邵孟茹 賈麗玲 黎 浩 洪天暢 朱恒杏 潘家榮，*

（1中國計(jì)量大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，浙江省特色農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)與危害物控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310018；2中國絲綢博物館，浙江 杭州 310002； 3浙江理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

絲綢文化是中華文明的重要組成部分，歷史上的“絲綢之路”跨越國界，橫穿歐亞大陸，在古代東西方的政治、經(jīng)濟(jì)、文化和民族交流中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，這條古貿(mào)易之路也因西運(yùn)絲綢制品的巨大影響力而得名。在不同的文化時(shí)期，絲綢的風(fēng)格也不盡相同，這在一定程度上為考古學(xué)提供了線索［1-2］。在眾多出土文物中，絲綢制品是其中非常重要的一部分，然而僅根據(jù)絲綢文物的紡織工藝、色彩、圖案等特點(diǎn)追溯它的時(shí)代、產(chǎn)地來源往往受到多種因素的干擾，且無法提供精密可靠的數(shù)據(jù)來證實(shí)分析的結(jié)果。

穩(wěn)定同位素技術(shù)可準(zhǔn)確、精密地測(cè)定物質(zhì)中的穩(wěn)定同位素比值，近年來被廣泛運(yùn)用于產(chǎn)品溯源、考古學(xué)等方面的研究。該技術(shù)可為一些農(nóng)林產(chǎn)品，如水果［3］、水稻［4］、牛奶［5］、肉類［6］等的溯源研究提供精密可靠的數(shù)據(jù)。王默涵等［7］檢測(cè)并分析了5 個(gè)省份的牛奶樣品，開發(fā)了一種基于穩(wěn)定同位素和礦物元素的牛奶產(chǎn)地溯源技術(shù)，原始整體判別率為100%，交叉驗(yàn)證的正確判別率達(dá)到96%。Liu等［8］測(cè)定了不同地區(qū)、不同部位的小麥全麥粉、研磨部分和提取物的δ13C 值與δ15N值，發(fā)現(xiàn)不同研磨部位和提取物的δ13C值差異顯著，不同地域采集的小麥及其研磨制品的δ15N 值差異顯著。Von Holstein 等［9］將不同遺址出土的古代羊毛角蛋白、骨膠原與現(xiàn)代羊毛進(jìn)行對(duì)比，測(cè)定了樣品的δ13C、δ15N和δ2H 值，實(shí)現(xiàn)了利用輕質(zhì)穩(wěn)定同位素對(duì)羊毛紡織品進(jìn)行產(chǎn)地溯源，且發(fā)現(xiàn)缺氧浸水環(huán)境不會(huì)對(duì)羊毛角蛋白的同位素組成造成顯著影響。韓麗華［10］對(duì)比分析了不同地區(qū)的蠶繭、生絲、桑葉、水質(zhì)的δ13C、δ15N、δ2H、δ18O 值，初步探究了穩(wěn)定同位素技術(shù)在絲織物溯源領(lǐng)域的應(yīng)用；Liu 等［11］通過調(diào)查中國7 個(gè)省份蠶繭的87Sr/86Sr值，確定了它們的地域性差異，并發(fā)現(xiàn)87Sr/86Sr值與采樣地點(diǎn)的土壤類型有關(guān)，表明Sr 同位素比值的分析可作為蠶繭產(chǎn)地溯源的有力工具。此外，穩(wěn)定同位素技術(shù)在考古學(xué)領(lǐng)域也得到了廣泛運(yùn)用，如陳松濤［12］通過測(cè)定不同遺址出土的人骨中的碳、氮同位素比值研究了古人的食譜；李楠等［13］也對(duì)周公廟遺址出土的人和動(dòng)物骨骼進(jìn)行了穩(wěn)定同位素分析，研究了商周時(shí)期人們的生活方式、飲食文化等。

輕重穩(wěn)定同位素的熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)參數(shù)，如物理化學(xué)性質(zhì)、鍵能等會(huì)存在一定的差異，這些差異促使其在一些物理變化或化學(xué)反應(yīng)中發(fā)生分餾效應(yīng)［14-15］，因而不同物質(zhì)會(huì)形成不同的同位素豐度。分餾效應(yīng)可分為兩大類，一類是營養(yǎng)分餾，主要與生物的新陳代謝有關(guān)，如呼吸、攝食、排泄等；另一類是自然分餾，伴隨著物理或化學(xué)過程，如氮元素的揮發(fā)、硝化等［16］。不同的加工方式或生產(chǎn)階段可能會(huì)給產(chǎn)品帶來不同的理化環(huán)境，從而影響產(chǎn)品的穩(wěn)定同位素比值，如王道兵等［17］分析了花生油生產(chǎn)過程中穩(wěn)定同位素比值的變化情況，發(fā)現(xiàn)碳同位素比值并未受到影響；劉志等［18］利用溫度、過程各不相同的5 種烘干方式處理西湖龍井茶葉，發(fā)現(xiàn)茶葉中的δ13C、δ15N、δ18O 3 種穩(wěn)定同位素比率變化程度極低，而δ2H值變化較明顯；申雪等［19］探究了葡萄酒發(fā)酵前后穩(wěn)定同位素的差異，發(fā)現(xiàn)不同發(fā)酵階段樣品中的δ15N、δ2H和δ18O值均存在顯著性差異。

中國傳統(tǒng)絲綢通常是以蠶絲為原料，制作工藝相對(duì)復(fù)雜，包括取繭、繅絲、脫膠、紡織、染色、印花等步驟［20］。在古代，人們多采用天然植物染料對(duì)絲織物進(jìn)行染色［21］，包括茜草、靛藍(lán)、黃柏、紫草、蘇木、梔子等。對(duì)絲綢、絲織文物等樣品進(jìn)行相關(guān)穩(wěn)定同位素的測(cè)定時(shí)，染料的附著可能會(huì)對(duì)測(cè)定結(jié)果造成干擾；此外，出土的絲織文物由于長期埋藏于地下，受到土壤中酸、堿、微生物等的損壞，出土后又受到光和其他各種因素的作用，其老化速度可能加快［22］。韓麗華等［23］利用不同產(chǎn)區(qū)的茜草對(duì)絲織物進(jìn)行染色，發(fā)現(xiàn)織物的H、O、Sr 3 種元素的重同位素比值均發(fā)生了顯著變化。為了深入探索染色工藝對(duì)絲織品穩(wěn)定同位素比值的影響，本研究利用茜草等5 種植物染料對(duì)桑蠶絲綢進(jìn)行染色與剝色處理，以探究染色工藝對(duì)絲綢中δ13C、δ15N 2 種穩(wěn)定同位素比值測(cè)定的影響，有助于制定貼合實(shí)際的絲綢前處理方法；同時(shí)，對(duì)絲綢進(jìn)行多種因素的老化模擬，探究老化過程對(duì)絲綢穩(wěn)定同位素比值的影響程度，旨在為古代絲綢文物的溯源鑒定提供參考，有望模擬古絲綢進(jìn)行考古研究。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

1.1.1 材料 桑蠶真絲電力紡絲綢（市售），茜草根、紫草根、黃柏皮、蘇木條、梔子果（市售）。

1.1.2 試劑 乙酸、明礬、無水乙醇、氫氧化鈉、硫代硫酸鈉，分析純，均購自上海麥克林生化科技有限公司；氨水，分析純，浙江騰宇新材料科技有限公司；碳酸鉀，分析純，無錫市展望化工試劑有限公司；穩(wěn)定同位素測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)品：IAEA-CH-7、IAEA-310，國際原子能機(jī)構(gòu)。

1.2 儀器

LED燈管（40 cm，白光，8 W，慈溪市公牛電器有限公司）；紫外燈管（31 cm，365 nm，8 W，東莞市川谷照明科技有限公司）；MAT 253 穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀、Flash 2000 HT 元素分析儀，美國Thermo Fisher Scientific公司。

1.3 樣品制備

1.3.1 染色與剝色 茜草：設(shè)置茜草與蒸餾水的料液比為1∶20，滴加乙酸使?jié)舛冗_(dá)到0.1%，煮沸后保持30 min，碳酸鉀溶液調(diào)節(jié)染液至中性，過濾后得茜草染液，剪取100 mm×100 mm 大小絲綢樣品浸入染液煮染30 min，取出后0.5%明礬溶液媒染30 min，洗凈，70 ℃烘干；紫草：設(shè)置紫草與95%酒精的料液比為3∶20，40 ℃水浴90 min，過濾后得紫草染液，剪取100 mm×100 mm大小絲綢樣品浸入染液，加入氯化鈉（10 g·L-1），70 ℃浴染60 min，明礬媒染30 min，洗凈，70 ℃烘干；黃柏：設(shè)置黃柏與蒸餾水的料液比為1∶40，碳酸鉀溶液調(diào)節(jié)染液pH 值至9，煮沸后保持60 min，重復(fù)萃取2次，疊加后調(diào)節(jié)pH值至7，得黃柏染液，剪取100 mm×100 mm 大小絲綢樣品浸入染液，50 ℃浴染45 min，洗凈，70 ℃烘干；蘇木：同黃柏法；梔子：萃取同黃柏法，染色溫度為80 ℃，pH 值5，時(shí)長35 min。剝色：染色絲綢均采用80%乙酸剝色，95 ℃剝色30 min，洗凈，重復(fù)2次，70 ℃烘干。

1.3.2 光、熱老化 選取空白絲綢分別置入光、熱老化裝置進(jìn)行老化處理，其中熱老化溫度為100 ℃，紫外光老化照度約33 Lx（365 nm），LED 光老化照度約26 Lx，老化周期30 d，間隔5 d 取樣一次；根據(jù)以上老化的結(jié)果，并結(jié)合前人研究情況［24-25］，將溫度提高至200～260 ℃，溫度梯度為20 ℃，對(duì)空白及多種染料處理后的絲綢再次進(jìn)行熱老化處理，設(shè)置老化周期為2 h，時(shí)間梯度為0.5 h。

1.3.3 酸、堿老化 將空白絲綢分別置于飽和氨水溶液、95%乙酸進(jìn)行老化處理，以蒸餾水為對(duì)照，老化周期30 d，間隔5 d取樣一次。

1.4 δ13C、δ15N穩(wěn)定同位素比值的測(cè)定

用無塵紙蘸取無水酒精（分析純）擦拭包樣工具；剪取2 mm×1 mm大小絲綢樣品于錫杯（3.3 mm×5 mm）中封嚴(yán)，通過自動(dòng)進(jìn)樣器進(jìn)入元素分析儀，參考?xì)鉃镃O2和N2，設(shè)置燃燒爐溫度為960 ℃，色譜柱溫度為50 ℃，氦氣吹掃流速為100 mL·min-1，在此條件下樣品中的碳元素和氮元素轉(zhuǎn)化為純凈的CO2和N2，經(jīng)氦氣稀釋后進(jìn)入同位素比質(zhì)譜儀檢測(cè)。選用標(biāo)準(zhǔn)品IAEACH-7（δ13C=-32.151‰）、IAEA-310（δ15N=47.200‰）對(duì)樣品測(cè)試結(jié)果進(jìn)行校正，每批樣本試驗(yàn)應(yīng)間斷性插入標(biāo)準(zhǔn)品測(cè)試，C、N 穩(wěn)定同位素標(biāo)準(zhǔn)品的同位素比值數(shù)據(jù)偏差應(yīng)保持在0.5‰以下，當(dāng)偏差大于0.5‰時(shí)，應(yīng)排查儀器運(yùn)行情況。

為保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，在測(cè)定新樣品之前應(yīng)先進(jìn)行預(yù)測(cè)定，以判定取樣量，一般為0.2 mg 左右。穩(wěn)定同位素測(cè)定過程中每隔12 個(gè)樣品插入1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)品，每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定3次后取平均值，按照公式計(jì)算穩(wěn)定同位素比值：

式中，R樣品為待測(cè)樣品中某種元素的重同位素與輕同位素豐度之比，即13C/12C、15N/14N；R標(biāo)準(zhǔn)為標(biāo)準(zhǔn)品中重同位素與輕同位素豐度之比，其中δ13C、δ15N 的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)為V-PDB。

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 26.0 軟件進(jìn)行單因素方差分析，成對(duì)樣本t檢驗(yàn)。采用GraphPadPrism 8 （GraphPad Software）進(jìn)行圖型分析與繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 老化因素對(duì)絲綢中穩(wěn)定同位素的影響

2.1.1 光、熱處理對(duì)絲綢中穩(wěn)定同位素的影響 對(duì)光、熱處理的絲綢中的δ13C、δ15N 值進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果見圖1。利用100 ℃熱、LED 光以及UV 光對(duì)空白絲綢進(jìn)行老化處理，與對(duì)照組（第0 天）相比，絲綢中的δ13C 值波動(dòng)較小，均不超過0.5 個(gè)千分點(diǎn)，δ15N 值整體均呈緩慢上升的趨勢(shì)；LED 燈光照射后的絲綢中δ13C最大變幅為0.3個(gè)千分點(diǎn)，δ15N 最大變幅為0.3個(gè)千分點(diǎn)，UV 光照射后的絲綢中的δ13C 最大變幅為0.3 個(gè)千分點(diǎn)，δ15N 最大變幅為0.5 個(gè)千分點(diǎn)；100 ℃熱老化的絲綢δ13C 最大變幅為0.4個(gè)千分點(diǎn)，δ15N 值在第5天上升了1.1個(gè)千分點(diǎn)，在第10天降低，之后趨于平穩(wěn)。

圖1 光、熱處理后絲綢中的δ13C、δ15N變化曲線Fig.1 The changes of δ13C，δ15N in silk fabrics after light or heat treatments

將空白絲綢分別置于200、220、240、260 ℃的溫度下進(jìn)行熱老化處理。由表1 可知，當(dāng)溫度處于200 和220 ℃時(shí)，空白絲綢中的13C、15N 均隨處理時(shí)間的延長呈現(xiàn)小幅貧化，δ13C 平均值變化范圍為-27.1‰～-26.4‰，δ15N 平均值變化范圍為3.3‰～3.9‰；240 ℃時(shí)，13C 整體仍發(fā)生貧化，15N 則先貧化后富集，逐漸高于空白對(duì)照組；260 ℃時(shí)，13C、15N 均呈現(xiàn)富集效應(yīng)，δ13C平均值變化范圍為-26.4‰～-26.0‰，δ15N平均值變化范圍為3.9‰～7.5‰，最大變幅為3.6 個(gè)千分點(diǎn)。δ13C值隨著處理時(shí)間的增長而逐漸平穩(wěn)，而δ15N 值在240和260 ℃溫度下則隨著時(shí)間延長呈上升趨勢(shì)。對(duì)熱處理的絲綢中的δ13C、δ15N 值進(jìn)行單因素方差分析，200 ℃熱處理的絲綢δ15N 值并未因老化時(shí)間的不同出現(xiàn)顯著性差異，但其他組別的一些同位素比值間均存在顯著性差異。

表1 高溫老化后空白絲綢中的δ13C、δ15N值Table 1 The results of δ13C，δ15N in silk fabrics after high temperature aging

2.1.2 酸、堿熱處理對(duì)絲綢中穩(wěn)定同位素的影響 對(duì)酸、堿處理的絲綢中的δ13C、δ15N 值進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果見圖2。δ13C值分布比較集中，與對(duì)照組相比，未呈現(xiàn)較大的變化，但在第25 天時(shí)，蒸餾水老化的絲綢中δ13C 值出現(xiàn)了較明顯的上升，上升了0.7 個(gè)千分點(diǎn)，在第30 天時(shí)，比值有一定下降。幾組絲綢中的δ15N 值整體呈上升趨勢(shì)，乙酸組的最大變幅為1.7 個(gè)千分點(diǎn)，氨水組的最大變幅為0.6個(gè)千分點(diǎn)。

圖2 酸、堿處理后絲綢中的δ13C、δ15N值變化曲線Fig.2 The changes of δ13C，δ15N in silk fabrics after acid and alkali treatments

2.2 染色對(duì)絲綢中穩(wěn)定同位素的影響

選取一種空白絲綢，利用多種染料對(duì)其進(jìn)行染色與剝色處理，對(duì)絲綢的δ13C、δ15N 值進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果見表2。與空白絲綢相比，經(jīng)過植物染料處理后的絲綢中，13C 均發(fā)生了小幅度的貧化，貧化幅度約0.5 個(gè)千分點(diǎn)；除了黃柏組外，其他組別絲綢的15N 也普遍發(fā)生了較明顯的貧化，尤其是茜草染色后，絲綢δ15N 值平均降低了1.3 個(gè)千分點(diǎn)。經(jīng)過剝色處理，茜草組的絲綢中δ13C 值平均恢復(fù)了0.4 個(gè)千分點(diǎn)，δ15N值平均恢復(fù)了1.2 個(gè)千分點(diǎn)，黃柏、梔子、蘇木、紫草組的δ13C 值及市售染色、梔子組的δ15N 值也呈現(xiàn)小幅度的恢復(fù)。幾種植物染料染色后的絲綢δ13C值間未呈現(xiàn)顯著性差異，而空白絲綢、市售盲樣兩者與染色絲綢間存在顯著性差異，經(jīng)剝色后，顯著性差異消除；而染色后一些絲綢的δ15N 值之間出現(xiàn)了顯著性差異，剝色后并未消除。

表2 染色及剝色后絲綢中的δ13C、δ15N值Table 2 The results of δ13C，δ15N in dyed and sripped silk

2.3 染色對(duì)絲綢熱老化過程中穩(wěn)定同位素比值的影響

高溫老化對(duì)染色絲綢穩(wěn)定同位素的影響如圖3 所示。與空白絲綢相比，經(jīng)過染色處理的絲綢中13C在老化過程中同樣未發(fā)生較大的富集效應(yīng)，但較高溫度下的δ13C 值普遍高于較低溫度，染色類絲綢的δ13C 值總體變化范圍為-27.3‰～-25.9‰，剝色類絲綢的總體變化范圍為-27.0‰～-26.0‰。15N則出現(xiàn)了明顯的富集效應(yīng)，染色類絲綢的δ15N 值總體變化范圍為2.6‰～7.6‰，剝色類絲綢的總體變化范圍為2.9‰～7.9‰；其中蘇木染色組的富集程度偏低，而黃柏染色組在200 ℃就發(fā)生了較明顯的富集。由此可見，不同染料對(duì)絲綢的老化過程存在不同程度的影響。

圖3 高溫老化后染色與剝色絲綢中的δ13C、δ15N值變化Fig.3 Changes of δ13C，δ15N in dyed and stripped silk fabrics after high temperature aging

分別對(duì)染色、剝色后的兩類絲綢的δ13C 值和δ15N值進(jìn)行成對(duì)樣本T 檢驗(yàn)，結(jié)果如表3 顯示。老化前的染色與剝色絲綢中的兩種穩(wěn)定同位素比值均不存在顯著配對(duì)相關(guān)性，兩者的穩(wěn)定同位素比值間均不存在顯著差異性；老化后，兩類絲綢的δ13C 值、δ15N 值間均出現(xiàn)顯著配對(duì)相關(guān)性，且δ13C值間出現(xiàn)顯著差異性。

3 討論

本研究利用茜草、紫草、黃柏等天然植物染料對(duì)絲綢進(jìn)行染色與剝色處理，并利用光、熱、酸堿溶液對(duì)絲綢進(jìn)行老化處理，結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)，探究了影響絲綢中δ13C、δ15N 穩(wěn)定同位素比值的因素。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，多種模擬老化處理的絲綢樣本中，δ15N 值大多發(fā)生了明顯的變化，而δ13C 值波動(dòng)幅度普遍較小。韓麗華等［24］在絲綢老化研究中發(fā)現(xiàn)，120 ℃的熱老化對(duì)δ13C 值未造成明顯影響，本試驗(yàn)中，隨著老化溫度的升高、老化時(shí)間的延長，絲綢中的δ13C值同樣未呈現(xiàn)較大變化，最大變幅不超過1 個(gè)千分點(diǎn)，而δ15N 值整體呈現(xiàn)較大幅度的富集；酸、堿處理的絲綢中δ13C 值在第20 天后出現(xiàn)了小幅度的先升后降趨勢(shì)，但整體相對(duì)穩(wěn)定，與前人做過的酸堿老化結(jié)果相似［26-27］；δ15N則變幅較大，出現(xiàn)了較雜亂的起伏，整體呈富集狀態(tài)。LED 光與紫外光處理后，絲綢的δ13C 值均未發(fā)生明顯變化，δ15N 值在第10天逐漸升高。根據(jù)同位素效應(yīng)推測(cè)，溫度、酸堿液體、光照等條件的變化可能促使絲綢與環(huán)境中的氣體發(fā)生同位素交換反應(yīng)，從而使得絲綢中的13C、15N 得以貧化或富集，但影響程度卻不盡相同，該過程可能與絲綢與環(huán)境間的分餾系數(shù)的改變有關(guān)［28］，后續(xù)可調(diào)整光的種類、波長、強(qiáng)度等變量，結(jié)合更多檢測(cè)手段，深入探究影響絲綢穩(wěn)定同位素比值的具體原因。本研究模擬老化結(jié)果表明，進(jìn)行13C、15N 穩(wěn)定同位素的測(cè)定前，可利用較溫和的光照、溫度或蒸餾水等對(duì)絲綢進(jìn)行短時(shí)間的消毒、清洗等處理，但應(yīng)盡量避免暴露于高溫、酸堿等較極端的環(huán)境中。

植物染料處理后的絲綢中15N、13C 均發(fā)生了貧化，15N 貧化程度相對(duì)偏高；經(jīng)過剝色處理，大部分絲綢中的δ13C值和δ15N值發(fā)生了一定的恢復(fù)。本研究所采用的幾種植物染料的色素分子均存在多個(gè)閉環(huán)碳骨架，除黃柏色素分子中含有一個(gè)氮原子外，其他色素分子均不存在氮原子［29］。分析認(rèn)為，在絲綢染色過程中，穩(wěn)定同位素會(huì)在絲綢與染液間發(fā)生再分配而導(dǎo)致比值變化；同時(shí)，由于試驗(yàn)所采用的植物色素分子及其雜質(zhì)中的重同位素比值與絲綢樣本不同，色素分子和雜質(zhì)附著在絲素纖維上會(huì)干擾測(cè)定結(jié)果。因此，后續(xù)研究應(yīng)將色素分子及雜質(zhì)盡可能地剝離后再進(jìn)行測(cè)定，以保證準(zhǔn)確獲得該絲綢的穩(wěn)定同位素含量。對(duì)染色及剝色后的絲綢進(jìn)行熱老化處理，與老化前相比，染色與剝色絲綢中的δ13C 值出現(xiàn)了顯著性差異，空白、染色、剝色絲綢的穩(wěn)定同位素變化趨勢(shì)總體相似，說明染料的附著對(duì)絲綢的老化進(jìn)程影響較小。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，高溫、光照、酸堿液體幾類老化因素對(duì)絲綢的δ13C值影響較低，無明顯規(guī)律性；LED 燈光、紫外光照射促使δ15N值整體上升；蒸餾水、濃氨水、乙酸長時(shí)間處理后的絲綢中δ15N 值出現(xiàn)了雜亂的變化，其中乙酸對(duì)其影響程度最大；高溫條件促使絲綢中15N 發(fā)生明顯富集，且時(shí)間越久影響程度越大；染色可促使絲綢的兩種同位素發(fā)生貧化，在剝色后呈現(xiàn)一定恢復(fù)。因此，強(qiáng)光、高溫、液體物質(zhì)的長時(shí)間處理及染色會(huì)影響絲綢同位素比值；剝色處理可降低染料及雜質(zhì)對(duì)絲綢測(cè)定結(jié)果的干擾。