FE熒光探針在線檢測土質(zhì)文物中水分形態(tài)及其揮發(fā)行為

鄭麗珍， 程 聰， 馬文華， 王卓睿， 胡道道*

1. 西安文理學(xué)院歷史文化旅游學(xué)院， 陜西 西安 710065 2. 陜西師范大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710119

引 言

土質(zhì)文物大多暴露于室外環(huán)境， 很多病害的產(chǎn)生都與水的侵蝕有關(guān)[1-6]， 而不同形態(tài)水在揮發(fā)過程中對文物的影響機(jī)制不同。 在含水量相同條件下， 自由水能夠快速揮發(fā)從土體離開， 產(chǎn)生鹽害可能性較小， 能夠保持土質(zhì)文物干燥狀態(tài)， 從而有利于土質(zhì)文物的防風(fēng)化； 而對于吸附水而言， 水分吸附在高分子上可以導(dǎo)致其理化性質(zhì)的顯著改變， 從而影響其機(jī)械性能并出現(xiàn)其他問題， 比如粘附力降低， 化學(xué)老化和膨脹等[7-12]， 同理， 土壤顆粒表面吸附的吸附水也會使其機(jī)械程度降低， 使可溶鹽運(yùn)移至土壤表面， 產(chǎn)生鹽害病害。 因此， 吸附水較多， 文物土體透氣性較差， 不易干燥， 更易于產(chǎn)生鹽害及微生物病害[13]， 使文物機(jī)械強(qiáng)度降低， 影響文物長久保存。 此外， 水分對文物土體的破壞還有其他多種途徑， 土體水中含有過多的溶鹽， 反復(fù)結(jié)晶-溶解收縮-結(jié)晶膨脹則會使土體墻基發(fā)生酥粉及淘蝕凹進(jìn)， 甚至傾斜[14-16]； 土體中純水的反復(fù)凍融作用也會使文物墻體的強(qiáng)度降低。

根據(jù)文獻(xiàn)報道， 土壤水分測定方法有烘干稱重法、 電阻法、 時域反射儀法(TDR)、 中子儀法、 熱分析法等方法[17-19]， 但該類方法均為宏觀水平測量， 且存在對于微量水含量的測定靈敏度低， 無法區(qū)分不同形態(tài)水等弊端。 盡管， 水在土壤中的流動可以通過熒光追蹤的方式確定其流動路徑[20]。 但有關(guān)基于熒光光譜的水形態(tài)分析還未見報道。 因此， 建立基于熒光探針法確定土壤微量水形態(tài)識別及含量變化具有重要應(yīng)用價值。

由于土質(zhì)文物是多孔結(jié)構(gòu)材料， 其中的水分有自由水和吸附水之分， 這兩種不同形態(tài)水的極性存在較大差異。 以FE(4’-二乙氨基-3-羥基黃酮)為熒光探針檢測土質(zhì)文物中不同形態(tài)水， 從原理上而言具有一定可行性。 如圖1所示， FE在進(jìn)行分子內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)移的過程中可以表現(xiàn)出四種形態(tài)。 分別為正?；鶓B(tài)(N), 正常激發(fā)態(tài)(N*)， 異構(gòu)體激發(fā)態(tài)(T*)(T*態(tài)只能從N*態(tài)激發(fā)得到)和異構(gòu)基態(tài)(T*態(tài)形成的亞穩(wěn)狀態(tài))。 這四種形態(tài)可在微環(huán)境下進(jìn)行不同的電荷分布及轉(zhuǎn)換[21-23]。 因而， 該雙發(fā)射波長的探針分子其分子內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)移對溶劑的極性及氫鍵作用具有高度敏感性， 同時， FE具有較長的激發(fā)波長， 具有較高的熒光發(fā)射性能， 且熒光特征峰在波長尺度上具有良好的分辨性， 特征峰在可見光區(qū)還避免了土樣因紫外吸收而降低其熒光發(fā)射。 該方法在線跟蹤檢測非常靈敏， 響應(yīng)迅速， 可識別土質(zhì)文物中不同形態(tài)水。 尤其對于土質(zhì)文物加固前后， 因土壤孔隙結(jié)構(gòu)分布改變引起土體中不同形態(tài)水的比例改變情況下， 通過FE檢測加固前后不同形態(tài)水揮發(fā)行為特征可評價加固性能是否對土體透氣性和防水侵蝕能力方面具有改善作用。

圖1 FE分子內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)移示意圖Fig.1 The diagram of intramolecular proton transfer of FE

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

試劑： 鄰羥基苯(分析純， 海博研生物科技有限公司)， 乙酮對二乙胺基苯甲醛(分析純， 上海博研生物科技有限公司)， 過氧化氫(分析純， 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)， 無水乙醇(分析純， 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)， 氫氧化鉀(分析純, 西安化學(xué)試劑廠)， 硅膠G， 乙酸乙酯， 環(huán)己烷(分析純， 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)， 丙酮(分析純， 洛陽昊華化學(xué)試劑有限公司)， 氫氧化鈉(分析純， 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)， 濃鹽酸(36%～38%， 分析純， 西安化學(xué)試劑廠)， 正硅酸乙酯(分析純， 天津市大茂化學(xué)試劑廠)， 實驗用水均為二次蒸餾水， 所有試劑使用前未經(jīng)任何處理。

儀器： F-7000型熒光-分光光度計(日立高新技術(shù)公司， 熒光檢測時入射狹縫和出射狹縫=5 nm), WFH-204B手提式紫外燈(上海精科實業(yè)有限公司， 含有254和365 nm兩個檢測波段)。

1.2 FE熒光探針的合成

在250 mL的圓底燒瓶中依次加入6.801 4 g鄰羥基苯乙酮， 10.600 g對二乙胺基苯甲醛， 75 mL無水乙醇和15 mL 50%KOH溶液， 加熱攪拌回流1 h， 放置過夜。 然后倒入150 mL二次水中， 并用鹽酸中和， 使其冷卻， 降溫， 析出沉淀。 將沉淀過濾， 真空干燥后獲得查爾酮。 在含有50 mL無水乙醇的150 mL圓底燒瓶中加入1.5 g上述合成的查爾酮， 繼而在強(qiáng)烈攪拌下緩慢加入5 mL 20% NaOH溶液， 再在0.5 h內(nèi)小心加入18 mL 15%過氧化氫溶液。 反應(yīng)混合物在30 ℃下攪拌3.5 h。 再倒入100 mL二次水中， 用鹽酸中和， 并使其冷卻， 降溫， 析出沉淀。 將沉淀過濾， 用二次水洗滌三次， 自然干燥后得到熒光物質(zhì)FE。 然后， 以丙酮為溶劑， 配制成0.02 g·L-1FE的丙酮溶液。 以上FE化學(xué)反應(yīng)過程如圖2所示。

圖2 EF熒光探針的合成Fig.2 Synthesis of EF

1.3 FE熒光探針的表征

以硅膠G薄層色譜板作為固定相， 乙酸乙酯和環(huán)己烷混合作為流動相， 將合成FE點于色譜板上(色譜板上平行點兩個FE樣)在365 nm波長紫外燈下進(jìn)行檢視。 取所合成FE 0.001 g于100 mL燒杯中， 用丙酮溶解， 并轉(zhuǎn)移到1 000 mL容量瓶中， 定容， 配成10-3g·L-1FE的丙酮溶液。 量取3 mL該溶液并轉(zhuǎn)入1 cm石英四通比色皿中， 使用F-7000型熒光分光光度計測定體系的熒光發(fā)射光譜及熒光激發(fā)光譜。

1.4 含水模擬土樣制備

從地下9 m深處取土， 自然條件下將原始土晾干并去除雜質(zhì)， 用粉碎機(jī)將其粉碎， 對粉碎過的土用電動篩子過60～80目篩， 獲得粒徑在180～250 μm范圍的土樣。 取0.80 g土樣， 加入到直徑10 mm的模具中， 用粉末壓片機(jī)壓制成圓柱狀土塊， 得到模擬土樣， 如圖3所示。 以正硅酸乙酯水解縮合溶液為加固劑對模擬土樣進(jìn)行加固， 獲得加固土樣。 為檢測加固和加固土樣中水分存在形態(tài)及不同形態(tài)水揮發(fā)行為特征， 分別將兩種土樣放于水蒸氣容器中進(jìn)行吸潮， 從而獲得含有水分的未加固土樣和加固土樣。

圖3 模擬土樣照片F(xiàn)ig.3 Photograph of simulated soil sample

1.5 在線檢測土樣熒光光譜

將200 μL FE的丙酮溶液(0.02 g·L-1)分別引入到上述含水的未加固和加固土質(zhì)文物模擬樣中， 測定不同時間土樣熒光發(fā)射光譜。

2 結(jié)果與討論

2.1 合成FE熒光探針的薄層色譜和熒光光譜分析

圖4是紫外燈365 nm下的檢視照片， 可以看出， 硅板上平行點的兩個FE樣品均呈單一點顯示， 說明合成FE熒光探針的純度較好。 以400 nm作為激發(fā)波長， 使用F-7000型熒光分光光度計檢測體系的熒光發(fā)射光譜， 得到兩個發(fā)射波長， 分別在501和571 nm， 并且這兩個特征峰在N*波段(500～520 nm)和T*(565～570 nm)波段范圍內(nèi)； 再以501和571 nm分別作為其分析波長， 獲得其激發(fā)光譜， 得到激發(fā)波長均在400 nm處， 這與文獻(xiàn)中所報道的出峰位置一致[24-25]， 其熒光測試光譜如圖5所示。 熒光光譜結(jié)果表明， FE具有明顯的雙發(fā)射波長并均為高度激發(fā)的特性， 且其譜帶在該波長范圍內(nèi)是可以區(qū)分開的。 該雙發(fā)射波長對極性具有高度敏感性， 對土體中自由水和吸附水因極性差異而起到指示作用。 因此， FE可識別土質(zhì)文物中不同形態(tài)水， 其中N*波段(500～520 nm)特征峰可指示土體中自由水的存在， T*(565～570 nm)波段特征峰可指示土體中吸附水的存在， 同時， 特征峰在可見光區(qū)還避免了土樣因紫外吸收而降低其熒光發(fā)射強(qiáng)度。

圖4 365 nm波長處紫外燈下FE薄層色譜照片F(xiàn)ig.4 Thin-layer chromatography photo of FE at 365 nm UV light

圖5 FE丙酮溶液的熒光激發(fā)和發(fā)射光譜Fig.5 Fluorescence excitation and emission spectra of FE in aceton

2.2 不同時間含水未加固土質(zhì)文物模擬樣熒光光譜分析

圖6是未加固土樣吸潮不同時間后， 通過在線熒光光譜檢測， 得到不同時間樣品水分揮發(fā)過程中的熒光發(fā)射光譜圖， (a)—(c)對應(yīng)的吸潮時間分別為2， 3.5和8 h。 由圖中可以看出， 對于吸潮時間不同的樣品， 土樣中 FE熒光發(fā)射強(qiáng)度先增大后減小， 并從發(fā)射波長520 nm處的短波長帶向571 nm處的長波長帶移動。 這樣的熒光光譜變化， 在一定程度上反映了土樣中水分形態(tài)及相應(yīng)量的變化。

熒光光譜強(qiáng)度先增后減的現(xiàn)象， 其原因如下： 土樣中FE以丙酮溶液引入， 在前期， 丙酮與水分同時揮發(fā)， 但丙酮揮發(fā)占主導(dǎo)地位。 丙酮揮發(fā)會引起熒光強(qiáng)度提高， 這主要是由于兩性離子在含水有機(jī)溶劑中的質(zhì)子化， 抑制了光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移(PET)， 從而強(qiáng)化了熒光強(qiáng)度[26]。 因此， 熒光強(qiáng)度的增加主要歸因于丙酮揮發(fā)及水分的相對增加。 水分揮發(fā)前期， 光譜發(fā)射帶主要處于520 nm處的N*熒光譜帶， 表明此時揮發(fā)的水分主要為自由水。 由于N*態(tài)具有比T*更大的介電穩(wěn)定性， 因而在自由水存在時, N*態(tài)占主導(dǎo)地位[27]。 當(dāng)丙酮以及自由水揮發(fā)接近完畢， 隨之進(jìn)入吸附態(tài)水分揮發(fā)階段。 反映在熒光光譜上， 其最大發(fā)射峰移向571 nm處的T*熒光譜帶。 因而， 571 nm處熒光發(fā)射峰的隱約出現(xiàn)表明自由水揮發(fā)即將結(jié)束， 吸附水揮發(fā)即將開始。 由于吸附態(tài)水被吸附于土壤團(tuán)粒表面， 具有降低 ESIPT過程的作用。 因此， 隨著吸附態(tài)水分的揮發(fā)， 571 nm處的T*熒光譜帶的熒光強(qiáng)度逐漸降低。 基于以上過程， 可以用于解釋熒光光譜變化與土樣中水分揮發(fā)過程中水分形態(tài)變化的關(guān)聯(lián)性。

表1是根據(jù)圖6熒光光譜變化特征列出的未加固土樣熒光特征峰轉(zhuǎn)移和穩(wěn)定時間， 從表1可以看出， 土樣吸潮時間越長， 其熒光光譜中的N*帶向T*帶轉(zhuǎn)移時間越長， 最終光譜穩(wěn)定耗時也越長。 這些結(jié)果反映了土樣中水分揮發(fā)具有以下特性： 隨著吸潮時間增加， 土樣的含水量增多， 因此， 整個水分揮發(fā)達(dá)到平衡所耗時間越長； 而自由水相對吸附水而言更容易揮發(fā)， 即在水分揮發(fā)過程中自由水優(yōu)先揮發(fā)， 隨著土樣中含水量的增加， 樣品中自由水含量也增多， 從而使土樣中自由水揮發(fā)轉(zhuǎn)向吸附水揮發(fā)所需時間增長。 這些信息可以較好反映土樣水分揮發(fā)過程中的水分形態(tài)變化特征。

圖6 不同吸潮時間下未加固土樣在線熒光檢測譜圖(a)： 土樣吸潮2 h; (b)： 土樣吸潮3.5 h; (c)： 土樣吸潮8 hFig.6 Fluorescence spectra of unconsolided soil samples with different moisture absorption time collected at different time(a)： Moisture absorption for 2 h； (b)： Moisture absorption for 3.5 h; (c): Moisture absorption for 8 h

表1 未加不同吸潮時間土樣熒光特征峰轉(zhuǎn)移時間Table 1 Time of characteristic peak shift in fluorescence spectra for unconsolidated samples at different moisture absorption time

需要指出的是， 無論自由水還是吸附水的揮發(fā)， 均會因水分揮發(fā)而使土樣表面對光的散射能力增強(qiáng)。 這與我們前期有關(guān)文物表界面結(jié)構(gòu)變化對表面光散射影響研究結(jié)果類似[28]， 土樣孔隙結(jié)構(gòu)中水分揮發(fā)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變化會使樣品表面光散射的增加， 使入射光在土樣中的光程縮短， 從而產(chǎn)生降低熒光強(qiáng)度降低的結(jié)果， 即水分揮發(fā)所引起的光散射作用變化。 盡管如此， 但可以肯定的是， FE熒光光譜中熒光特征峰的波長變化應(yīng)該歸因于水分形態(tài)變化， 因此， FE可以作為熒光探針檢測土質(zhì)文物中水分的存在形態(tài)及水分揮發(fā)過程中的水分形態(tài)變化特征。

2.3 不同時間含水加固土質(zhì)文物模擬樣熒光光譜分析

圖7為土樣經(jīng)加固處理吸潮不同時間后， 樣品中水分揮發(fā)過程中實時檢測到的熒光發(fā)射光譜圖， (a)—(c)吸潮時間依次為2， 3.5和8 h。 與圖4中未加固土樣水分揮發(fā)時熒光光譜變化特征相同的是： 吸潮后加固土樣中 FE熒光發(fā)射強(qiáng)度也先增大后減小， 發(fā)射波長從 520 nm處的短波長帶向571 nm處的長波長帶移動。 這些光譜變化與土樣中水分形態(tài)變化之間的關(guān)聯(lián)性和前面未加固樣品所述規(guī)律相同， 即熒光光譜中特征峰的移動預(yù)示著土樣中自由水揮發(fā)和吸附水揮發(fā)之間的轉(zhuǎn)換。

圖7 不同吸潮時間下加固土樣在線熒光檢測譜圖(a)： 土樣吸潮2 h; (b)： 土樣吸潮3.5 h； (c)： 土樣吸潮8 hFig.7 Fluorescence spectra of unconsolided soil samples with different moisture absorption time collected at different time(a)： Moisture absorption for 2 h； (b)： Moisture absorption for 3.5 h； (c)： Moisture absorption for 8 h

但不同的是， 與未加固土樣相比， 在吸潮時間相同條件下， 加固土樣FE熒光光譜的N*帶轉(zhuǎn)向T*帶所需時間以及熒光光譜達(dá)到平衡所需時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于未加固土樣， 加固土樣熒光光譜特征峰的轉(zhuǎn)移及光譜穩(wěn)定時間如表2所示。 同時， 比對圖6和圖7中T*譜帶隨時間變化趨勢可知， 未加固土樣相應(yīng)譜帶強(qiáng)度隨時間降低較慢， 而加固土樣相應(yīng)譜帶強(qiáng)度隨時間變化較快。 這表明加固土樣具有較強(qiáng)的水分揮發(fā)能力， 尤其對于吸附水而言， 未加固土樣吸附態(tài)水分不易揮發(fā)， 而加固土樣吸附態(tài)水分易于揮發(fā)。 從而反映了加固后的土樣具有良好的水分揮發(fā)性， 這將使土質(zhì)文物具有保持干燥狀態(tài)的優(yōu)勢， 同時對土質(zhì)文物降低水分侵蝕危害具有重大益處。

表2 不同吸潮時間加固土樣熒光特征峰轉(zhuǎn)移時間Table 2 Time of characteristic peak shift in fluorescence spectra for consolidated samples at different moisture absorption time

3 結(jié) 論

FE熒光探針擁有波段可分的雙發(fā)射波峰， 激發(fā)波長在可見光區(qū)， 避開了土壤具有強(qiáng)吸收的紫外區(qū)。 以FE為熒光探針引入土樣， 通過熒光光譜檢測， 譜圖中520及571 nm波長附近兩個熒光特征峰可分別有效指示土樣中自由水和吸附水； 通過在線檢測樣品熒光特征峰變化， 根據(jù)熒光特征峰從520 nm波長向571 nm轉(zhuǎn)移及光譜穩(wěn)定所需時間， 可考察土質(zhì)文物水分揮發(fā)過程中自由水和吸附水的揮發(fā)時間跨度， 及土體中總水分的揮發(fā)時長， 利用此方法還可以作為土質(zhì)文物透氣性和抗水分侵蝕的評價手段， 可以從更多細(xì)節(jié)上獲得土質(zhì)文物中水分揮發(fā)行為信息， 這對于土質(zhì)文物保護(hù)尤其是對于濕潤地區(qū)的土質(zhì)文物保護(hù)而言具有重要參考價值。