高效液相色譜-質譜聯用技術鑒別清代小龍袍染料

范魯丹 郭丹華 劉劍 趙豐

摘要： 采用高效液相色譜-質譜聯用技術對清代小龍袍進行染料檢測。通過獲得每種染料萃取物中各種色素成分的紫外吸收光譜圖和多級質譜圖，與已知染料標準品或相關的文獻報道進行比對，成功鑒別出紅花、黃檗、靛青、蘇木、槐米和黃櫨6種植物染料。黃檗套染紅花可以得到紅色，黃櫨和槐米用來染黃色，靛青染各種藍色，蘇木與靛青套染得到天青色，槐米和黃檗同靛青套染分別得到兩種綠色。文章的染料鑒別結果為清代宮廷色彩的復原提供了真實可靠的染料品種信息，同時，有助于文物保護工作者對該類紡織品文物采取科學合理的保存和展示方案。

關鍵詞： 高效液相色譜-質譜聯用技術;龍袍;天然染料;染料分析;數據關聯技術

中圖分類號： TS193.844

文獻標志碼： A

文章編號： 1001-7003（2019）02-0050-06

引用頁碼： 021109

Abstract： Dye detection of small dragon robe in the Qing dynasty was conducted with high performance liquid chromatography-mass spectrometry （HPLC-MS）. Six dyes were identified by comparing the UV-Vis spectrum and MSn spectra of pigment compositions in each dye extract with known standard dye substances or relevant literature reports， including safflower， Amur cork， indigo， sappan wood， buds of pagoda tree and young fustic. Safflower and Amur cork were used to dye red， buds of pagoda tree and young fustic were applied to dye yellow， all shades of blues were dyed with indigo， sappan wood and indigo produced light purple， buds of pagoda tree and young fustic with indigo produced two greens respectively. The results of dye analysis provide true and credible information about dye species for recovery of court colors in the Qing dynasty， and also help archaeological conservators take a scientific and reasonable program to preserve and exhibit historical textiles.

Key words： HPLC-MS; dragon robe; natural dyes; dye analysis; data-dependent technology

在英國科學家Willian H Perkin于1856年發明合成染料苯胺紫之前，幾乎所有的染料均提取于自然界的植物或動物，可稱之為天然染料。天然染料的種類繁多，按照化學結構分類可分為蒽醌類、黃酮類、生物堿類、吲哚類、單寧類等化合物。對古代紡織品上的染料進行分析和鑒別，能夠知道染料的品種及其動植物來源，進而獲知染料的產地，甚至紡織品文物制作的年代[1]。這些信息幫助歷史學家考證古代染織科技史文獻的正誤，有助于文物保護工作者合理科學地保存、修復和展示珍貴的紡織品文物，也能夠為復原傳統工藝、生產生態環保的現代紡織品提供古代染料品種信息。

為了準確地鑒別古代染料，需要有可靠靈敏的檢測方法。目前，用于紡織品文物染料分析的方法有多種，主要有高效液相色譜技術（HPLC）、三維熒光光譜技術（3D-EEM）、表面增強拉曼光譜技術（SERS）、直接實時質譜分析技術（DART-MS）、高效液相色譜-質譜聯用技術（HPLC-MS）。20世紀80年代，Wouters[2]采用HPLC對蒽醌類染料進行分離和鑒別，借助C18色譜柱優異的分離能力和紫外-可見光檢測器的靈敏度使這種方法廣泛地應用于古代文物的檢測。中國的文物科技工作者也曾嘗試用該方法鑒別馬王堆出土絲織品上的染料[3]。日本正倉院的Nakamura等[4]采用3D-EEM技術對1500年前的傳世皇室織物進行分析，發現有靛青、黃檗、日本茜草等染料，但這種無損分析手段對沒有熒光特征的染料無能為力，且無法分離天然染料中的各種色素。SERS技術具有超靈敏的優點[5]，可是也無法鑒別染料中不同色素成分。DART-MS也是一種無損分析方法[6]，同樣存在分離能力弱這個缺點。19世紀中期以前，紡織品上的染料均為天然染料，通常包含多種色素成分，相比較其他的分析手段，HPLC-MS技術不僅能夠高效地分離各個組分，而且二極管檢測器和質譜檢測器可提供每種組分的紫外-可見吸收光譜圖和多級質譜圖，解析相應色素的分子結構[7]，從而探索古代染料的品種，結合歷史文獻和動植物志可了解染料的產地，甚至染色的年代。

本文采用HPLC-MS技術，對中國絲綢博物館收藏的明黃色團龍紋實地紗盤金繡龍袍進行染料分析，并利用數據關聯技術（DDA），僅需要一次進樣即可采集染料各色素成分的三級質譜圖，節約文物樣品的消耗量。

1?材料和方法

1.1?化學試劑

HPLC級乙腈和甲醇（德國默克公司），LC-MS級甲酸（美國賽默飛世爾科技公司），HPLC級吡啶（上海安譜實驗科技股份有限公司），98%草酸（美國阿克洛斯有機試劑公司）。18.2MΩ超純水由Millipore reference純水儀（法國密理博公司）系統制備，蘆丁（>98%）、槲皮素（≥98.5%）、莰菲醇（≥98%）、楊梅素（≥98%）、靛藍（97%）、鹽酸小檗堿（>95%）、鹽酸巴馬汀（≥97%）、靛玉紅（≥98%）（上海阿拉丁生化科技股份有限公司），槐米、紅花、五倍子、青黛、蘇木、梔子、黃檗（杭州張同泰中藥店），黃櫨（采自北京大學未名湖畔），橡碗子（采自杭州玉皇山）。

1.2?樣品制備

取清代絲織品紗線0.1～0.5mg，采用吡啶/水/草酸（95/95/10）萃取紗線上的染料，85℃恒溫萃取30min。然后用氮氣干燥，萃取物用甲醇/水（1/1）溶解，離心后移取上清液30μL至微量進樣瓶，進樣20μL。

1.3?儀?器

本實驗采用高效液相色譜-質譜聯用技術（HPLC-MS）分析清代絲織品上的染料。其中液相色譜系統由二元高壓梯度泵、二極管陣列檢測器和自動進樣器組成LC20AD（日本島津公司），質譜檢測器為線性離子阱質譜儀LTQ-XL（美國賽默飛世爾科技公司），采用C18反相色譜柱Luna C18（美國菲羅門公司）進行染料色素分離。

高效液相色譜洗脫液A為0.1%甲酸水溶液，B為0.1%甲酸乙腈溶液，流速為0.25mL/min。質譜數據采集和處理由Xcalibur2.1軟件完成，質量數范圍m/z100～1000。質譜參數如下：離子噴霧電壓分別為3kV（正離子模式）和2.5kV（負離子模式）;毛細管溫度350℃;氮氣用作鞘氣和輔氣壓力分別為35psi和15psi;毛細管電壓分別為35V（正離子模式）和-40V（負離子模式）。多級譜圖MSn采集利用DDA程序進行碰撞誘導解離，相關參數見文獻[8]。

2?結果與分析

本文分析的清代絲織品為明黃色團龍紋實地紗盤金繡龍袍（No.1858，中國絲綢博物館收藏），根據該件龍袍的形制和紋樣（圖1）推測為乾隆時期制作（18世紀）的皇子服飾，簡稱小龍袍。

2.1?紅色紗線

小龍袍上有多種紅色紗線，包括大紅色、紅色、桔紅色、水紅色等。從龍袍背面取得紅色紗線（圖1A）用作HPLC-MS檢測。圖2A是520nm檢測波長下染料萃取液的高效液相色譜圖，發現存在兩個明顯的色譜峰1和峰2。色譜峰2的最大吸收波長為312、370nm和518nm，負離子模式下獲得準分子離子峰[M—H]-m/z 909，推測該色素為紅花紅色素（carthamin）[9]。通過數據關聯技術，單次進樣還能獲得色譜峰2的二級質譜的碎片離子有m/z 891、701、501、287、449。因此，該紅色紗線由紅花（Carthamus tinctorius）染色。在圖2A上色譜峰1的準分子離子為[M—H]-m/z 698，未曾見于相關的文獻報道，可能是紅花紅色素經過近300年的老化而形成的老化產物。此外，在350nm檢測波長下看到色譜峰3和峰4（圖2B），它們的最大吸收波長見表1。正離子模式下，兩個化合物的準分子離子峰[M+H]+分別為m/z 352和336，通過比對染料標準品可以確認這兩個色素為巴馬汀（palmatine）和小檗堿（berberine），為黃檗的主要色素成分。

紅花原產于埃及，據傳為漢代張騫出使西域引進中國[10]。紅花中紅色素的含量僅占0.5%，但染得絲綢的顏色非常艷麗，稱之為“真紅”。古代染匠為了從紅花中提取紅色素摸索出一套方法，首先用清水去除黃色素，然后用堿性溶液（純堿）提取紅色素，最后染色時加入酸性溶液（烏梅汁或米醋）使紅花紅色素吸附在絲纖維上[11]。由于紅色素在紅花中含量較少，方以智《物理小識》中記載了“帛藉黃檗而染紅”，也就是說在明末清初染匠為了節約紅花的使用量，采用黃檗先染打底再套染紅花。龍袍紅色紗線的染料檢測結果正印證了文獻的記載。

2.2?黃色紗線

該件龍袍的黃色紗線有兩種，分別取自袖口的金黃色紗線（圖1G）和江崖海水紋背面的明黃色紗線（圖1D）。金黃色紗線上染料的高效液相色譜（圖3），可以看到存在6個明顯的色譜峰，各個色譜峰對應化合物的表征和鑒別見表2。色譜峰1的最大吸收峰位于255nm和351nm，說明該色素可能屬于黃酮類化合物。在負離子模式下，化合物1的準分子離子[M—H]-為m/z 609，二級質譜的主要碎片離子為m/z 301，說明脫去308Da（可能是蕓香糖，由一分子葡萄糖和一分子鼠李糖組成）。采用數據關聯技術，還可以獲得二級質譜中m/z 301的三級質譜數據，其中基峰為m/z 179，可指認為黃酮醇裂解后的1，2A-離子，另外還有碎片離子m/z 151、273和257，說明化合物1的苷元為槲皮素。結合該化合物的最大吸收波長和保留時間，確認為蘆丁（rutin）。化合物5在譜圖中顯示最強的色譜峰，最大吸收波長位于255nm和393nm，可歸屬于橙酮類色素帶Ⅱ和帶Ⅰ的特征吸收。該化合物的準分子離子峰[M—H]-為m/z 269，二級質譜的主要碎片離子包括m/z 225、227、241、133和135，根據Qu等[12]報道，指認為[M—H—CO2]-、[M—H—C2H2O]-、[M—H—CO]-、1，2A-和1，2B-，可推測該化合物為硫磺菊素（sulfuretin）。化合物3的最大吸收峰為354nm，屬于黃酮醇化合物。其準分子離子峰[M—H]-為m/z 285，二級質譜獲得的基峰為m/z 163，可指認為1，2A-離子。此外，還可以發現的碎片離子有m/z 135、241和257，分別歸屬為1，3A-、[M—H—CO2]-和[M—H—CO]-，與槲皮素的裂解規律非常相似，所以化合物3被鑒別為漆黃素（fisetin）[13]。在保留時間15.22min的色譜峰對應化合物6，其最大吸收波長為374nm，一級質譜顯示準分子離子[M—H]-為m/z 271，推測可能是查耳酮類化合物紫鉚因（butein）[13]。

根據對金黃色紗線中染料的檢測結果，發現存在的主要色素有蘆丁、硫磺菊素和漆黃素。其中，蘆丁是槐米（Sophora japonica）的主要色素成分，而硫磺菊素和漆黃素存在于黃櫨（Cotinus coggygria）。這兩種黃色染料常見于明清時期的歷史文獻，更加確切地是在乾隆時期內務府染作銷算檔案中[14]記載金黃色由槐米和黃櫨按照比例套染而成。明黃色是小龍袍的主體顏色，HPLC-MS檢測的結果顯示主要色素為蘆丁，說明采用槐米染色。

2.3?藍色紗線

小龍袍的江崖海水紋上有深淺各異的藍色，采用HPLC-MS對各種藍色進行染料鑒別。圖4是寶藍色紗線（圖1E）上染料的高效液相色譜，化合物1和化合物2在正離子模式下一級質譜圖均顯示準分子離子峰[M+H]+為m/z 263，且二級質譜中的碎片離子也相同，說明這兩個色素應該是同分異構體。不過，兩個化合物的最大吸收波長不同，前者為283、325nm和606nm，后者為290、361nm和538nm。通過與標準品比對，可以確認化合物1和2分別為靛藍和靛玉紅，提取自含靛植物發酵后的染料成品靛青。在合成染料發明之前，幾乎所有的藍色染料均來自含靛植物，目前所知，該類植物在世界各地均有分布，且品種繁多。在中國，常見的含靛植物有四種，即馬藍、蓼藍、木藍和菘藍[15]。由于含靛植物制作成靛青后所含有的色素主要為靛藍和靛玉紅，因此，目前尚無文獻報道區分各種含靛植物的方法。在圖4中還發現化合物3，其特征吸收峰為292、359、536nm，與靛玉紅的紫外可見吸收光譜相似，說明化合物3可能是靛玉紅的衍生物，今后對于這個未知化合物的結構解析也許有助于確認含靛植物的種類。

2.4?紫色紗線

中國古代的紫色染料種類較少，可能在戰國時期出現過骨螺染紫，但沒有實物出土印證，唐代使用紫草染色，但工藝復雜且耗時費力。此后，紫色往往采用靛青染料和紅色染料套染來獲得。本文中小龍袍上也有紫色（圖1B），在圖5中可以看到化合物2和3的保留時間分別為18.66min和19.06min，根據比對上文中論述的藍色紗線中的染料的特征吸收光譜圖和質譜圖，可以確認紫色紗線中存在靛青。在350nm檢測波長下，化合物1的信號最強，特征吸收峰為258、307nm和336nm。在負離子模式下一級質譜圖獲得的準離子分子峰[M—H]-為m/z 243，二級質譜顯示碎片離子有m/z 215、199、171、187、226。結合對古代紅色染料的研究報道[16]，本文認為化合物1就是蘇木染色織物老化后的降解產物type C。蘇木含有的色素為巴西木素（brazilin）和氧化巴西木素（brazilein），經過長期的光老化會形成type C。此外，在保留時間9.00～12.50min還出現一系列未知的色譜峰，可能也是蘇木色素老化后的產物。根據HPLC-MS檢測結果，該紫色紗線為蘇木和靛青套染獲得，《天工開物》中記錄有“天青色，入靛缸淺染，蘇木水蓋”，所以小龍袍中的紫色很可能就是天青色。此外，在金黃色紗線中也發現有type C（表2），推測是同一染缸中可能使用不同染料染色導致的結果。

2.5?綠色紗線

在古代染料中沒有可以直接用來染綠色的植物，一般采用黃色染料和靛青套染的方法獲得各種深淺的綠色。在小龍袍江崖海水紋上有兩種綠色，HPLC-MS的檢測結果顯示圖1C的綠色由槐米和靛青套染，圖1F的綠色由黃檗和靛青套染。《天工開物》記載“大紅官綠色，槐花煎水染，藍靛蓋，淺深皆用明礬”，而“豆綠色，黃檗水染，靛水蓋”，證實小龍袍上的綠色至少存在官綠和豆綠兩種綠色。

3?結?論

采用HPLC-MS技術，結合DDA譜圖采集程序，對明黃色團龍紋實地紗盤金繡龍袍上的7種顏色紗線進行染料鑒別。紅色紗線為黃檗打底后紅花染色，金黃色紗線為黃櫨和槐米套染，明黃色紗線為槐米染色，各種藍色紗線均有靛青染色，天青色紗線由靛青和蘇木套染，官綠色和豆綠色分別為槐米和黃檗同靛青套染。染料的檢測結果與明清時期的歷史文獻一一印證，為清代宮廷服飾的色彩復原提供了真實可靠的依據，同時，也有助于文物保護者對這類珍貴文物采取安全保存和展示的方案。但是，本文的檢測結果仍然無法解析藍色紗線和天青色紗線中未知染料色素或降解產物的分子結構，有待于今后綜合其他技術手段去解決這些問題。

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