故宮院藏緙絲掛屏中染料的快速篩查分析

張 云，谷 岸，陳 楊，雷 勇

(故宮博物院文保科技部，北京 100009)

0 引 言

緙絲是采用本色生絲經線與彩色熟絲緯線，以緯緙經的方式織造而成。整個織物制作精良，立體感突出，且正反面圖案完全一致，有“織中之圣”的美譽，是中國傳統絲綢藝術品中的精華[1-2]。宋元以來，緙絲一直是皇家御用織物之一，以彰顯皇室的尊貴。故宮博物院現存大量緙絲傳世珍品，其中裝裱類的緙絲文物，如掛屏、貼落，卷軸等大多被置于宮殿中原狀陳列保留至今。由于年代久遠，受溫度、濕度、光照等環境的影響，織物會出現污損、褪色、老化的情況。位于故宮毓慶宮惇本殿原狀陳設的緙絲“福，壽，綿，長”四字掛屏，由于病害較為嚴重，不久前進行了搶救性保護修復[3]。絲的老化褪色對于緙絲作品的觀賞性影響非常大。目前故宮存有緙絲藏品8 000余件，因此對緙絲文物進行染料研究，不僅為文物的修復提供科學的依據，而且能夠為展陳和保存環境提供指導。

紡織品文物的染料研究在20世紀70年代逐漸開展起來，對于染料的鑒別，最早使用的分析方法是薄層色譜法[4-5]。但是由于薄層色譜法的分析靈敏度低，重現性差，隨著技術的不斷進步和分析要求的不斷提高，高效液相色譜法以其高的分離效率迅速替代了傳統的薄層色譜法，與二極管陣列檢測器的聯用被廣泛地用于各種天然染料的分析[6-8]。然而，二極管陣列檢測器只能檢測到有共軛結構的化合物，而且必須通過進樣單一標準品以驗證未知色譜峰，這使得其對于染料成分鑒別的應用受到一定的限制。20世紀末，質譜軟電離技術的出現開創了化合物成分鑒定的新局面，它幾乎不會使分子產生碎片，能夠通過準分子離子峰([M+H]+或[M-H]-)指明化合物相對分子質量，無需單一標準品進樣對照。近年來，高分辨質譜技術以高靈敏度和高分辨率的優點被廣泛應用于未知有機物的分析，其中也包括古代紡織品上的天然植物染料的分析[9]。天然染料成分復雜，又因年代久遠織物老化脆損，染料降解褪色，文物樣品取樣限制等，為其研究帶來更大的挑戰。因此，高效、準確的分析方法至關重要。

超高效液相色譜-高分辨質譜聯用技術結合色譜的高分離效率和質譜的高分辨率，能夠在分離成分復雜的紡織品染料提取物的同時，還能夠通過每個色譜峰精確質量數，推斷可能的元素組成。結合已有的天然產物庫進行未知物篩查能夠進一步縮短樣品分析的時間。因此，本研究利用超高效液相色譜-四極桿飛行時間質譜(UPLC-QTOF-MS)對毓慶宮惇本殿“長”字緙絲掛屏不同顏色區域的染色成分進行了研究。

1 實驗條件和方法

1．1 儀器與試劑

UPLC-QTOF-MS(型號i-Class，Xevo G2-S，美國Waters公司)；色譜柱：ACQUITY BEH C18 (1.7 μm，2.1 mm×100 mm)；甲醇(MeOH)、乙腈(ACN)(色譜級，美國Fisher公司)，二甲基亞砜(DMSO)、濃鹽酸(HCl)(分析純，北京化工廠)，甲酸(FA)(色譜純，美國Tedia公司)。

1．2 樣品采集與前處理條件

1．2．1樣品信息與樣品采集 長字緙絲掛屏外沿長1.6 m，寬1.1 m，底襯為藍青色，地紋緙有祥云、蝙蝠、壽字紋，主字黃色的“長”字中飾有紅色“綿”字。本研究用到的染色緙絲線樣品全是從文物上自然脫落的，包括紅色“綿”字和黃色“長”字的緙絲緯線、藍色的托背布和青色背紙，如圖1所示。

圖1 文物全貌(左)及取樣位置細節(右)照片

1．2．2樣品前處理條件 本研究對荷蘭文化遺產研究院Serrano等[10]研發的染料兩步提取法進行了優化并用于“長”字緙絲掛屏的染料提取。具體步驟是：取2 mm絲樣品緯線置于1．5 mL液相小瓶中加入200 μL DMSO，在70 ℃下超聲提取10 min，取上清液備用；剩余殘渣加入100 μL MeOH/H2O/HCl(體積比1∶1∶2)混合溶劑，在70 ℃下超聲提取10 min，取上清液，氮氣下吹干后取第一步提取的上清液復溶，待上機檢測。

1．2．3質譜條件 毛細管電壓3 kV；離子源溫度120 ℃；脫溶劑氣溫度450 ℃；脫溶劑氣流速800 L/h；錐孔氣流速50 L/h；電離模式ESI+和ESI-；檢測模式MSE；LockSpray：m/z556.277 6(+)和m/z556.262 0(-)，每30 s切換一次進行質量數的校正；定性標準：質量數偏差<5×10-6。

1．2．4液相條件 色譜柱：BEH C18(1.7 μm，2.1 mm×100 mm，3.0 mm I．D)；流動相：0.1%甲酸水溶液-A，乙腈-B。梯度洗脫程序：95%A保持0.5 min后在7.5 min內線性變化至5%A，保持2.5 min后，在0.1 min內迅速變化至95%A，保持1.4 min至程序結束；流動相流速0.25 mL/min；柱溫30 ℃；進樣量1 μL。

數據處理Waters UNIFI 1.9，篩查庫Waters UNIFI天然產物庫。

2 結果與討論

實驗使用的質譜采集模式為MSE模式，由“低能量”模式和“高能量”模式組成，低能量模式下碰撞能量為0，高能量模式下的碰撞能量設置為20～40 eV，能在一針進樣同時獲得化合物的準分子離子峰和若干碎片離子，非常適用于未知化合物結構的初步分析。天然產物庫中包括植物中已經被鑒定出的化合物的名稱、分子式和對應的化合物結構，UNIFI軟件通過測得色譜峰的精確質量數與庫中化合物的精確質量數進行匹配，并推測合理的碎片匹配到高能量模式的質譜圖中，對應質荷比的提取色譜圖峰形完整，且有一個以上合理碎片，即篩查出的結果較可靠，可進行下一步的驗證。

天然產物庫中包含的植物種類較多，有6 000個以上的化合物。為了更有針對性的進行篩查，縮短分析時間，在篩查前首先在庫中選擇能用于染本研究的文物樣品中包含的4種顏色：紅、黃、藍、青的天然產物。故宮的文物以明清的傳世文物為主，“長”字緙絲掛屏又是長期懸掛于惇本殿，因此要保證篩查的目標染料中包含有明清時期常用的染料。查閱明清織染相關檔案及前人對古代染料的相關研究[11-13]，可以總結出以下當時常用的天然染料，分別是用于染黃色的槐米(主要色素成分：蘆丁、槲皮素、異鼠李素等)、黃櫨(主要色素成分：非瑟酮、硫磺菊素等)、大黃(主要色素成分：大黃素、大黃酸、大黃素甲醚等)、梔子(主要色素成分：梔子苷、臧花酸等)、黃檗(主要色素成分：小檗堿、巴馬汀、藥根堿等)，姜黃(主要色素成分：姜黃素等)，染紅色的紅花(主要色素成分：紅花甙等)、蘇木(主要色素成分：巴西蘇木素、氧化蘇木素等)，染黑的橡碗(主要色素成分：鞣花酸等)、五倍子(主要色素成分：沒食子酸等)以及染藍色的靛藍(主要色素成分：靛藍、靛玉紅等)。值得注意的是天然產物庫的信息基于中國藥典，因此其首先關注的是植物里的藥用成分，在使用篩查庫之前首先要先確定庫中該植物的組分中是否包括其染色成分，如蘇木，在庫中就并沒有其主要染色成分蘇木素、氧化蘇木素等，需人工錄入其信息，再進行篩查。

2．1 黃色“長”字染料和紅色“綿”字染料的鑒定

化合物的結構不同導致其在質譜中容易帶的電荷不同，為了避免遺失重要鑒定組分，本研究同時在質譜ESI+及ESI-電離模式下對緙絲樣品的提取液進行了分析。如圖2所示，在ESI+模式下，紅色緙絲樣品的提取物的組分(黑色譜線)比黃色緙絲樣品的提取物的組分(紅色譜線)在含量和種類上要多。黃色緙絲提取物中只發現了4.51 min一種色素成分，圖3為4.51 min對應的化合物的低能量通道和高能量通道的質譜圖，經篩查其準分子離子峰與小檗堿的精確質量數匹配，質量誤差低于5×10-6，高能量通道的碎片離子能夠與小檗堿結構解析的理論碎片相符，且碎片離子能夠與參考文獻中的結果相對應[14-15]，得證該色譜峰對應的化合物即為小檗堿。而在紅色緙絲樣品提取物中發現了含量遠高于黃色緙絲樣品的小檗堿成分。經篩查含有小檗堿的染色植物有很多，如黃檗、黃藤、黃連等，黃藤的主要成分是巴馬汀，且只含有少量的小檗堿[16-17]，黃連中黃連堿和甲基黃連堿存在[18]，均與本實驗結果不符。通過對明清代宮廷檔案和相關研究文獻的調研，發現當時常用的含有小檗堿的黃色植物染料只有黃檗。因此推斷該緙絲樣品在染色時也是使用的黃檗。

圖2 UPLC-QTOF-MS正離子模式下紅色緙絲

圖3 ESI+模式下4.51 min對應的低能量通道(上)和高能量通道(下)的質譜圖

黃檗又名黃柏，其樹皮的外層是灰色的。通常古人用黃檗染色時，取其第二層樹皮，第二層樹皮是黃色的，將其銼成小塊入水，采取高溫水煮的方式對織物進行染色，無需媒染劑即可以得到略帶有青色感覺的沉穩黃色[19]。因黃檗中有小檗堿等生物堿成分有防蟲的功效，因此也常用于造紙中。

正離子模式下，紅色緙絲樣品并未發現有紅色色素成分，而天然的紅色色素成分大都屬于蒽醌類、酚類、酸類，更容易在負離子模式下電離，因此也在ESI-模式下對提取液進行了分析以全面了解其色素成分。如圖4可知，黃色緙絲樣品在負離子模式下沒有化合物響應，紅色緙絲樣品在負離子模式下發現有1個特征染色成分的色譜峰，經天然產物庫篩查，4.56 min的化合物為紅花甙(圖4和圖5)。紅花甙是紅花的特征成分，因此說明紅色緙絲在染色過程中除了使用黃檗之外還使用了紅花。據考證，紅花和黃檗疊染出的紅色因帶有黃調，與紅鯉魚的色彩相近，因此也被稱作“魚紅色”[20]。

圖4 UPLC-QTOF-MS ESI-模式下紅色緙絲(黑色譜線)和黃色緙絲線(紅色譜線)的染料提取液色譜分離圖

圖5 ESI-模式下4.56 min對應的低能量通道(上)和高能量通道(下)的質譜圖

紅花中含有紅色和黃色的色素，雖然紅花黃色素所占比例要遠高于紅色素，然而由于黃色染料來源已經很豐富，而紅花中的黃色素質量不高且不穩定，因此古人采用“殺花法”，棄紅花中的黃色素，留紅色素并制成紅花餅，以供染色使用。由于紅花染出的紅色要比茜草更加鮮亮動人，因此明清時期染紅多用紅花，而鮮有使用茜草的記錄。據清代織染局檔案記載，染水紅、桃紅、大紅均用紅花采用直接染色法染色，染魚紅和紅要再加黃檗染色[12]。在前人的古代紡織品染料研究中，確也有發現很多是用黃檗與紅花套染得紅色的案例[11]。

因紅花和黃檗都是耐光性較差的天然染料[11]，因此，此文物在修復、展陳和保存的過程中應盡量避光，以減弱染料的降解和褪色。

2．2 藍色托背布和青色背紙中染料的鑒定

該緙絲的藍色托背布和青色背紙中均發現有兩個不同保留時間m/z263.206 7的色譜峰，經天然產物庫篩查得知二者分別是互為同分異構體的靛藍和靛玉紅(圖6)，而僅僅通過質譜并不能判斷二者對應的保留時間，因此，采用靛藍和靛玉紅標準品在同樣的色譜-質譜條件下進樣以做驗證，最終得出6.75 min的化合物為靛藍，7.10 min的化合物為靛玉紅。靛藍和靛玉紅同時存在，表明藍色托背布和青色背紙的顏色源于植物染料靛藍所染。含有靛藍、靛玉紅色素的植物種類很多，如菘蘭、蓼藍、馬藍、木藍等。靛藍是還原染料，是藍草植物中的吲哚酚縮合而成的沉淀，因此追溯具體靛藍染料來源仍需進一步研究。該緙絲文物的4種顏色的樣品，利用天然產物庫篩查出的化合物結果總結于表1，其中靛藍、靛玉紅、小檗堿、紅花甙都已用標準品進行了驗證。

圖6 UPLC-QTOF-MS ESI+模式下藍色托背布(上)

由于毓慶宮在光緒十六年(1890年)和光緒二十三年(1897年)分別進行過修繕，不能確定該緙絲掛屏是否在當時被修復過。而早在1856年第一個合成染料苯胺紫就已經出現，此后隨著不同顏色合成染料不斷被發明，且色彩豐富、染色方便，合成染料逐漸替代了天然染料，因此該樣品中也有可能存在合成染料。為此，查閱了Color Index收錄的1856—1897年間被發明的合成染料，并通過精確質量數進行比對，結果并沒有在該樣品中發現合成染料。

表1 緙絲掛屏的4個顏色樣品中鑒定出的化合物

*該化合物是ESI-模式下的準分子離子；其他化合物是ESI+模式下的準分子離子。

3 結 論

利用UPLC-QTOF-MS結合UNIFI天然產物庫,實現了對故宮毓慶宮惇本殿“長”字緙絲掛屏紅色、黃色、青色、藍色染料的快速篩查鑒定，大大縮短了紡織品文物中染料鑒定所需的時間。天然產物庫包含的化合物種類繁多，但其卻是主要基于藥典而建，某些植物缺少主要染色成分的化合物，而且并沒有相應的標準物質的總離子流圖和碎片離子譜圖，無法實現譜圖匹配的篩查。今后建立天然染料質譜數據庫，完善相關信息，實現精確質量數和譜圖的同時篩查以提高分析準確度，同時補充不能依靠質譜數據進行判斷的同分異構體的化合物的紫外光譜信息，也是未來的研究方向。