液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用法研究紅花染紡織品褪色分子機(jī)理

魏 樂

(故宮博物院文?？萍疾?，北京 100009)

0 引 言

植物染色采用自然界中自然生長(zhǎng)的植物通過不同工藝提取色素對(duì)有機(jī)無機(jī)材質(zhì)進(jìn)行染色，距今已有5 000年的歷史[1]。紅花(CarthamustinctoriusL．)，又名紅藍(lán)花，刺紅花，屬雙子葉菊科紅花屬草本植物，最早記錄于公元前4世紀(jì)到公元前3世紀(jì)傳入我國[2]。紅花染自古以來一直出名，明代宋應(yīng)星《天工開物》彰施篇記載了紅花種植、采摘、染色的詳細(xì)過程。紅花屬直接型染料，染紅色主要顯色物質(zhì)是紅花苷，不需要加媒染劑可直接進(jìn)行染色。紅花中紅花黃色素和紅花紅色素，含量分別約占30%和0.5%，為了染出紅色，需要采用“殺花法”調(diào)節(jié)染浴pH至堿性，將紅花紅色素提取出來對(duì)纖維進(jìn)行上染。紅花能夠染出漂亮明艷的紅色但極易褪色，作為中華傳統(tǒng)服飾藝術(shù)中最明艷的色彩，亟須在分子水平上明確闡明褪色機(jī)制，這對(duì)博物館館藏文物及文化遺產(chǎn)的保護(hù)具有重要意義。

紅花苷的最初研究是20世紀(jì)90年代，Kanehira等[3]對(duì)溫度、pH、光照，緩沖液體系等因素作了充分考量，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)紅花苷溶液體系在較高溫度更易分解為偏黃色副產(chǎn)物。穩(wěn)定性明顯與pH值密切相關(guān)，在pH值為1.5～5.5的范圍內(nèi)最為穩(wěn)定。紫外光照射下更容易發(fā)生衰解。在不依賴緩沖體系、外部氣相環(huán)境或某些化學(xué)物質(zhì)暴露情況下，也會(huì)出現(xiàn)褪色現(xiàn)象。博物館環(huán)境影響紡織品褪色的因素是方方面面的，其中最直觀的影響因素是光照，無論纖維本體還是其上附著的染料分子均對(duì)光敏感。在一定的溫濕度條件下，酸性氣態(tài)污染物容易造成紡織品文物染料的褪色，另外臭氧具有極強(qiáng)的氧化性，對(duì)有機(jī)物中不飽和雙鍵易發(fā)生環(huán)加成，促進(jìn)染料分子的降解[4]。對(duì)紅花中其他組分的鑒定，Wouters等[5]最初鑒定出紅花色素中的四種無色組分鑒定標(biāo)志物，分別為Ct1，Ct2，Ct3和Ct4。這些組分的化學(xué)性質(zhì)不同于紅花苷，能經(jīng)受住強(qiáng)烈的酸水解或者光誘導(dǎo)加速老化。對(duì)紅花苷降解成分的研究，Laursen等[6]首先明確了其在水溶液中加熱變質(zhì)的原因?yàn)橥ㄟ^逆向羥醛縮合，形成carthamin A和B兩種副產(chǎn)物，通過碳碳雙鍵的氧化最終形成對(duì)羥基苯甲醛和對(duì)羥基苯甲酸小分子。Costantini等[7]發(fā)現(xiàn)不僅光照引起紅花染的褪色，陰暗高濕的儲(chǔ)存條件也會(huì)引起褪色現(xiàn)象。但可通過高效液相色譜偶聯(lián)光電二極管矩陣檢測(cè)器在褪色文物上檢測(cè)到染料鑒定標(biāo)志物Ct組分確定為紅花染。

有機(jī)染料分析一直是文化遺產(chǎn)保護(hù)的重要內(nèi)容，通過鑒定小分子標(biāo)志物確認(rèn)文物所用染材。通常染料小分子不夠穩(wěn)定，在一定的環(huán)境因素作用下發(fā)生降解，因此分析特定染料可能的變化過程有助于加強(qiáng)對(duì)紡織品文物的保護(hù)。對(duì)考古材料和館藏傳世文物的染料檢測(cè)應(yīng)用最為廣泛的方法是高效液相色譜法，結(jié)合高分辨質(zhì)譜檢測(cè)器，可對(duì)組分分子量和結(jié)構(gòu)信息作全面準(zhǔn)確地判斷，具有高的靈敏度和特異性，可以實(shí)現(xiàn)微損分析[8]。除了可以進(jìn)行常規(guī)定性定量鑒定外，還可對(duì)染料中存在的老化產(chǎn)物進(jìn)行推測(cè)。博物館館藏紡織品文物引起劣化主要因素是光照[9]，因此本研究首先從紫外光和LED兩種光源照射出發(fā)，對(duì)直接顯色成分紅花苷不同影響因素作詳細(xì)分析。表征手段主要采用超高效液相色譜四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜聯(lián)用儀對(duì)紅花染現(xiàn)代模擬品及故宮院藏珍貴紡織品歷史文物進(jìn)行檢測(cè)。通過對(duì)低能通道不同加合離子產(chǎn)生的分子離子峰以及高能通道碎片的解讀判斷分子裂解規(guī)律從而合理解釋化學(xué)結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了可能存在的老化分子，并從液質(zhì)相對(duì)含量的變化上討論可能的變化過程。本研究首次經(jīng)液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用確證三香豆酰亞精胺實(shí)際為Ct4組分在紅花中的存在，結(jié)合現(xiàn)代品和文物樣品推測(cè)了紅花染產(chǎn)生這種化合物的工藝原因。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)甲酸容易引起紅花苷黃變，并對(duì)原因進(jìn)行了分析。

1 實(shí)驗(yàn)樣品與方法

1．1 實(shí)驗(yàn)樣品

故宮博物院院藏織繡文物粉色緞繡折枝花紋宮衣，如圖1a所示，屬清乾隆時(shí)期二級(jí)戲衣文物。身長(zhǎng)126 cm，腰寬52.3 cm，兩袖通長(zhǎng)198.2 cm，袖寬33 cm，石青緞?lì)I(lǐng)長(zhǎng)39.6 cm、寬18.5 cm。對(duì)文物存在的開線，磨損，領(lǐng)水漬等傷況由文?？萍疾啃迯?fù)后于2019年12月在香港科學(xué)館舉辦的“內(nèi)里乾坤-故宮文物修復(fù)展”進(jìn)行參展。灰色彩繪百褶裙粉色里子存在明顯褪色，如圖1b所示，對(duì)殘落物(圖1c)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測(cè)。清代《出門見喜》春條，采用傳統(tǒng)緙絲工藝織造而成，長(zhǎng)60 cm，寬26 cm。整體修復(fù)前伴有不同程度的臟污、蟲蛀，由文保科技部修復(fù)后在故宮博物院壽康宮作原狀陳設(shè)。文物正面(圖2b)長(zhǎng)期日曬同背面(圖2a)相比較出現(xiàn)明顯褪色，分別對(duì)正面(圖2c下)背面(圖2c上)殘落物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測(cè)。紅花染老化前后樣品來源于甘肅省博物館的實(shí)驗(yàn)?zāi)M品(圖3)，圖片從左至右分別為未老化，紫外光老化、LED光老化樣品。

圖1 粉色緞繡折枝花紋宮衣文物圖像Fig.1 Pictures of a pink embroidered costume with picked-branch patterns

圖2 緙絲出門見喜春條文物圖像Fig.2 Pictures of Kesi fabric with the scroll

圖3 紅花染老化前后對(duì)比照片F(xiàn)ig.3 Before and after aging of safflower-dyed textiles

1．2 老化光源條件

紫外老化設(shè)備采用東莞利鑫儀器設(shè)備有限公司UVA-340紫外耐候試驗(yàn)箱，光源采用UVA-340紫外線燈管，光源波長(zhǎng)340 nm，光源功率15 W，置放試樣用網(wǎng)架規(guī)格63 cm×34 cm，內(nèi)箱尺寸70 cm×35 cm×30 cm。LED老化設(shè)備采用歐科ERCO ogotec軌道射燈，光源功率12 W，LED燈色溫4 000 K。老化時(shí)間均為25 d。

1．3 實(shí)驗(yàn)試劑及提取

所用提取試劑均為分析純，北京化工廠。色譜流動(dòng)相乙腈為色譜級(jí)，美國Fisher公司；純水來源于超純水儀(德國Merck Milli-Q)。標(biāo)準(zhǔn)品三香豆酰亞精胺，購自云南西力生物技術(shù)股份有限公司，純度98%。模擬染色樣品及文物樣品提取條件采用兩步提取法即對(duì)同一樣品的兩次提取分步進(jìn)行，第一步分別向樣品中加入200 μL N，N-二甲基甲酰胺(DMF，Merck，頂空氣相色譜級(jí))，放入加熱器100 ℃加熱10 min冷卻后，離心機(jī)12 000 r/min離心5 min吸取上清液待測(cè)。提取第二步將前述樣品加入200 μL濃鹽酸甲醇水混合體系(體積比2∶1∶1)，放入加熱器100 ℃加熱10 min冷卻后，取上清液12 000 r/min，5 min離心。用醫(yī)用注射器將上清液吸取出來氮?dú)獯蹈?，再?0 μL甲醇復(fù)溶用于液質(zhì)檢測(cè)。

1．4 液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用條件

液相條件采用Waters Acquity H-Class UPLC進(jìn)行測(cè)試，BEH C18(2.1×100 mm，1.7 μm)色譜柱；柱溫30 ℃；流動(dòng)相A為0.1%甲酸水溶液，B為乙腈；梯度條件：0～0.3 min：95%A；0.3～9.3 min：95%～5%A；9.3～10.3 min：5%A；10.3～10.5 min：5%～95%A；10.5～12 min：95%A；流速0.25 mL/min；進(jìn)樣量均為2 μL。質(zhì)譜條件采用Waters Xevo G2-XS Q-TOF MS進(jìn)行測(cè)試，質(zhì)μ量掃描范圍m/z50～1 200；采用全信息串聯(lián)質(zhì)譜方法(MSE)正負(fù)模式下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。ESI電離源，源溫：120 ℃；脫溶劑氣為氮?dú)猓撊軇鉁囟葹?50 ℃，流速為800 L/h；毛細(xì)管電壓為3 kV，錐孔電壓40 V，碰撞能量20～40 eV。采用亮氨酸腦啡肽作為實(shí)時(shí)校正液，濃度為0.4 ng/L，每隔30 s進(jìn)樣一次。整個(gè)系統(tǒng)由Waters MassLynx軟件進(jìn)行控制，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用ApexTrack積分方法由Waters UNIFI軟件進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與討論

2．1 色差計(jì)讀數(shù)

采用X-Rite 8400型色度計(jì)D65光源、10°觀察角的方法對(duì)模擬樣品讀取顏色值(表1)。受光老化影響，顏色參數(shù)L*有所增加，a*有所降低，由于光照引起絲的黃變b*相應(yīng)增加。通常認(rèn)為色差值超過3可作為色差明顯的依據(jù)[7]，根據(jù)CIE LAB色差計(jì)算公式得出紫外光老化和LED光老化色差值分別為17.17和1.61，紫外反射光譜曲線相差較大，紫外光下色差顯著因而褪色更加明顯。博物館陳列LED燈是光源種類的一種，對(duì)紡織品仍具有一定的損傷[10]。

表1 紅花染老化前后紡織品的顏色特征值Table 1 Color characteristic values of simulated aging safflower-dyed textiles

2．2 紅花染特定成分的液質(zhì)鑒定

紅花染紡織品上檢測(cè)到的染色相關(guān)組分有：紅花苷、芹菜素、Ct4、unkown937E式和Z式、Carthamin A、Carthamin B、對(duì)羥基苯甲醛(4-Hydroxybenzaldehyde)、對(duì)羥基苯甲酸(4-Hydroxybenzoic acid)以及醇化物。主要成分保留時(shí)間、分子離子峰、高能裂解碎片列于表2中。近些年對(duì)染料色素的提取，大量文獻(xiàn)報(bào)道通常采用兩步法提取[11]，本實(shí)驗(yàn)將兩步法分開進(jìn)行，這樣可以細(xì)微檢測(cè)老化產(chǎn)物小分子。第一步提取發(fā)現(xiàn)盡管吡啶對(duì)紅花苷是一種比較好的溶劑但毒性較強(qiáng)，具有強(qiáng)烈刺激性氣味。DMF同吡啶相比較化學(xué)性質(zhì)相似，均為弱堿性有機(jī)溶劑，但萃取效率更高，毒性更低[12-13]，更適于還原染料和直接染料的提取。鑒于博物館常規(guī)檢測(cè)需求，對(duì)紅花染樣品采用DMF萃取，對(duì)老化褪色產(chǎn)物小分子更易檢出。

表2 相關(guān)檢測(cè)化合物的液質(zhì)結(jié)果信息Table 2 Results of tested components by liquid chromatography-mass spectrometry

2．2．1紅花苷及芹菜素的檢測(cè) 在紅花染模擬品及文物樣品中均能檢測(cè)到主要成分紅花苷，是一種高度π共軛的二聚體結(jié)構(gòu)。芹菜素是一種天然黃酮類化合物，作為非顯色物質(zhì)也可檢測(cè)到，這兩種成分主要在第一步DMF提取液中檢測(cè)存在，液質(zhì)結(jié)果均和標(biāo)準(zhǔn)品進(jìn)行對(duì)照確認(rèn)。其中芹菜素在紅花染現(xiàn)代樣品及文物中均存在，這一發(fā)現(xiàn)不同于Jan Wouters只在文物樣品中存在的報(bào)道[5]。

圖4為紅花苷負(fù)離子模式液相色譜質(zhì)譜結(jié)果。特征保留時(shí)間在5.01 min，對(duì)應(yīng)的分子離子峰m/z909.208 1(0.8 mDa)。根據(jù)高能裂解碎片顯示，分子結(jié)構(gòu)中斷裂對(duì)羥基苯乙烯基產(chǎn)生碎片m/z789.150 9(C35H33O21，1.1 mDa)；紅花苷中心位點(diǎn)碳碳雙鍵斷裂分別產(chǎn)生m/z461.107 2(C22H21O11，1.7 mDa)和m/z447.094 9(C21H19O11，1.6 mDa)的分子碎片峰，后者繼續(xù)斷裂一分子糖產(chǎn)生m/z287.055 7(C15H11O6，0.1 mDa)，再繼續(xù)斷裂苯酚基產(chǎn)生m/z190.992 9(C9H3O5，5.7 mDa)。如果紅花苷在中心位點(diǎn)結(jié)合羰基斷裂產(chǎn)生m/z501.103 4(C24H21O12，0.4 mDa)的碎片，同時(shí)產(chǎn)生m/z407.097 8(C19H19O10，0 mDa)的分子碎片。在同一六元環(huán)相對(duì)稱的位置如果發(fā)生兩處斷裂產(chǎn)生碎片m/z721.161 3(C32H33O19，0.3 mDa)。紅花苷為紅花染主要顯色物質(zhì)，紫外吸收?qǐng)D譜顯示最大吸收波長(zhǎng)為520 nm。

圖4 紅花苷負(fù)離子模式液質(zhì)結(jié)果Fig.4 LC-MS results of carthamin by UPLC-ESI-QTOF-MS in negative mode

芹菜素，相應(yīng)保留時(shí)間為5.21 min，負(fù)離子模式分子離子峰m/z269.043 8(1.2 mDa)，屬典型二氫黃酮類，主要分子骨架為2-苯基色原酮，分子斷裂后主要產(chǎn)生m/z107.0132(C6H3O2，0.1 mDa)，m/z117.033 7(C8H5O，0.3 mDa)，m/z151.004 5(C7H3O4，1.4 mDa)三個(gè)分子碎片。紫外最大吸收波長(zhǎng)為336 nm。紫外吸收、液相色譜質(zhì)譜、分子結(jié)構(gòu)及主要斷裂方式見圖5。

圖5 芹菜素負(fù)離子模式液質(zhì)結(jié)果Fig.5 LC-MS results of apigenin by UPLC-ESI-QTOF-MS in negative mode

2．2．2對(duì)未知組分Ct4的結(jié)構(gòu)鑒定 Wouters等[5]首次報(bào)道曾經(jīng)在紅花中檢測(cè)出這種成分，作為一種未顯色組分標(biāo)志物雖然在文獻(xiàn)中有所報(bào)道[14]，但化合物結(jié)構(gòu)一直沒有鑒定。采用液質(zhì)聯(lián)用MSE采集方法分別在正負(fù)離子模式下均可進(jìn)行鑒定，以正離子模式為例，色譜圖、高能碎片質(zhì)譜圖、紫外吸收及分子裂解方式如圖6所示。通過正負(fù)模式進(jìn)行比較確定未知物的分子量為583。因正負(fù)模式分子離子峰為偶數(shù)，根據(jù)氮素規(guī)則，推測(cè)天然產(chǎn)物中應(yīng)該含奇數(shù)個(gè)氮，最終確定可能中性分子式為C34H37N3O6，負(fù)模式下質(zhì)量偏差1×10-7，正模式下質(zhì)量偏差0。

化合物的紫外吸收位于229 nm、293 nm(肩峰)和318 nm，紫外吸收光譜與肉桂酰胺類似[15]。正離子模式高能碎片m/z164．070 9(C9H10NO2，0.3 mDa)斷裂碎片離子[M+H-CONH]+產(chǎn)生m/z119.049 5(C8H7O，0.2 mDa)，同時(shí)考慮到紫外光譜提供的信息，推斷化合物含有4-羥基肉桂酰胺分子結(jié)構(gòu)片斷[16]。分子中斷裂一個(gè)酰胺鍵-CONH-產(chǎn)生兩個(gè)碎片分子m/z147.044 7(C9H7O2，0.1 mDa)和438.239 7(C25H32N3O4，0.4 mDa)，后者繼續(xù)斷裂一個(gè)酚羥基產(chǎn)生m/z420.228 7(C25H30N3O3，0 mDa)。同時(shí)還能檢測(cè)到斷裂兩處酰胺鍵-CONH-產(chǎn)生的碎片分子m/z292.202 5(C16H26N3O2，0 mDa)，繼續(xù)斷裂碎片中伯胺基產(chǎn)生碎片m/z275.176 2(C16H23N2O2，0.2 mDa)。分子中叔胺基鍵斷裂，還會(huì)產(chǎn)生204.102 5(C12H14NO2，0 mDa)和218.117 8(C13H16NO2，0.2 mDa)，兩者分子量相差14即一個(gè)亞甲基-CH2-，若均除去4-羥基肉桂酰胺基(前述m/z164)可分別計(jì)算得到含碳數(shù)分別為3和4。即化合物中含有三個(gè)4-羥基肉桂酰胺的分子結(jié)構(gòu)，其中兩個(gè)通過C3和C4烷基碳鏈偶聯(lián)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證，采用三香豆酰亞精胺化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)品同紅花染紡織品提取液進(jìn)行二級(jí)質(zhì)譜MSMS檢測(cè)，譜圖對(duì)照如圖6e～6f所示，Ct4與三香豆酰亞精胺具有相同的色譜保留時(shí)間，在相同的碰撞能條件下具有相同的裂解模式，同時(shí)根據(jù)高能碎片和紫外吸收光譜并依據(jù)文獻(xiàn)[17]進(jìn)行考證比對(duì)，最終確定化合物為三香豆酰亞精胺。

圖6 三香豆酰亞精胺正離子模式液質(zhì)結(jié)果Fig.6 LC-MS results of tricoumaroyl spermidine by UPLC-ESI-QTOF-MS in positive mode

2．2．3滴加揮發(fā)性有機(jī)污染物甲酸黃變現(xiàn)象的闡述 紅花苷對(duì)pH極度敏感，活化能在pH 5.0、12.0時(shí)分別為15.6、16.8 kcal/mol[18]。博物館環(huán)境常見揮發(fā)性有機(jī)污染物(VOCs)容易產(chǎn)生一定的酸性，為了檢測(cè)可能的影響，在實(shí)驗(yàn)色素提取過程中，在紅花染絲織品上滴加不同含量甲酸。實(shí)驗(yàn)采用10%甲酸水溶液、20%甲酸水溶液、50%甲酸水溶液、80%甲酸水溶液、純甲酸，分別滴加在紅花染現(xiàn)代模擬品上，發(fā)現(xiàn)50%甲酸水溶液的條件即可產(chǎn)生瞬間黃變現(xiàn)象，甲酸含量更高，黃變現(xiàn)象更顯著。取少量樣品滴加純甲酸進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)可能的反應(yīng)產(chǎn)物。

滴加甲酸后，Ct4與紅花苷相對(duì)比例變大，紅花苷部分水解。滴加甲酸發(fā)生黃變主要在烯烴雙鍵的反應(yīng)位點(diǎn)和氫離子發(fā)生親電加成。甲酸在反應(yīng)體系里作為pH調(diào)節(jié)劑[19]，同時(shí)作為反應(yīng)劑參與雙鍵的加成反應(yīng)，產(chǎn)生特征保留時(shí)間分別為5.04 min和5.26 min兩種強(qiáng)度不等的化合物，負(fù)離子模式分子離子峰均為937，色譜結(jié)果如圖7a所示。兩種未知化合物與紅花苷紫外吸收?qǐng)D譜基本相似(圖7b)，分子結(jié)構(gòu)比較類似。紅花苷紫外最大吸收波長(zhǎng)為520 nm(RT4.96 min)，保留時(shí)間為5.04 min的未知物紫外最大吸收波長(zhǎng)為523 nm，根據(jù)伍德沃德規(guī)則未知物里應(yīng)額外多出一個(gè)環(huán)外雙鍵。從高能質(zhì)譜結(jié)果(圖7c)來看，兩種化合物同紅花苷裂解規(guī)律類似，兩種化合物分子結(jié)構(gòu)應(yīng)為同分異構(gòu)體，保留時(shí)間為5.26 min未知物紫外最大吸收波長(zhǎng)為520 nm，最大吸收波長(zhǎng)偏小能量偏大，推測(cè)兩種化合物為順反異構(gòu)體，分別為E式和Z式(圖7d)，保留時(shí)間靠前的能量較低、結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定、含量相對(duì)較高。

圖7 甲酸黃變產(chǎn)物負(fù)離子模式液質(zhì)結(jié)果Fig.7 LC-MS results of the yellowing products caused by formic acid by UPLC-ESI-QTOF-MS in negative mode

分子斷裂機(jī)理方面以負(fù)離子模式保留時(shí)間為5.04 min未知物為例，分子離子峰m/z937.201 9(2.0 mDa)，斷裂醛基-CHO生成碎片分子m/z909.206 1(C43H41O22，2.8 mDa)。紅花苷在中心位點(diǎn)結(jié)合醛基斷裂產(chǎn)生特征碎片分子m/z529.098 4(C25H21O13，0.2 mDa)，繼續(xù)斷裂-CHO產(chǎn)生分子碎片m/z501.103 3(C24H21O12，0 mDa)。其他特征碎片峰與紅花苷斷裂相似。

2．2．4光老化產(chǎn)物的檢測(cè) 臭氧作為空氣中的污染物，具有強(qiáng)氧化性，光老化作用下，參與紅花苷的降解反應(yīng)。本實(shí)驗(yàn)在紫外光和LED兩種光源老化模擬品及兩件文物上均檢測(cè)到Richard Laursen報(bào)道[6]的四種老化產(chǎn)物小分子Carthamin A、Carthamin B、對(duì)羥基苯甲醛和對(duì)羥基苯甲酸，如圖8所示。

圖8 負(fù)離子模式下的目標(biāo)產(chǎn)物提取離子流色譜圖及分子斷裂方式Fig.8 Extraction chromatograms and molecular structure fragmentations of target products by UPLC-ESI-QTOF-MS in negative mode

2．3 機(jī)理討論

當(dāng)用紅花染紅后，如圖9所示，一部分芹菜素可以和紅花苷一起上染到纖維上，但提取色譜圖積分峰面積比例相對(duì)數(shù)不高。兩種老化方式相比較，紫外光老化樣品上紅花苷與芹菜素的相對(duì)峰面積比例明顯變少。文物樣品喜字春條背面與紫外老化、宮衣樣品與LED老化的紅花苷與芹菜素比例相對(duì)數(shù)比較接近。宮衣樣品和LED老化同紅花染未老化樣品比例相對(duì)數(shù)更加接近。春條正面褪色明顯，紅花苷降解嚴(yán)重，兩種成分比例相對(duì)數(shù)最低。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)紅花苷與三香豆酰亞精胺在紅花染未老化、紫外老化和LED老化三種紡織品中比例相當(dāng)。三香豆酰亞精胺這種成分主要在紅花染現(xiàn)代品中存在，在品相保存較好的文物樣品(宮衣和春條背面)中含量較少。文物春條正面長(zhǎng)期日曬褪色，大量紅花苷發(fā)生降解，使原本微量存在的三香豆酰亞精胺含量相對(duì)提高。在出現(xiàn)明顯褪色情況下，紅花苷發(fā)生降解，三香豆酰亞精胺可明顯檢測(cè)到。三香豆酰亞精胺化學(xué)純品呈黃色，紅色紅花苷的降解，使春條文物正面外觀呈現(xiàn)橘色打底，而背面因?yàn)橥噬幻黠@依然能看出紅色打底。紅花屬雙子葉菊科植物，而三香豆酰亞精胺主要存在于雙子葉植物花粉粒中，作為一種特殊代謝產(chǎn)物，參與植物的發(fā)育、繁殖[20]。紅花通常在早晨開花授粉，完成后即迅速敗落?！短旃ら_物》里記載紅花是“侵晨帶露摘取”，即趁著晨露天涼盡快采摘。古人的這種作法一種解讀是為了提高紅花品質(zhì)就要減少花粉授粉的過程，而采摘的鮮花花粉在外界環(huán)境中很快失去生活力，因而在宮廷技藝精湛保存相對(duì)完好沒有褪色的文物樣本中這種物質(zhì)含量相對(duì)較少，在紅花染褪色文物中可顯著檢測(cè)到。現(xiàn)代進(jìn)行采摘紅花，可能未完全遵照古人的方式，三香豆酰亞精胺的存在是古代和現(xiàn)代紅花染色工藝差別的一個(gè)指標(biāo)，可作為檢驗(yàn)現(xiàn)代紅花染工藝原材料采摘質(zhì)量的一種衡量方式。天然染料染色中以花瓣作為染材的植物是否均存在這個(gè)問題，還需要在今后實(shí)驗(yàn)中作進(jìn)一步的驗(yàn)證。

圖9 不同紅花染樣品中紅花苷分別與芹菜素、三香豆酰亞精胺的比例相對(duì)數(shù)變化Fig.9 Relative ratios of peak areas of carthamin to apigenin and tricoumaroyl spermidine respectively in different safflower-dyed textiles

紅花苷主要發(fā)生反應(yīng)位點(diǎn)在中心碳碳雙鍵，強(qiáng)酸弱酸環(huán)境均能發(fā)生反應(yīng)。在弱酸條件容易發(fā)生黃變，前面已述。通過液質(zhì)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，采用第二步鹽酸提取方法即在強(qiáng)酸作用下，模擬紅花染樣品產(chǎn)生紅花苷強(qiáng)酸水解的醇化物，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在弱酸作用下并不會(huì)產(chǎn)生這種化合物。負(fù)離子模式下保留時(shí)間為2.95 min，分子離子峰為927，經(jīng)確定為紅花苷碳碳雙鍵水解生成的醇化物。從反應(yīng)機(jī)理上來看三級(jí)碳正離子更有利于發(fā)生親電反應(yīng)，因此本研究結(jié)構(gòu)更傾向于生成叔醇。

胡玉蘭等[21]采用光纖光譜儀研究發(fā)現(xiàn)，在無氧環(huán)境紅花染絲織品褪色受到了抑制，說明紅花的褪色與氧有關(guān)。酸性體系光引發(fā)條件下單線態(tài)氧與進(jìn)攻位阻小的碳碳雙鍵發(fā)生[2+3]環(huán)加成反應(yīng)[22]，生成三氧雜環(huán)戊烷類化合物，這種亞穩(wěn)態(tài)極其不穩(wěn)定，發(fā)生進(jìn)一步斷裂分解生成carthamin A和carthamin B兩種類型化合物[6]。這種周環(huán)反應(yīng)的發(fā)生盡管可以分步寫出反應(yīng)，但一般沒有亞穩(wěn)態(tài)中間體的出現(xiàn)，在靛藍(lán)中也有類似反應(yīng)的發(fā)生[23]。對(duì)結(jié)構(gòu)中空間位阻小的碳碳雙鍵繼續(xù)發(fā)生上述反應(yīng)，最終生成小分子對(duì)羥基苯甲醛及其進(jìn)一步氧化產(chǎn)物對(duì)羥基苯甲酸(圖10)。

圖10 光老化降解反應(yīng)機(jī)理Fig.10 Photoaging degradation mechanism

紅花染模擬老化品和褪色文物主要老化產(chǎn)物為對(duì)羥基苯甲醛和對(duì)羥基苯甲酸，分別進(jìn)行提取積分研究紅花苷的降解率。結(jié)果表明未老化、紫外老化、LED老化紅花苷降解率分別為0.23%，1.85%，0.48%。兩種老化結(jié)果表明紫外光對(duì)紅花苷的破壞作用更大。文物樣品紅花苷的降解程度更為嚴(yán)重，宮衣文物降解率為3.06%，喜字春條背面降解率為2.48%，褪色明顯的春條正面降解率達(dá)37.18%，表明光照對(duì)紡織品損傷極為嚴(yán)重，產(chǎn)生更多降解產(chǎn)物小分子。這種不可逆的變化強(qiáng)調(diào)了宮廷紡織品文物在博物館館存環(huán)境研究的必要性，亟須加強(qiáng)保護(hù)。

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)主要采用液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用的方法，以紅花染絲織品為主要老化研究對(duì)象，采用文獻(xiàn)報(bào)道兩步法對(duì)染料進(jìn)行提取，逐步對(duì)染料降解及提取過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物進(jìn)行檢測(cè)，研究了紅花苷褪色成因，主要結(jié)論有以下幾點(diǎn)。

1) 鑒定出紅花中一種原有報(bào)道Ct4的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，成分名稱為三香豆酰亞精胺，實(shí)質(zhì)上是植物花粉中的代謝產(chǎn)物，作為非顯色組分標(biāo)志物，雖然在褪色紅花染樣品和文物樣品中均可檢測(cè)到，但在保存相對(duì)完好的文物中這種化合物相對(duì)含量極低，與染色工藝直接關(guān)聯(lián)，古代精湛的工藝可以盡可能除去紅花中的非有效染色雜質(zhì)。

2) 采用紫外光和LED兩種光照老化方式，研究發(fā)現(xiàn)前者對(duì)紅花苷產(chǎn)生明顯褪色現(xiàn)象，與老化前相比較，色差值達(dá)17.17，紅花苷降解率為1.85%。通過液質(zhì)聯(lián)用分析手段進(jìn)一步證實(shí)紫外光照射對(duì)紡織品文物具有極強(qiáng)破壞作用。采用LED光源，在色差極微弱的情況實(shí)質(zhì)對(duì)紡織品染料的成分也是有一定的損傷。

3) 紅花苷主要光老化產(chǎn)物經(jīng)液相色譜質(zhì)譜鑒定進(jìn)一步證實(shí)有carthamin A、carthamin B、對(duì)羥基苯甲醛和對(duì)羥基苯甲酸。采用鹽酸甲醇混合體系提取法，還可以檢測(cè)到叔醇醇化物。甲酸容易造成紅花苷發(fā)生黃變，主要發(fā)生碳碳雙鍵加成生成帶有甲?；捻樂串悩?gòu)體。甲酸屬于一類常見的揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)，紅花苷甲酸黃變現(xiàn)象說明其對(duì)紅花染樣品具有重要危害，從博物館預(yù)防性保護(hù)工作角度出發(fā)要高度重視痕量甲酸含量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

4) 博物館館藏紅花染文物多數(shù)存在褪色現(xiàn)象，應(yīng)減少光照輻照劑量，盡量避免紫外光照射。本研究主要對(duì)染色涉及到的顯色組分紅花苷參與到的反應(yīng)及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析，天然染料植物成分復(fù)雜，今后的工作中仍需深化挖掘更多新型未知組分。