離子色譜法快速測定秦陵土遺址中無機陰、陽離子含量

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)彩繪文物保護國家文物局重點科研基地,西安 710600)

秦始皇帝陵是中國歷代帝王陵中規(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,是我國土遺址類文化遺產(chǎn)的重要組成部分。為了更好地保護、研究和展示這些遺址及文物,秦始皇帝陵博物院在多個遺址原址之上建造了場館,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、陵東門遺址等。無論是保存于室內(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)展機理、鹽分活動規(guī)律最為基礎(chǔ)的工作,也是國內(nèi)外學(xué)者積極探討的問題[3-4]。

常見測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、操作簡單等特點得到廣泛應(yīng)用[6]。該技術(shù)是一種可同時分析陰、陽離子和小分子極性有機化合物的一種液相色譜方法,自20世紀(jì)70年代引入中國以來便在環(huán)境監(jiān)測、食品、農(nóng)學(xué)、醫(yī)學(xué)等[7-10]多個領(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、出水文物保護及不可移動文物保護修復(fù)等多個方面[11-16]。如趙春燕[17]用電導(dǎo)檢測離子色譜法對東下馮遺址土壤中的 Cl-、NO3-、SO42-含量進行檢測;錢玲等[18]利用離子色譜法對三門峽虢季墓遺址鹽害的種類及濃度進行檢測分析,結(jié)果顯示樣品中陽離子主要為 Na+、K+、Mg2+、Ca2+,陰離子主要為 Cl-、NO3-和 SO42-,其中 SO42-的含量較高,最高可達到8.88 mg/g。邱立平等[19]通過實驗對土水比、超聲時間、分析柱溫度進行了篩選,建立了離子色譜法測定墓葬土壤5種陰離子的方法。本工作采用離子色譜法對秦陵土遺址鹽分組成、含量進行研究,比較了不同前處理條件對于測定結(jié)果的影響,提出了測定秦陵土遺址無機陰、陽離子含量的方法,并對幾處典型遺址土壤離子環(huán)境進行測試,該法可用于土遺址中常見無機陰、陽離子的快速測定。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Dionex ICS-6000離子色譜儀(賽默飛世爾科技公司,配有陰陽離子淋洗液發(fā)生器、電導(dǎo)檢測器和Chromeleon7色譜工作站,陰、陽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(湖南湘儀實驗室儀器開發(fā)有限公司),0.22 μm微孔濾膜(天津市津騰實驗設(shè)備有限公司)。

實驗中所用陰、陽離子標(biāo)準(zhǔn)溶液均自國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究所購得。實驗用水為自制超純水,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 ℃,進樣體積為25 μL。

陽離子分析色譜條件:CS12A型陽離子分析柱、CG12A型陽離子保護柱,陽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 ℃,進樣體積為25 μL。

1.3 實驗方法

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行測定。進樣前應(yīng)首先對樣品電導(dǎo)率進行評估,如若樣品電導(dǎo)率較高應(yīng)首先進行稀釋,稀釋倍數(shù)按照實際情況進行。根據(jù)保留時間對比標(biāo)準(zhǔn)溶液譜圖及標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性回歸方程對溶液中的陰、陽離子進行定性及定量分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 色譜行為

按照色譜條件分別對陰、 陽離子的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液進行測定,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。按色譜條件對其進行測定,并繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,用3倍的標(biāo)準(zhǔn)偏差計算方法檢出限。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)處理條件的不同,會對可溶鹽離子的結(jié)果造成一定影響。文獻表明[20-25],對于土壤浸提液的主要影響因素有水土比、浸提條件、浸提時間、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,對于土壤浸提液獲取的最佳實驗條件尚未有統(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試秦陵土遺址鹽含量之前需做相關(guān)試驗對前處理條件進行篩選。為探究不同影響因素對測定結(jié)果的影響程度,本研究分別設(shè)計多因素正交實驗以及單因素實驗來優(yōu)化浸提條件。

2.3.1 正交實驗篩選

超聲浸提是實驗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。前期實驗結(jié)果顯示,超聲提取比單純浸泡效率更高更穩(wěn)定,只要控制好時間與溫度即可得到較為滿意的結(jié)果,因此為了在短時間內(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),對土水比、浸提時間、浸提次數(shù)等三個因素不同水平的提取條件進行考察,采用L9(34)正交表安排實驗。因素水平見表3,對結(jié)果進行極差分析和方差分析,結(jié)果見表4。

表3 正交實驗因素水平

表4 正交實驗結(jié)果與分析

從極差分析結(jié)果來看,影響土壤浸出液含鹽量測試結(jié)果的主次順序為A>C>B,即土水比>浸提次數(shù)>浸提時間。本次實驗的最優(yōu)方案為A3B1C3,即土水比為1∶50、時間5 min、次數(shù)為3次時為最佳條件。方差分析顯示浸提時間對于實驗結(jié)果的影響不顯著,且過長時間的超聲會引起溫度的變化產(chǎn)生新的變量,因此為較穩(wěn)定地獲得易溶鹽結(jié)果,又保證前處理條件的一致性,選擇5 min作為浸提時間即可。

2.3.2 最優(yōu)條件的單因素實驗

由于正交實驗每個因素只選擇了3個水平,且土水比與浸提次數(shù)對于測試結(jié)果的影響最為顯著,因此本研究進一步對土水比、浸提次數(shù)進行控制變量的單因素實驗,以對上述結(jié)果進行驗證。

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種土水比對測定結(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,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,但各離子分布及含量經(jīng)非參數(shù)檢驗并未有顯著區(qū)別;而當(dāng)土水比小于1∶50時,Ca2+含量會呈現(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),對結(jié)果進行檢驗時發(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)的條件下對不同次數(shù)下各離子的提取效率進行考察(圖3)。對不同次數(shù)下各離子的提取效率進行考察可知,除Ca2+外,其余離子1次浸提結(jié)果可達70%以上,因此離子含量調(diào)查時可選擇浸提一次的結(jié)果進行比對,以提高實驗效率;若研究需對某一種離子,諸如Ca2+、SO42-進行全含量評估時,需對浸提條件進行重新篩選。結(jié)合實驗結(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)查的最佳測試條件為土水比1∶50,浸提時間5 min,浸提次數(shù)為1次。

圖2 各離子測定結(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 測試條件

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

表5 最佳測試條件

2.5 方法精密度

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

表6 儀器精密度

2.6 樣品分析結(jié)果

采集秦俑一號坑、二號坑、K9801陪葬坑、秦始皇陵東門遺址的土樣,按實驗方法對其進行分析,同時進行加標(biāo)回收實驗,其結(jié)果見表7。各離子加標(biāo)時以不改變基質(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、陽離子的快速測定。

表7 各遺址區(qū)陰、陽離子含量

3 結(jié)論

1)采用離子色譜法同時測定土遺址本體中的常見10種陰、陽離子的含量,通過對前處理條件的篩選、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單、測定結(jié)果可靠等優(yōu)點。

2)前處理條件的不同對于測試結(jié)果有一定影響,因此需選擇相同的前處理條件,測試結(jié)果才具備可比較性。本研究旨在對不同遺址區(qū)幾種常見陰陽離子的含量進行調(diào)查,以厘清其潛在的風(fēng)險因素,因此需要選擇較為穩(wěn)定、因素可控、干擾較少、切實可行的前處理條件。研究在正交實驗的基礎(chǔ)上進行了單因素的實驗驗證,發(fā)現(xiàn)選取土水比1∶50,超聲時間5 min,一次浸提即可反映出遺址區(qū)的含鹽程度及優(yōu)勢離子。其中土水比對于浸提結(jié)果有顯著影響,且主要對于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)。對于土壤這種復(fù)雜基質(zhì)樣品,對其前處理條件應(yīng)首先根據(jù)研究對象而進行篩選,針對不同樣品需根據(jù)研究目的首先進行前處理條件的篩選。

3)根據(jù)對秦陵不同遺址區(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,建立的方法測試條件下無法對碳酸根、硅酸根及重金屬進行測定,因此在土遺址可溶鹽調(diào)查時還需將pH值與電導(dǎo)率一并進行測試,才能全面反應(yīng)土遺址潛在風(fēng)險。

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)對土遺址可溶鹽離子的定期調(diào)查可為預(yù)防性保護閾值的設(shè)定提供思路。雖然此法樣品用量很小,但是大規(guī)模、定期取樣依舊會有影響遺址外觀形貌的風(fēng)險,因此還應(yīng)當(dāng)探索間接、無損的取樣方法,以擴大此項技術(shù)在文物領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。