新疆尉犁县克亚克库都克烽燧遗址出土的纺织品染料的科学分析

关明，康晓静，魏乐，胡兴军，韩超，李兴，刘瀚文，曲亮，赵镇文

（1.故宫博物院，北京 100009；2.新疆维吾尔自治区文物考古研究所，乌鲁木齐 830011；3.中国农业科学院生物技术研究所，北京 100081；4.中国科学院化学研究所，北京 100190）

引言

克亚克库都克烽燧遗址，位于新疆维吾尔自治区巴音郭楞蒙古自治州尉犁县，属于孔雀河烽燧群，作为“大碛路”沿线现存不多的军事设施遗址，是古代中央政权治理西域地区和维护丝绸之路的重要历史见证[1,2]。考古学家根据地层堆积、出土遗物、碳十四分析和历史文献明确其为唐代安西四镇之一焉耆镇下军镇防御设施。遗址出土了16 件纺织品，质地包含丝、毛、棉、麻，作为该时期丝路沿线纺织品的代表，映射了当时戍边将士的军旅生活，是极其珍贵的史料[3]。

染料，作为纺织品色彩的最重要的物质基础之一，反映了一个时代的艺术、生活、习俗、科学水平等信息，对于染料的科学分析，对于进一步提取纺织品文物的历史信息、探索古代染色工艺、揭示纺织品文物褪色过程等具有重要意义，同时对色彩保护及修复工作提供强有力的支撑[4-6]。古代天然染料具有化学组分多样、原料来源广泛、染色工艺复杂等特点，同时由于考古样品复杂的埋藏环境导致化学组分的降解与氧化，给出土纺织品的染料鉴定带来巨大挑战[7]。同时，由于大多数色彩相近的染料分子具有相似的官能团，难以对同类染料组分进行准确鉴定；此外，为了丰富颜色装饰效果通常将不同颜色的多个染料混合，加大了实际工作中染料科学分析的难度。

基质辅助激光解吸电离傅里叶变换离子回旋共振质谱（matrix assisted laser deposition ionization-Fourier transform ion cyclotron resonance-mass spectrometry，MALDI-FTICR-MS）因其具有超高质量分辨率（质量数可精确到小数点第四位）、准确度高（质量误差小于5 ppm）、操作简便、高通量分析、较高耐盐性等优点，可以实现复杂样品中未知物的快速准确鉴定，因此广泛用于有机分子的检测[8,9]。在以往的研究中，基于MALDI-MS 的方法已被成功用于文物样品中植物胶的鉴别[10]，本文首次利用分辨率更高的MALDI-FTICR-MS 对新疆维吾尔自治区尉犁县克亚克库都克烽燧遗址出土的红色、黄色、蓝色和绿色唐代纺织品染料进行科学分析，并利用传统染料分析手段——超高效液相色谱-质谱（ultra-performance liquid chromatography-mass spectrometry，UPLC-MS）进行验证。研究表明，红色纤维的主要染色成分为茜素、紫茜素，推测染料为茜草；黄色纤维的主要染色成分为小檗碱，推测染料为黄檗；蓝色纤维的主要染色成分为靛蓝，推测染料为靛青；绿色纤维的主要染色成分为小檗碱和靛蓝，推测黄檗和靛青套染而成。

1 样品与实验方法

1.1 试剂和样品

硝酸银（AgNO3），多巴胺盐酸盐，三羟甲基氨基甲烷（Tris），二甲基亚砜（DMSO）购自阿拉丁（中国上海）。HPLC 级甲醇（MeOH）、乙腈（CH3CN）、甲酸（FA）购买于Fisher Scientific（Pittsburgh，PA）。超纯水产自Milli-Q 水净化系统（Millipore Corporation，USA）。以上所有试剂均未进行纯化处理直接使用。

织物残片出土于新疆维吾尔自治区尉犁县克亚克库都克烽燧遗址。样品按颜色分为红色、黄色、绿色和蓝色，如图1 所示。取纤维末端（约2毫米）作为检测样品。

图1 新疆维吾尔自治区尉犁县克亚克库都克烽燧遗址出土的红、黄、绿、蓝色唐代织物残片

1.2 银纳米颗粒（MALDI 基质）的制备与表征

本方法使用银纳米颗粒作为MALDI 基质，通过Han et al 建立的MALDI-MS 方法制备而得[9]，制备过程如下：在搅拌条件下，将浓度为0.01 g/mL 的2 mL AgNO3水溶液逐滴加入至25 mL 新鲜制备的多巴胺溶液（溶剂为10 mM Tris 溶液，pH 调节至7.80，DA 浓度为0.004 g/mL），于40°C 下反应24 h，产物通过离心收集，并用MeOH 冲洗，保存于MeOH:H2O=5:5（v/v）中。

1.3 样品制备

在前期文献报道方法的基础上对唐代染色丝织品进行染料提取[11]，制备过程如下：称重的样品放于100 μL DMSO 中于60 ℃下超声30 min，收集上清液。剩余物用50 μL MeOH：FA=5:5（v/v）于60 ℃下超声10 min，重复三次，直至样品基本无色，收集上清液。将上清液汇总吹干，避光保存于-20 ℃，检测时复溶于MeOH。1 μL 样品萃取液与等体积的MALDI 基质溶液充分混合，点靶，进行MALDI-MS 分析。

1.4 MALDI-FTICR-MS

使用9.4 T 超导磁体并配有337 nm“SmartBeam”激光器的Bruker SolariX 型MALDI-FTICR-MS 质谱仪（SolariX，Bruker，Bremen，Germany）对染料分子进行高质量准确度的质谱分析，正/负离子模式均被用于检测。利用银纳米颗粒产生的银簇离子（[Ag2]+：m/z 215.8093,[Ag3]+：m/z 322.7144 和324.7141),和[Ag3CH3CN]+：m/z 363.7409 和365.7406）实现正离子模式的内标法质量校准，三氟乙酸钠（NaTFA）用于负离子模式的外标法质量校准。质谱参数设置如下：质谱检测范围设为150-800 m/z，分辨率在m/z 400 时为66,000，激光能量为20%。采集到的数据利用DataAnalysis 4.0（Bruker Daltonics），和IsotopeParttern（Bruker Daltonics）进行分析，质量误差设为小于5 ppm。

1.5 UPLC-MS

超高效液相色谱-四级杆飞行时间质谱（H-Class UPLC，G2-XS QTOF MS，Waters）用于方法验证。色谱实验条件与之前工作一致[5,11]，具体如下：色谱柱为ACQUITY BEH C18（1.7 μm，2.1x100 mm），流动相A 为0.1%甲酸水溶液，流动相B 为乙腈，洗脱程序如下：0-0.5 min，95%A；0.5-7.5 min，由95%A 变化至5%A；7.5-10 min，5%A；10.1 min，由5%A变化至95%A；11.5 min，95%A。流动相流速为0.3 mL/min，柱温30 ℃。质谱条件如下：毛细管电压3 kV，离子源温度120 ℃，脱溶剂气温度450 ℃，正负离子模式均用于检测。

2 结果与讨论

唐代是丝绸之路的繁荣鼎盛时期，纺织品作为东西方交流的媒介，促进了文化的交流与融合，这一时期相对应的染色工艺在继承原有工艺的基础上发展到了新的高度，拼色、套染等工艺日趋成熟。本工作以丝路沿线新疆克亚克库都克烽燧遗址出土的纺织品为代表，分析唐代纺织品的染色成分，有助于探究与还原该时期的染色工艺、获取丝路沿线的历史文化信息、并提供纺织品文物修复的数据支撑。

为实现染料分子的准确鉴定，本工作首次使用一种具有超高质量分辨率的质谱（MALDI-FRICR-MS），其质量数可精确到小数点第四位，质量误差小于5 ppm，对纤维的染色成分进行定性分析。根据前期研究，银纳米颗粒具有因其优良的基质效应、尺寸小易与分析物形成均匀分散的共结晶层、背景信号低等优点，因此在本方法中使用银纳米颗粒作为MALDI 基质。另外，银纳米颗粒作为MALDI 基质还有一个优点，其产生的一系列银簇离子峰（如[Ag3]+：m/z 322.71439 和324.71406；[Ag3@ACN]+：m/z 363.74094 和365.74060），可以作为质谱质量校准的内标，为实时获取待测物的精确分子量奠定基础[9]。鉴于基于银纳米颗粒为基质的MALDI-FTICR-MS 的方法在未知物准确鉴定上表现出的优越能力，我们尝试以唐代染色纤维为研究对象，探究其对出土纺织品染料分析的可行性。本研究选取新疆维吾尔自治区尉犁县克亚克库都克烽燧遗址出土的红色、黄色、绿色和蓝色四类染色丝织品，其染料定性分析结果如图2-图5 所示。

2.1 红色纤维样品的染料分析

基于MALDI-FTICR-MS 的红色纤维样品分析结果如图2a 所示，检测到茜素（C14H8O4）和紫茜素（C14H8O5）两种蒽醌类染色组分。其中，m/z 239.0339 为茜素的准分子离子峰[M-H]-，理论值为m/z 239.03388，质量误差为-0.08 ppm，确认样品中含有茜素。根据紫茜素的分子式，推测在m/z 255.02880（理论值）附近出现准分子离子峰[M-H]-，检测到m/z 255.0290 和255.2320 的两个峰，推断分别为紫茜素和棕榈酸（C16H32O2，一种常见的脂肪酸，广泛地存在于植物中）的准分子离子峰[M-H]-，鉴于MALDI-FTICR-MS 的高质量分辨率，可以实现两种组分的准确鉴定，质量误差分别为-0.8 ppm 和0.4 ppm。为进一步验证本方法的分析结果，利用UPLC-MS 进行对比和验证。在正离子模式下，检测到6.09 min（m/z 241.1111，图2b）和6.64 min（m/z 257.1043，图2c）分别为茜素和紫茜素，质量误差分别为255.4 ppm 和232.8 ppm，对比图2a，MALDI-FTICR-MS的检测结果质量准确度高，适用于复杂样品中未知染料组分的准确鉴定。根据检测结果，鉴于茜素和紫茜素是茜草的主要显色成分[12]，推测红色纤维是由茜草染色而成。茜草是我国历史最悠久的红色植物染料，其用于染色的历史可追溯到商周时期，直到唐代茜草仍是重要的红色染料，《新修本草》记载茜根“可以染绛”，除此之外，茜草也被报道用于其他唐代红色纤维样品的染色[13,14]。

图2 红色纤维样品的分析结果。a.MALDI-FTICR-MS 负离子模式下检测出茜素和紫茜素。b.UPLC-MS 正离子模式下检测到6.09 min 为茜素。c.UPLC-MS 正离子模式下检测到6.64 min 为紫茜素

2.2 黄色纤维样品的染料分析

图3 为黄色纤维样品的分析结果，小檗碱（C20H18NO4）为黄色纤维样品的主要染色成分。MALDI-FTICR-MS 检测到m/z 336.1229，为小檗碱的分子离子峰[M]+（理论值为m/z 336.12303），质量误差为-0.4 ppm。利用UPLC-MS 对检测结果进行验证，在正离子模式下，在4.75 min 检测到m/z 336.1715，质量误差为144.2 ppm，结合文献报道的保留时间[11]，确定为小檗碱。因此，推测黄色纤维是由黄檗染色而成。黄檗，其染色历史可追溯到东汉，《周易参同契》中记载：“若檗染为黄兮，似蓝成绿组”；东晋葛洪于《抱朴子》中提及以黄檗汁染纸，制得黄麻纸，风行于晋唐时期。本工作中，克亚克库都克烽燧遗址出土的唐代黄色纤维样品证明为黄檗染色而成。

图3 黄色纤维样品的染色成分为小檗碱。a.MALDI-FTICR-MS 正离子模式下检测出小檗碱，误差为-0.4 ppm。b.UPLC-MS 正离子模式下检测到4.75 min为小檗碱

2.3 蓝色纤维样品的染料分析

蓝色纤维提取物在MALDI-FTICR-MS 正离子模式下检测到靛蓝分子（C16H10N2O2）的钠离子加和峰（[M+Na]+，m/z 285.0634），质量误差为-0.2 ppm（理论值为m/z 285.06345），因此确认其染色成分为靛蓝，如图4a 所示。利用UPLC-MS 进行验证，在负离子模式下，在6.63 min 检测到m/z 261.0721，质量误差为23.9 ppm，结合文献报道的保留时间，确定为靛蓝[11]。蓝色系植物染料种类较多，包含蓼蓝、菘蓝、木蓝、马蓝、苋蓝等，其主要染色成分均为靛蓝，这些蓝草类植物是已知应用最早的染色植物，《诗经》《礼记》《齐民要术》等著作中均对其种植、制靛和染色工艺有所提及[15]。追溯克亚克库都克烽燧出土的唐代蓝色纤维样品中靛蓝的具体植物染料来源仍需进一步研究。

图4 蓝色纤维样品的染色成分为靛蓝。a.MALDI-FTICR-MS 正离子模式下检测出靛蓝，误差为-0.2 ppm。b.UPLC-MS 负离子模式下检测到6.63 min 为靛蓝

2.4 绿色纤维样品的染料分析

基于MALDI-FTICR-MS 的绿色纤维样品分析结果如图5a 所示，检测到靛蓝（C16H10N2O2）和小檗碱（C20H18NO4）两种染色组分。其中，m/z 285.0634 为靛蓝的钠离子加和峰[M+Na]+，质量误差为-0.2 ppm；m/z 336.1230 为小檗碱的分子离子峰[M]+，质量误差为-0.09 ppm。基于UPLC-MS 进行验证，在正离子模式下测得4.72 min 出现小檗碱（[M]+，336.1752，质量误差为155.2 ppm），在负离子模式下测得6.63 min 出现靛蓝（[M+Na]+，261.0688，质量误差为11.3 ppm），分别与黄色和蓝色纤维样品中测得的小檗碱和靛蓝的保留时间一致。相比于基于UPLC-MS 的染料分析方法，MALDI-FTICR-MS 通过一次检测即可实现两种染料组分的准确鉴定。根据检测结果可知，绿色纤维同时包含蓝色染色成分靛蓝和黄色染色成分小檗碱，推测为两种染料套染而成。套染工艺，即使用两种或以上的植物染料先后浸染以达到预期效果的染色方法，套染法可追溯到殷、周时期，到汉唐时期已经发展的较为成熟[14,15]。鉴于古代的绿色系植物染料较少，一般通过黄色和蓝色套染的方法染绿，如《天工开物》中记载，“黄檗水染，靛水盖。今用小叶苋蓝煎水盖者，名草豆绿，色甚鲜”[15]。因此，推断绿色纤维是由黄檗和蓝草类植物套染而成。

图5 绿色纤维样品的主要染色成分为靛蓝和小檗碱。a.MALDI-FTICR-MS 正离子模式下检测出靛蓝和小檗碱。b.UPLC-MS 正离子模式下检测到4.72 min 为小檗碱。c.UPLC-MS 负离子模式下检测到6.63 min 为靛蓝

总结而言，基于MALDI-FTICR-MS 对新疆维吾尔自治区尉犁县克亚克库都克烽燧遗址出土的红色、黄色、蓝色和绿色唐代纺织品的染料进行分析，准确鉴定出茜草、紫茜草、小檗碱、靛蓝等染料成分，结果见表1。

表1 基于MALDI-FTICR-MS 对新疆吾尔自治区尉犁县克亚克库都克烽燧遗址出土的纺织品染料成分的鉴定及对应的染料来源

基于银纳米颗粒建立的MALDI-FTICR-MS 检测方法可以实现古代纺织品染料的准确鉴定，质量误差小于5 ppm，大幅提高了检测准确度，实现化学结构相似的染料分子和多种染料组分的准确鉴定，在复杂染料的定性分析上具有强大的综合分析能力。

3 结论

本文首次利用超高质量分辨率的MALDI-FTICR-MS 对新疆维吾尔自治区尉犁县克亚克库都克烽燧遗址出土的红色、黄色、蓝色和绿色唐代纺织品染料进行科学分析。研究表明，红色纤维的主要染色成分为茜素、紫茜素，推测染料为茜草；黄色纤维的主要染色成分为小檗碱，推测染料为黄檗；蓝色纤维的主要染色成分为靛蓝，推测染料为蓝草类植物；绿色纤维的主要染色成分为小檗碱和靛蓝，推测由黄檗和蓝草类植物套染而成。借助精确分子量，基于银纳米颗粒建立的MALDI-FTICR-MS 检测方法可以实现化学结构相似染料分子、多种类染料组分的同时鉴定，在复杂染料的定性分析上具有广阔的应用前景。