离子色谱法快速测定秦陵土遗址中无机阴、阳离子含量

杜维莎 景博文 付 菲 李 华 夏 寅 周 萍

(1.秦始皇帝陵博物院,西安 710600;2.陶质彩绘文物保护国家文物局重点科研基地,西安 710600)

秦始皇帝陵是中国历代帝王陵中规模最大、保存较好、埋藏最为丰富的一座大型陵园,是世界最大的考古学储备之一,于1987年被列入《世界文化遗产名录》[1]。经过多年的考古钻探与发掘,共计发现了300多座陪葬坑、陪葬墓,均以土为主要基材,是我国土遗址类文化遗产的重要组成部分。为了更好地保护、研究和展示这些遗址及文物,秦始皇帝陵博物院在多个遗址原址之上建造了场馆,例如秦始皇兵马俑坑、K9901、K0006等,但也有部分遗址露天保存,如南门阙遗址、陵东门遗址等。无论是保存于室内或是暴露于室外的遗址,盐害都是其最为典型且普遍存在的一类病害,常见有酥碱、疱疹、空鼓、脱落、起甲等[2]。因此对遗址内部可溶盐种类与分布的调查,是研究其盐害发展机理、盐分活动规律最为基础的工作,也是国内外学者积极探讨的问题[3-4]。

常见测试土体盐含量的方法有溶液滴定法、烘干定量法、溶液导电率法、离子色谱法等[5],其中离子色谱法因其选择性好、灵敏度高、操作简单等特点得到广泛应用[6]。该技术是一种可同时分析阴、阳离子和小分子极性有机化合物的一种液相色谱方法,自20世纪70年代引入中国以来便在环境监测、食品、农学、医学等[7-10]多个领域得到了极大发展,并逐渐被应用于文物预防性保护、出水文物保护及不可移动文物保护修复等多个方面[11-16]。如赵春燕[17]用电导检测离子色谱法对东下冯遗址土壤中的 Cl-、NO3-、SO42-含量进行检测;钱玲等[18]利用离子色谱法对三门峡虢季墓遗址盐害的种类及浓度进行检测分析,结果显示样品中阳离子主要为 Na+、K+、Mg2+、Ca2+,阴离子主要为 Cl-、NO3-和 SO42-,其中 SO42-的含量较高,最高可达到8.88 mg/g。邱立平等[19]通过实验对土水比、超声时间、分析柱温度进行了筛选,建立了离子色谱法测定墓葬土壤5种阴离子的方法。本工作采用离子色谱法对秦陵土遗址盐分组成、含量进行研究,比较了不同前处理条件对于测定结果的影响,提出了测定秦陵土遗址无机阴、阳离子含量的方法,并对几处典型遗址土壤离子环境进行测试,该法可用于土遗址中常见无机阴、阳离子的快速测定。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

Dionex ICS-6000离子色谱仪(赛默飞世尔科技公司,配有阴阳离子淋洗液发生器、电导检测器和Chromeleon7色谱工作站,阴、阳离子电解再生抑制器),超纯水系统(四川优普超纯科技有限公司),超声波清洗仪(昆山市超声仪器有限公司),离心机(湖南湘仪实验室仪器开发有限公司),0.22 μm微孔滤膜(天津市津腾实验设备有限公司)。

实验中所用阴、阳离子标准溶液均自国家标准物质研究所购得。实验用水为自制超纯水,电阻率为18.2 MΩ.cm。

1.2 色谱条件

阴离子分析色谱条件:AS11-HC型阴离子分析柱、AG11-HC型阴离子保护柱,阴离子电解再生抑制器,淋洗液为30 mmol/L氢氧化钾溶液等度淋洗,流量为1 mL/min,分析柱温为30 ℃,进样体积为25 μL。

阳离子分析色谱条件:CS12A型阳离子分析柱、CG12A型阳离子保护柱,阳离子电解再生抑制器,淋洗液为20 mmol/L甲基磺酸(MSA)等度淋洗,流量为1 mL/min,分析柱温为30 ℃,进样体积为25 μL。

1.3 实验方法

称取过2 mm筛的风干土遗址样品0.2 g(精确至0.000 1 g)置于10 mL离心管中,加入10 mL超纯水,超声提取5 min,于5 000 r/min转速下离心5 min,取上清液经0.22 μm水相滤膜过滤后在最佳仪器工作条件下进行测定。进样前应首先对样品电导率进行评估,如若样品电导率较高应首先进行稀释,稀释倍数按照实际情况进行。根据保留时间对比标准溶液谱图及标准曲线的线性回归方程对溶液中的阴、阳离子进行定性及定量分析。

2 结果与讨论

2.1 色谱行为

按照色谱条件分别对阴、 阳离子的混合标准溶液进行测定,色谱图如图1所示。

图1 混合标准溶液的色谱图

2.2 标准曲线和检出限

分别移取F-、Cl-、SO42-、 NO3-、PO43-和Na+、NH4+、K+、Mg2+、Ca2+标准储备溶液适量配制成不同浓度梯度的混合标准溶液,浓度梯度如表1所示。按色谱条件对其进行测定,并绘制标准曲线,用3倍的标准偏差计算方法检出限。线性回归方程、相关系数及检出限见表2。

表1 阴、阳离子标准系列浓度

表2 线性回归方程、相关系数及检出限

2.3 样品预处理参数选择

样品预处理条件的不同,会对可溶盐离子的结果造成一定影响。文献表明[20-25],对于土壤浸提液的主要影响因素有水土比、浸提条件、浸提时间、浸提次数等,浸提方式有超声、震荡等,浸提次数有1～3次不等。因此,对于土壤浸提液获取的最佳实验条件尚未有统一标准,应当与土体本身性质亦或是研究目的有一定关联,故在用离子色谱仪器测试秦陵土遗址盐含量之前需做相关试验对前处理条件进行筛选。为探究不同影响因素对测定结果的影响程度,本研究分别设计多因素正交实验以及单因素实验来优化浸提条件。

2.3.1 正交实验筛选

超声浸提是实验室常用的一种较为便捷、高效、环保的提取方法,即利用超声波所产生的空化等特殊作用,将目标物中所含的化学成分快速高效地提取出来。前期实验结果显示,超声提取比单纯浸泡效率更高更稳定,只要控制好时间与温度即可得到较为满意的结果,因此为了在短时间内获取较为完全的可溶盐信息,本研究选择超声浸提的方式。

研究以10种离子提取量(mg/g)为考察指标,对土水比、浸提时间、浸提次数等三个因素不同水平的提取条件进行考察,采用L9(34)正交表安排实验。因素水平见表3,对结果进行极差分析和方差分析,结果见表4。

表3 正交实验因素水平

表4 正交实验结果与分析

从极差分析结果来看,影响土壤浸出液含盐量测试结果的主次顺序为A>C>B,即土水比>浸提次数>浸提时间。本次实验的最优方案为A3B1C3,即土水比为1∶50、时间5 min、次数为3次时为最佳条件。方差分析显示浸提时间对于实验结果的影响不显著,且过长时间的超声会引起温度的变化产生新的变量,因此为较稳定地获得易溶盐结果,又保证前处理条件的一致性,选择5 min作为浸提时间即可。

2.3.2 最优条件的单因素实验

由于正交实验每个因素只选择了3个水平,且土水比与浸提次数对于测试结果的影响最为显著,因此本研究进一步对土水比、浸提次数进行控制变量的单因素实验,以对上述结果进行验证。

在超声5 min,浸提一次的条件下,考察了1∶5、 1∶30、1∶50、1∶100、1∶200(g/mL)等5种土水比对测定结果的影响,各离子含量变化如图2所示。由图2可知,土水比大于1∶50时,除Ca2+以外的其余离子基本处于平稳的状态,Ca2+含量虽随着土水比的减小而呈现一定上升趋势,但各离子分布及含量经非参数检验并未有显著区别;而当土水比小于1∶50时,Ca2+含量会呈现显著上升,其次为SO42-、Na+,这应当与微溶盐难溶盐的溶出、抑或是矿物成分的分解相关,对结果进行检验时发现与先前分布具有显著差别,为不引起更大的变量,研究筛选的最优水土比在1∶50即可。在超声5 min、土水比1∶50(g/mL)的条件下对不同次数下各离子的提取效率进行考察(图3)。对不同次数下各离子的提取效率进行考察可知,除Ca2+外,其余离子1次浸提结果可达70%以上,因此离子含量调查时可选择浸提一次的结果进行比对,以提高实验效率;若研究需对某一种离子,诸如Ca2+、SO42-进行全含量评估时,需对浸提条件进行重新筛选。结合实验结果及本研究的研究目的,筛选出的适用于秦陵土遗址可溶盐调查的最佳测试条件为土水比1∶50,浸提时间5 min,浸提次数为1次。

图2 各离子测定结果随土水比变化图

图3 不同浸提次数下各离子含量占比(除Ca2+)

2.4 测试条件

根据Chromelemon 7.0软件中对于几种离子的模拟测试,筛选出最佳的测试条件如表5所示。

表5 最佳测试条件

2.5 方法精密度

对标液按色谱条件分别进行阴、阳离子含量测定,共测定7次对仪器精密度进行考察,结果与相对标准偏差见表6。由表6可知,10种离子测定结果的相对标准偏差值均较小,表明仪器具有极好的精密度,测试结果稳定。

表6 仪器精密度

2.6 样品分析结果

采集秦俑一号坑、二号坑、K9801陪葬坑、秦始皇陵东门遗址的土样,按实验方法对其进行分析,同时进行加标回收实验,其结果见表7。各离子加标时以不改变基质且加标量为本底值的0.5～2倍为原则,结果为阴离子的回收率在95.0%～101%,阳离子回收率在91.0%～99.0%,方法可满足秦陵土遗址几种常见阴、阳离子的快速测定。

表7 各遗址区阴、阳离子含量

3 结论

1)采用离子色谱法同时测定土遗址本体中的常见10种阴、阳离子的含量,通过对前处理条件的筛选、仪器精密度的判断以及加标回收率可知该方法具有操作简单、测定结果可靠等优点。

2)前处理条件的不同对于测试结果有一定影响,因此需选择相同的前处理条件,测试结果才具备可比较性。本研究旨在对不同遗址区几种常见阴阳离子的含量进行调查,以厘清其潜在的风险因素,因此需要选择较为稳定、因素可控、干扰较少、切实可行的前处理条件。研究在正交实验的基础上进行了单因素的实验验证,发现选取土水比1∶50,超声时间5 min,一次浸提即可反映出遗址区的含盐程度及优势离子。其中土水比对于浸提结果有显著影响,且主要对于Ca2+、SO42-影响较大,应当与微溶盐或难溶盐的析出或矿物分解有一定关联。对于土壤这种复杂基质样品,对其前处理条件应首先根据研究对象而进行筛选,针对不同样品需根据研究目的首先进行前处理条件的筛选。

3)根据对秦陵不同遗址区域土壤可溶盐离子的调查,可以发现各离子含量在不同区域有一定差异。阳离子中Ca2+、Na+含量较多,阴离子中主要为SO42-、NO3-和Cl-。然而,建立的方法测试条件下无法对碳酸根、硅酸根及重金属进行测定,因此在土遗址可溶盐调查时还需将pH值与电导率一并进行测试,才能全面反应土遗址潜在风险。

4)以往研究表明,土遗址盐含量分布与环境变化息息相关,因此通过离子色谱技术对土遗址可溶盐离子的定期调查可为预防性保护阈值的设定提供思路。虽然此法样品用量很小,但是大规模、定期取样依旧会有影响遗址外观形貌的风险,因此还应当探索间接、无损的取样方法,以扩大此项技术在文物领域的应用范围。