲料中分別萃取目標化合物，過濾得到濾液后用氮氣吹干；（2）加入氯仿對殘留物進行復溶處理，采用0.22 μm 的針頭式濾器過濾以獲取靛藍的氯仿溶液。將此溶液引入色譜系統進行檢測，每類樣品重復3～5 次取樣分析。

1.2.3 掃描電子顯微鏡測試

Zeiss Gemini 500 場發射掃描電子顯微鏡（SEM）分辨率最大可達0.6 nm，加速電壓在0.02～30 kV 范圍內連續可調。將待測棉料和絲料樣品裁剪成1 cm×1 cm 的小塊，平整鋪排到貼有導電膠帶的樣品臺上，鍍金110 s 后進樣。使用SE2 探測器，工作距離為8.8 mm，分別在放大倍數為150 倍和1500 倍下觀察紫外光老化前后以及酸老化前后的棉料和絲料樣品的表面形貌。

1.2.4 UPLC-Q-TOF-MS測試條件

ACQUITY UPLC BEH C18 色譜柱（50 mm×2.1 mm， 1.7 μm），柱溫為25 ℃；流動相A 為0.1%（V/V）甲酸溶液，流動相B 為乙腈，流速為0.15 mL/min，進樣量為5 μL。梯度洗脫程序：0～1 min， 90%～80% A；1～6 min， 80%～20% A；6～11 min， 20% A；11～16 min， 20%～90% A；16～18 min， 90% A。

采用電噴霧離子源（ESI），正離子模式檢測。離子源溫度為120 ℃，脫溶劑氣溫度為500 ℃，脫溶劑氣流量為800 L/h，毛細管電壓為1.5 kV，錐流量為50 L/h；采用MSE 數據采集模式，設置m/z 50～2000 范圍內的高性能全掃描檢測。采用亮氨酸腦啡肽作為實時校正液。

1.2.5 P-RS測試條件

采用785nm波長的光源，最大功率為650 mW，響應范圍為100～1000 cm^–1，適用于現場和非侵入性檢測的需求。分別選取少量光老化處理以及酸老化處理前后的棉質和絲質紡織品樣品，采用便攜式拉曼光譜儀對其進行檢測，得到拉曼光譜圖。

2 結果與討論

2.1 不同老化方式對棉料和絲料表面形貌及靛藍染色的影響

通過宏觀觀察和SEM 表征紫外光老化前后和酸老化前后靛藍染色棉料和絲料的表面形貌，結果如圖1 和圖2 所示。未老化靛藍染色的棉料（圖1A）和絲料（圖2A）呈現深藍色，纖維排列整齊。經過紫外光加速老化后，兩者均出現了明顯的褪色或變色現象（圖1D 和2D），其中，絲纖維（圖2D）發生了較大程度的粉化，纖維強度顯著降低。與光老化相比，酸老化處理后的兩種纖維宏觀變化較小（圖1G 和2G）。

SEM 結果進一步揭示了纖維微觀結構的差異。未老化靛藍染色的棉纖維（圖1B 和1C）為扁平帶狀，伴有天然卷曲，表面具有不規則凹陷，且不均勻地附著有帶狀的染料小分子；紫外光老化后（圖1E 和1F），棉纖維表面裂紋增多，纖維流失現象加劇；酸老化處理后的棉纖維（圖1H 和1I），其表面纖維流失程度相較于光老化樣品有所減輕。對于靛藍染色的絲纖維，可觀察到未老化樣品（圖2B 和2C）纖維排列整齊，表面光滑，截面呈圓滑的三角形或多邊形；紫外光老化后，絲纖維不僅表面細小裂紋增多，還出現大量斷口（圖2E 和2F）；盡管酸老化處理后的絲纖維也呈現出更多的表面裂紋，但其仍然排列相對整齊（圖2H 和2I），可見絲纖維的酸老化程度弱于紫外光老化。因此，紫外光老化及酸老化對靛藍染色的棉料和絲料的表面形貌有不同程度的影響。與酸老化處理結果相比，紫外光老化后，靛藍染色的棉料和絲料纖維都發生了更顯著的變化，纖維變得更加脆弱，強度顯著降低。同時，棉纖維比絲纖維表現出更好的耐紫外光老化性能。

2.2 UPLC-Q-TOF-MS 檢測棉料和絲料中的靛藍染料

2.2.1 UPLC-Q-TOF-MS 檢測靛藍標準品的特征信息

為了確保老化紡織品中靛藍染料的準確識別檢測，首先采用UPLC-Q-TOF-MS 檢測靛藍標準品的特征信號，為老化前后模擬棉料和絲料樣品萃取液中的靛藍成分提供對照。如圖3A 所示，靛藍標準品的總離子流圖（TIC）顯示出2 個較強信號峰，其中，保留時間為7.24 min 的峰被確認為靛藍的特征信號峰；在UPLC-Q-TOF-MS 的提取離子流圖（EIC）中只在7.24 min 處有單峰，并在正離子模式下成功識別出其對應的靛藍的準分子離子峰（m/z 263.0830）。在總離子流圖中7.24 min 處色譜峰的一級質譜圖如圖3B 所示，校正后的豐度最大的碎片離子峰對應的質荷比為263.0830，與單同位素精確質量數263.0821 相近，與靛藍標準品的誤差值為3.4×10^–6。因此，推測7.24 min 處的色譜峰為靛藍的特征信號峰。上述結果為后續樣品中靛藍的定性分析提供了重要依據。

2.2.2 UPLC-Q-TOF-MS 檢測紫外光老化和酸老化前后棉料和絲料萃取液中的靛藍

按照1.2.2 節的方法，對紫外光老化以及酸老化前后的靛藍染色棉料樣品進行萃取處理，并通過UPLC-Q-TOF-MS 檢測萃取液中的靛藍成分，得到的TIC 圖如圖4A 所示。在靛藍染色棉料樣品的未老化、紫外光老化和酸老化圖譜（圖4A）中，靛藍萃取液的TIC 圖都顯示在7.25 min 附近存在明顯的色譜峰，其一級質譜圖（圖4B～4D）與靛藍標準品（圖3B）一致，均可觀察到正離子模式下靛藍的準分子離子峰（分別為m/z 263.0833、263.0845 和263.0845），按照2.2.1 節所述方法進行誤差計算，最終可以判斷未老化、光老化和酸老化的3 個棉料樣品中7.25 min 附近的色譜峰為靛藍的色譜峰。

對紫外光老化前后以及酸老化前后的靛藍染色絲料樣品，同樣采用1.2.2 節的方法進行萃取，采用UPLC-Q-TOF-MS 仍能檢測到萃取液中存在靛藍成分。如圖5A 所示，在未老化、紫外光老化和酸老化絲料樣品中，靛藍萃取液的TIC 圖顯示在7.24 min 附近同樣存在明顯的色譜峰，按照2.2.1 節所述方法進行誤差計算，其一級質譜結果（圖5B～5D）（分別為m/z 263.0832、263.0795 和263.0839）符合靛藍的準分子離子峰特征，實現了靛藍成分的檢測。除此之外，光老化絲料的萃取液中還檢測到靛藍的光老化產物靛紅（m/z 148.0384）。采用與靛藍一致的UPLC-Q-TOF-MS 測試條件檢測靛紅標準品，發現在4.45 min 處存在色譜峰（圖6A），在正離子模式下成功識別出其對應的靛藍的準分子離子峰。此峰對應的一級質譜圖（圖6B）顯示，校正后的豐度最大的碎片離子峰對應的質荷比為148.0384，與單同位素精確質量數148.0399 相近，可以判斷為靛紅。光老化后的棉料萃取液中靛紅的信號強度較弱，表明絲料中的靛藍在紫外光老化條件下更易發生老化反應，導致結構發生變化。

2.3 P-RS 檢測老化前后棉料和絲料中的靛藍

為建立更快速的無損檢測方法，采用P-RS 對老化前后棉料和絲料中的靛藍成分進行分析。對未染色且未老化的棉料和絲料進行785 nm 激發光源下的P-RS 檢測，結果如圖7 中譜線d 和譜線e 所示，未染色的棉料和絲料樣品的拉曼譜圖呈現平直的信號，未觀察到明顯的拉曼峰。對靛藍標準品、未老化的靛藍染色棉料和絲料進行P-RS 檢測，結果表明，在靛藍標準品的P-RS 圖譜中能夠清晰地觀察到位于754、670、545 和264 cm^–1 處的特征拉曼峰（圖7 譜線a），在未老化的棉料（圖7A 譜線b）和絲料（圖7A 譜線c）染色樣品中也能檢測到相似的拉曼信號。

無論是老化后的棉料（圖8A）還是絲料（圖8B）樣品，其拉曼光譜顯示出相似的規律。在紫外光老化后的樣品中，雖然能夠檢測到靛藍的拉曼信號（圖8A 和8B，譜線c），但其信號強度相較于未老化樣品（圖8A 和8B，譜線b）有所減弱，其中絲料的信號強度（圖8B 譜線c）降低尤為顯著（尤其是545 cm^–1 處的信號峰），這表明絲纖維上的靛藍相對于棉纖維上的靛藍更不耐紫外光老化，此結果與圖1 和圖2 中靛藍染色纖維實物圖像和SEM 圖像結果一致。經過酸老化的樣品檢測結果顯示（圖8A 和8B，譜線a），相較于未老化樣品（圖8A 和8B，譜線b），在755、669、545 和258 cm^–1 附近的靛藍的拉曼信號更突出，這可能與酸老化導致纖維結構變化或染料分子暴露有關。上述結果表明， P-RS 可以作為一種快速的無損檢測方法檢測老化前后棉料和絲料中的靛藍成分。

以上分析結果表明， UPLC-Q-TOF-MS 和P-RS 兩種檢測方法各有優勢。P-RS 的優點在于可實現現場快速檢測和定性分析，并且對檢測樣品的破壞程度較小；不足之處在于對真實紡織品文物所處環境要求較高。UPLC-Q-TOF-MS 需要對樣品進行前處理，是破壞式分析，但UPLC-Q-TOF-MS 靈敏度高，真實紡織品文物所處環境的復雜程度對其限制較小。因此，在實際應用中，建議將兩種分析方法結合使用，以實現多種環境下靛藍的有效檢測。

3 結論

為了更精準模擬古代紡織品文物在實際保存環境下的潛在老化情況，本研究選取古代染織最常用的靛藍染料對棉料和絲料紡織品進行染色，并通過紫外光照射和HCl 溶液（pH=2）處理，模擬紡織品的老化過程，獲得用于識別檢測的靛藍染色模擬老化樣品。在此基礎上，采用UPLC-Q-TOF-MS 和P-RS 對模擬樣品中的靛藍染料進行檢測分析，建立了高效的UPLC-Q-TOF-MS 分離檢測方法，即以0.1%甲酸溶液和乙腈為流動相，在18 min 內實現流動相比例的梯度調整。在此條件下，無論是光老化還是酸老化前后的棉料與絲料樣品，都能在靛藍萃取液中檢測到位于7.24 min 附近的中等強度的色譜峰。此色譜峰對應的一級質譜圖在正離子模式下呈現出與靛藍標準品相符的準分子離子峰，證明了靛藍的存在。此外，在光老化后的絲料樣品中，還檢測到了分子量為148.0359 的物質，證實是靛藍的光老化產物靛紅。同時，P-RS 分析結果顯示，在經歷紫外光老化和酸老化后，依然可以檢測到紡織品中靛藍的特征信號峰，這為紡織文物樣品中靛藍染料的原位、無損檢測提供了有力支撐。值得注意的是，在紫外光老化后的絲料樣品中，靛藍的P-RS特征信號強度明顯降低，這表明絲料上的靛藍相較于棉料在紫外光老化過程中可能發生了更顯著的變化。酸老化后，無論是棉料樣品還是絲料樣品中的靛藍拉曼信號均表現出增強的趨勢。本研究通過模擬紡織品文物的保存環境，結合UPLC-Q-TOF-MS 與P-RS 技術建立了高效且快速的靛藍染料鑒定方法，其中， P-RS 方法具有快速無損的特點，為紡織品文物中靛藍染料的原位檢測提供了有力支撐，而UPLC-Q-TOF-MS 技術具有高分辨率、低檢出限和高靈敏度的特點，為后續的相關定量分析研究提供了可能。

致謝 感謝西安交通大學分析測試中心白璐老師和劉佳老師在液質聯用和拉曼分析中的幫助和支持。