離子色譜法快速測(cè)定秦陵土遺址中無(wú)機(jī)陰、陽(yáng)離子含量

杜維莎 景博文 付 菲 李 華 夏 寅 周 萍

(1.秦始皇帝陵博物院,西安 710600;2.陶質(zhì)彩繪文物保護(hù)國(guó)家文物局重點(diǎn)科研基地,西安 710600)

秦始皇帝陵是中國(guó)歷代帝王陵中規(guī)模最大、保存較好、埋藏最為豐富的一座大型陵園,是世界最大的考古學(xué)儲(chǔ)備之一,于1987年被列入《世界文化遺產(chǎn)名錄》[1]。經(jīng)過多年的考古鉆探與發(fā)掘,共計(jì)發(fā)現(xiàn)了300多座陪葬坑、陪葬墓,均以土為主要基材,是我國(guó)土遺址類文化遺產(chǎn)的重要組成部分。為了更好地保護(hù)、研究和展示這些遺址及文物,秦始皇帝陵博物院在多個(gè)遺址原址之上建造了場(chǎng)館,例如秦始皇兵馬俑坑、K9901、K0006等,但也有部分遺址露天保存,如南門闕遺址、陵?yáng)|門遺址等。無(wú)論是保存于室內(nèi)或是暴露于室外的遺址,鹽害都是其最為典型且普遍存在的一類病害,常見有酥堿、皰疹、空鼓、脫落、起甲等[2]。因此對(duì)遺址內(nèi)部可溶鹽種類與分布的調(diào)查,是研究其鹽害發(fā)展機(jī)理、鹽分活動(dòng)規(guī)律最為基礎(chǔ)的工作,也是國(guó)內(nèi)外學(xué)者積極探討的問題[3-4]。

常見測(cè)試土體鹽含量的方法有溶液滴定法、烘干定量法、溶液導(dǎo)電率法、離子色譜法等[5],其中離子色譜法因其選擇性好、靈敏度高、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用[6]。該技術(shù)是一種可同時(shí)分析陰、陽(yáng)離子和小分子極性有機(jī)化合物的一種液相色譜方法,自20世紀(jì)70年代引入中國(guó)以來(lái)便在環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品、農(nóng)學(xué)、醫(yī)學(xué)等[7-10]多個(gè)領(lǐng)域得到了極大發(fā)展,并逐漸被應(yīng)用于文物預(yù)防性保護(hù)、出水文物保護(hù)及不可移動(dòng)文物保護(hù)修復(fù)等多個(gè)方面[11-16]。如趙春燕[17]用電導(dǎo)檢測(cè)離子色譜法對(duì)東下馮遺址土壤中的 Cl-、NO3-、SO42-含量進(jìn)行檢測(cè);錢玲等[18]利用離子色譜法對(duì)三門峽虢季墓遺址鹽害的種類及濃度進(jìn)行檢測(cè)分析,結(jié)果顯示樣品中陽(yáng)離子主要為 Na+、K+、Mg2+、Ca2+,陰離子主要為 Cl-、NO3-和 SO42-,其中 SO42-的含量較高,最高可達(dá)到8.88 mg/g。邱立平等[19]通過實(shí)驗(yàn)對(duì)土水比、超聲時(shí)間、分析柱溫度進(jìn)行了篩選,建立了離子色譜法測(cè)定墓葬土壤5種陰離子的方法。本工作采用離子色譜法對(duì)秦陵土遺址鹽分組成、含量進(jìn)行研究,比較了不同前處理?xiàng)l件對(duì)于測(cè)定結(jié)果的影響,提出了測(cè)定秦陵土遺址無(wú)機(jī)陰、陽(yáng)離子含量的方法,并對(duì)幾處典型遺址土壤離子環(huán)境進(jìn)行測(cè)試,該法可用于土遺址中常見無(wú)機(jī)陰、陽(yáng)離子的快速測(cè)定。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Dionex ICS-6000離子色譜儀(賽默飛世爾科技公司,配有陰陽(yáng)離子淋洗液發(fā)生器、電導(dǎo)檢測(cè)器和Chromeleon7色譜工作站,陰、陽(yáng)離子電解再生抑制器),超純水系統(tǒng)(四川優(yōu)普超純科技有限公司),超聲波清洗儀(昆山市超聲儀器有限公司),離心機(jī)(湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開發(fā)有限公司),0.22 μm微孔濾膜(天津市津騰實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)。

實(shí)驗(yàn)中所用陰、陽(yáng)離子標(biāo)準(zhǔn)溶液均自國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究所購(gòu)得。實(shí)驗(yàn)用水為自制超純水,電阻率為18.2 MΩ.cm。

1.2 色譜條件

陰離子分析色譜條件:AS11-HC型陰離子分析柱、AG11-HC型陰離子保護(hù)柱,陰離子電解再生抑制器,淋洗液為30 mmol/L氫氧化鉀溶液等度淋洗,流量為1 mL/min,分析柱溫為30 ℃,進(jìn)樣體積為25 μL。

陽(yáng)離子分析色譜條件:CS12A型陽(yáng)離子分析柱、CG12A型陽(yáng)離子保護(hù)柱,陽(yáng)離子電解再生抑制器,淋洗液為20 mmol/L甲基磺酸(MSA)等度淋洗,流量為1 mL/min,分析柱溫為30 ℃,進(jìn)樣體積為25 μL。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

稱取過2 mm篩的風(fēng)干土遺址樣品0.2 g(精確至0.000 1 g)置于10 mL離心管中,加入10 mL超純水,超聲提取5 min,于5 000 r/min轉(zhuǎn)速下離心5 min,取上清液經(jīng)0.22 μm水相濾膜過濾后在最佳儀器工作條件下進(jìn)行測(cè)定。進(jìn)樣前應(yīng)首先對(duì)樣品電導(dǎo)率進(jìn)行評(píng)估,如若樣品電導(dǎo)率較高應(yīng)首先進(jìn)行稀釋,稀釋倍數(shù)按照實(shí)際情況進(jìn)行。根據(jù)保留時(shí)間對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)溶液譜圖及標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性回歸方程對(duì)溶液中的陰、陽(yáng)離子進(jìn)行定性及定量分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 色譜行為

按照色譜條件分別對(duì)陰、 陽(yáng)離子的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行測(cè)定,色譜圖如圖1所示。

圖1 混合標(biāo)準(zhǔn)溶液的色譜圖

2.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線和檢出限

分別移取F-、Cl-、SO42-、 NO3-、PO43-和Na+、NH4+、K+、Mg2+、Ca2+標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液適量配制成不同濃度梯度的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液,濃度梯度如表1所示。按色譜條件對(duì)其進(jìn)行測(cè)定,并繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,用3倍的標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算方法檢出限。線性回歸方程、相關(guān)系數(shù)及檢出限見表2。

表1 陰、陽(yáng)離子標(biāo)準(zhǔn)系列濃度

表2 線性回歸方程、相關(guān)系數(shù)及檢出限

2.3 樣品預(yù)處理參數(shù)選擇

樣品預(yù)處理?xiàng)l件的不同,會(huì)對(duì)可溶鹽離子的結(jié)果造成一定影響。文獻(xiàn)表明[20-25],對(duì)于土壤浸提液的主要影響因素有水土比、浸提條件、浸提時(shí)間、浸提次數(shù)等,浸提方式有超聲、震蕩等,浸提次數(shù)有1～3次不等。因此,對(duì)于土壤浸提液獲取的最佳實(shí)驗(yàn)條件尚未有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)當(dāng)與土體本身性質(zhì)亦或是研究目的有一定關(guān)聯(lián),故在用離子色譜儀器測(cè)試秦陵土遺址鹽含量之前需做相關(guān)試驗(yàn)對(duì)前處理?xiàng)l件進(jìn)行篩選。為探究不同影響因素對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響程度,本研究分別設(shè)計(jì)多因素正交實(shí)驗(yàn)以及單因素實(shí)驗(yàn)來(lái)優(yōu)化浸提條件。

2.3.1 正交實(shí)驗(yàn)篩選

超聲浸提是實(shí)驗(yàn)室常用的一種較為便捷、高效、環(huán)保的提取方法,即利用超聲波所產(chǎn)生的空化等特殊作用,將目標(biāo)物中所含的化學(xué)成分快速高效地提取出來(lái)。前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,超聲提取比單純浸泡效率更高更穩(wěn)定,只要控制好時(shí)間與溫度即可得到較為滿意的結(jié)果,因此為了在短時(shí)間內(nèi)獲取較為完全的可溶鹽信息,本研究選擇超聲浸提的方式。

研究以10種離子提取量(mg/g)為考察指標(biāo),對(duì)土水比、浸提時(shí)間、浸提次數(shù)等三個(gè)因素不同水平的提取條件進(jìn)行考察,采用L9(34)正交表安排實(shí)驗(yàn)。因素水平見表3,對(duì)結(jié)果進(jìn)行極差分析和方差分析,結(jié)果見表4。

表3 正交實(shí)驗(yàn)因素水平

表4 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

從極差分析結(jié)果來(lái)看,影響土壤浸出液含鹽量測(cè)試結(jié)果的主次順序?yàn)锳>C>B,即土水比>浸提次數(shù)>浸提時(shí)間。本次實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)方案為A3B1C3,即土水比為1∶50、時(shí)間5 min、次數(shù)為3次時(shí)為最佳條件。方差分析顯示浸提時(shí)間對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響不顯著,且過長(zhǎng)時(shí)間的超聲會(huì)引起溫度的變化產(chǎn)生新的變量,因此為較穩(wěn)定地獲得易溶鹽結(jié)果,又保證前處理?xiàng)l件的一致性,選擇5 min作為浸提時(shí)間即可。

2.3.2 最優(yōu)條件的單因素實(shí)驗(yàn)

由于正交實(shí)驗(yàn)每個(gè)因素只選擇了3個(gè)水平,且土水比與浸提次數(shù)對(duì)于測(cè)試結(jié)果的影響最為顯著,因此本研究進(jìn)一步對(duì)土水比、浸提次數(shù)進(jìn)行控制變量的單因素實(shí)驗(yàn),以對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

在超聲5 min,浸提一次的條件下,考察了1∶5、 1∶30、1∶50、1∶100、1∶200(g/mL)等5種土水比對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響,各離子含量變化如圖2所示。由圖2可知,土水比大于1∶50時(shí),除Ca2+以外的其余離子基本處于平穩(wěn)的狀態(tài),Ca2+含量雖隨著土水比的減小而呈現(xiàn)一定上升趨勢(shì),但各離子分布及含量經(jīng)非參數(shù)檢驗(yàn)并未有顯著區(qū)別;而當(dāng)土水比小于1∶50時(shí),Ca2+含量會(huì)呈現(xiàn)顯著上升,其次為SO42-、Na+,這應(yīng)當(dāng)與微溶鹽難溶鹽的溶出、抑或是礦物成分的分解相關(guān),對(duì)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)與先前分布具有顯著差別,為不引起更大的變量,研究篩選的最優(yōu)水土比在1∶50即可。在超聲5 min、土水比1∶50(g/mL)的條件下對(duì)不同次數(shù)下各離子的提取效率進(jìn)行考察(圖3)。對(duì)不同次數(shù)下各離子的提取效率進(jìn)行考察可知,除Ca2+外,其余離子1次浸提結(jié)果可達(dá)70%以上,因此離子含量調(diào)查時(shí)可選擇浸提一次的結(jié)果進(jìn)行比對(duì),以提高實(shí)驗(yàn)效率;若研究需對(duì)某一種離子,諸如Ca2+、SO42-進(jìn)行全含量評(píng)估時(shí),需對(duì)浸提條件進(jìn)行重新篩選。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果及本研究的研究目的,篩選出的適用于秦陵土遺址可溶鹽調(diào)查的最佳測(cè)試條件為土水比1∶50,浸提時(shí)間5 min,浸提次數(shù)為1次。

圖2 各離子測(cè)定結(jié)果隨土水比變化圖

圖3 不同浸提次數(shù)下各離子含量占比(除Ca2+)

2.4 測(cè)試條件

根據(jù)Chromelemon 7.0軟件中對(duì)于幾種離子的模擬測(cè)試,篩選出最佳的測(cè)試條件如表5所示。

表5 最佳測(cè)試條件

2.5 方法精密度

對(duì)標(biāo)液按色譜條件分別進(jìn)行陰、陽(yáng)離子含量測(cè)定,共測(cè)定7次對(duì)儀器精密度進(jìn)行考察,結(jié)果與相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差見表6。由表6可知,10種離子測(cè)定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差值均較小,表明儀器具有極好的精密度,測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定。

表6 儀器精密度

2.6 樣品分析結(jié)果

采集秦俑一號(hào)坑、二號(hào)坑、K9801陪葬坑、秦始皇陵?yáng)|門遺址的土樣,按實(shí)驗(yàn)方法對(duì)其進(jìn)行分析,同時(shí)進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn),其結(jié)果見表7。各離子加標(biāo)時(shí)以不改變基質(zhì)且加標(biāo)量為本底值的0.5～2倍為原則,結(jié)果為陰離子的回收率在95.0%～101%,陽(yáng)離子回收率在91.0%～99.0%,方法可滿足秦陵土遺址幾種常見陰、陽(yáng)離子的快速測(cè)定。

表7 各遺址區(qū)陰、陽(yáng)離子含量

3 結(jié)論

1)采用離子色譜法同時(shí)測(cè)定土遺址本體中的常見10種陰、陽(yáng)離子的含量,通過對(duì)前處理?xiàng)l件的篩選、儀器精密度的判斷以及加標(biāo)回收率可知該方法具有操作簡(jiǎn)單、測(cè)定結(jié)果可靠等優(yōu)點(diǎn)。

2)前處理?xiàng)l件的不同對(duì)于測(cè)試結(jié)果有一定影響,因此需選擇相同的前處理?xiàng)l件,測(cè)試結(jié)果才具備可比較性。本研究旨在對(duì)不同遺址區(qū)幾種常見陰陽(yáng)離子的含量進(jìn)行調(diào)查,以厘清其潛在的風(fēng)險(xiǎn)因素,因此需要選擇較為穩(wěn)定、因素可控、干擾較少、切實(shí)可行的前處理?xiàng)l件。研究在正交實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了單因素的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)選取土水比1∶50,超聲時(shí)間5 min,一次浸提即可反映出遺址區(qū)的含鹽程度及優(yōu)勢(shì)離子。其中土水比對(duì)于浸提結(jié)果有顯著影響,且主要對(duì)于Ca2+、SO42-影響較大,應(yīng)當(dāng)與微溶鹽或難溶鹽的析出或礦物分解有一定關(guān)聯(lián)。對(duì)于土壤這種復(fù)雜基質(zhì)樣品,對(duì)其前處理?xiàng)l件應(yīng)首先根據(jù)研究對(duì)象而進(jìn)行篩選,針對(duì)不同樣品需根據(jù)研究目的首先進(jìn)行前處理?xiàng)l件的篩選。

3)根據(jù)對(duì)秦陵不同遺址區(qū)域土壤可溶鹽離子的調(diào)查,可以發(fā)現(xiàn)各離子含量在不同區(qū)域有一定差異。陽(yáng)離子中Ca2+、Na+含量較多,陰離子中主要為SO42-、NO3-和Cl-。然而,建立的方法測(cè)試條件下無(wú)法對(duì)碳酸根、硅酸根及重金屬進(jìn)行測(cè)定,因此在土遺址可溶鹽調(diào)查時(shí)還需將pH值與電導(dǎo)率一并進(jìn)行測(cè)試,才能全面反應(yīng)土遺址潛在風(fēng)險(xiǎn)。

4)以往研究表明,土遺址鹽含量分布與環(huán)境變化息息相關(guān),因此通過離子色譜技術(shù)對(duì)土遺址可溶鹽離子的定期調(diào)查可為預(yù)防性保護(hù)閾值的設(shè)定提供思路。雖然此法樣品用量很小,但是大規(guī)模、定期取樣依舊會(huì)有影響遺址外觀形貌的風(fēng)險(xiǎn),因此還應(yīng)當(dāng)探索間接、無(wú)損的取樣方法,以擴(kuò)大此項(xiàng)技術(shù)在文物領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。