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 激光解析质谱在分析古代生漆上的应用
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作者：容波 周铁
张志军
来源：《秦陵秦俑研究动态》
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一、引言
生漆是一种油/水性乳液，树胶质溶解在分散于油相中的液滴里。生漆直接涂刷后，在空气中发生固化反应。漆酚聚合，水分蒸发，残留下来的树胶质分散在聚合漆酚相中。其原始状态部分溶解于丙酮中，聚合后变得较硬，且难溶于水。由于它由许多大分子及高分子量物质组成，因此一般性的分光光谱仪很难检测、鉴定其主要物质成分。而一般对于大分子以及高分子量的物质进行成分分析，要求必须在溶液中进行，特别是深埋地下数千年已完全老化的生漆，分析起来格外困难。因此到目前为止，对于生漆进行分析研究仅限于裂解气相色谱技术。
1995年文物保护工作者曾运用裂解气相色谱分析秦俑底层--生漆。通过高温加热释放出能量，裂解生漆聚合物中的化学键，使之断裂后进行热解气相色谱分析其主要成分。在此过程中，样品处于加热状态中，生漆内部已裂解的碎片，其大分子侧链上将会发生反应。离子态的气相色谱未与红外或质谱仪连接，从而使进一步分析相当困难。
二、实验
1.原理
质谱仪属于气相离子分离的一种分析仪器，离子运动环境为真空，在高真空条件下完成气相离子分离，样品气体分子通过进样系统进入一定真空度下的离子源，在离子源内将试样分子转化为样品离子，然后在进入到质量分析器中。在此使用的离子源为激光解析电离源，它是一种结构简单、灵敏度高的电离源。脉冲激光束经过平面镜和透镜系统后，照射到由不锈钢或玻璃制成的、安装在直接插入探头的顶部的样品靶上，有机物制成溶液后经此涂在样品靶上，由进样杆直接推入离子源。后窗用来观察样品靶和激光束位置，有机物分子在激光照射下开始解析。
1975年德国教授F.Hillenkamp将激光解析电离源与瞬时记录谱图的飞行时间质谱仪(TOP-MS)
结合起来，用以分析蛋白质和多肽。1988年他又将底物引入激光解析电离源，提出了基体辅助激光解析质谱(MALDI+LDMS)大大提高了分析灵敏度和选择性，成为分析生物分子和大分子蛋白质的最有效的工具之一，实现了生物大分子分析的重大突破。
气相色谱仪、质谱仪、计算机和GC与MS之间的中间连接装置--接口四大件组成。气相色谱仪是混合样品的组分分离器，接口是样品的组分的传输线和GC、MS两机工作流量或气压的匹配器；质谱是试样组分的鉴定器，计算机是整机工作的指挥器、数据处理器、分析结果输出器。
气相色谱仪的功能是将多组分化合物分离成单组分化合物，样品从进样系统进样后，在载体的带动下，分流或不分流地流入一定温度程序控制下的气相色谱柱，根据样品在流动相和固定相上的分配系数不同使混合物各组分在色谱柱内具有不同的流速而分离，最后随载气从色谱柱上流出。然后，进入检测器检测，不同组分引起检测器的不同响应。记录仪记录检测器响应值随时间的变化，获得了一次混合物进样的气相色谱图。简而言之，气相色谱是质谱的样品预处理器，质谱则是气相色谱的检测器。
2.方法
激光脉冲进入样品，使之加速形成离子态的碎片，样品物质被分散在一种易升华、易吸收激光能量的材料中。在样品碎片快速挥发过程中，离子态在解析卷流中形成。
MALDI形成绝大多数高分子碎片。对于激光解析，实验条件为：XeCl激态原子，激光LPX-100λ(激光波长308nm，30ns脉冲振幅)。
在进行测试的基体材料中，5甲氧基-水杨酸结果较好。将粉末状的漆样完全与固体基体样本
相混合，使其浓度近似为1-2%(体积比)，混合物样品形成一个薄层，放入质谱仪进行分析，结果发现：样品谱图和基体谱图重叠程度很高，对其进行分离非常困难，因此单独使用MALDI无法得到每一个样品的特征谱图。
选用没有基体的进行实验，这种方法称为激光解析质谱。对于LDMS可观察到较小的碎片在生漆中；对于MALDI，可以观察到质量更大的碎片，吸收过程温和，产生的热裂解应力更小。
在激光解析中，由于波长为308纳米的激光脉冲很强的能量，聚合链可以被断开。激光脉冲持续进行时间仅仅30ns(30×10-9秒)。生漆的热裂解应力被减至最小，实验在真空仓中进行，碎片与氧气不交换，质谱仅仅显示了峰值，相比较刚刚描述的热解气相色谱，LDMS这种方法可以在15分钟内完成。测试谱图超过100个记录信号，且可保证谱图即为所做样品的调查。展示了样品在LDMS实验中高收缩峰的谱图。
质谱被转换成另外一种指纹区图示，通过解谱可以比较清晰的进行分析生漆样品。
3.过程
1998年对秦俑二号坑出土的彩绘陶俑表面层分析中，采用了激光解析质谱分析法。这是首次应用此法对古代生漆进行调查研究。选取5个不同时期的生漆样品(战国时期、秦代、汉代、唐代、南宋)，通过激光解析质谱进行研究。
战国时期的生漆样本：可以检测出邻苯二酚和C1-C14侧链的长度，特征峰出现在C7和C11。
秦代生漆样本：可以检测出邻苯二酚和C1-C17，其中，C6侧链是显著峰。
汉代生漆样本：可以明显在谱图中检测出C1-C13侧链，C11和C13是显著峰。
唐代生漆样本：可以检测出C1-C17的侧链上的邻苯二酚。
宋代生漆样本：在C1-C10邻苯二酚侧链上可以检测出质谱谱图的吸收峰，特征峰出现在C7。
三、结果与讨论
实验结论显示了3种2羟基-苯酚在不同侧链上长度的分布，同时也决定了是否生漆是由东亚漆树或其它生漆树种的汁液所构成的。
在实际中，激光解析质谱是一种可迅速得到生漆谱图的分析方法，且不需要进一步制备样品，甚至可以直接将文物样品放入进样仓，仅仅几分钟时间就可得到其谱图，通过解谱可以知道究竟是虫胶或生漆。
激光解析质谱可以作为热解气相色谱的一种替代，两种方法在质谱中所包含的信息是相似的，但是不确定。所以，这两种分析方法的选择取决于利用质谱分析古代生漆所想要获取的信息。
(作者：秦俑馆保管部研究人员)
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