FE荧光探针在线检测土质文物中水分形态及其挥发行为

郑丽珍， 程 聪， 马文华， 王卓睿， 胡道道*

1. 西安文理学院历史文化旅游学院， 陕西 西安 710065 2. 陕西师范大学材料科学与工程学院， 陕西 西安 710119

引 言

土质文物大多暴露于室外环境， 很多病害的产生都与水的侵蚀有关[1-6]， 而不同形态水在挥发过程中对文物的影响机制不同。 在含水量相同条件下， 自由水能够快速挥发从土体离开， 产生盐害可能性较小， 能够保持土质文物干燥状态， 从而有利于土质文物的防风化； 而对于吸附水而言， 水分吸附在高分子上可以导致其理化性质的显著改变， 从而影响其机械性能并出现其他问题， 比如粘附力降低， 化学老化和膨胀等[7-12]， 同理， 土壤颗粒表面吸附的吸附水也会使其机械程度降低， 使可溶盐运移至土壤表面， 产生盐害病害。 因此， 吸附水较多， 文物土体透气性较差， 不易干燥， 更易于产生盐害及微生物病害[13]， 使文物机械强度降低， 影响文物长久保存。 此外， 水分对文物土体的破坏还有其他多种途径， 土体水中含有过多的溶盐， 反复结晶-溶解收缩-结晶膨胀则会使土体墙基发生酥粉及淘蚀凹进， 甚至倾斜[14-16]； 土体中纯水的反复冻融作用也会使文物墙体的强度降低。

根据文献报道， 土壤水分测定方法有烘干称重法、 电阻法、 时域反射仪法(TDR)、 中子仪法、 热分析法等方法[17-19]， 但该类方法均为宏观水平测量， 且存在对于微量水含量的测定灵敏度低， 无法区分不同形态水等弊端。 尽管， 水在土壤中的流动可以通过荧光追踪的方式确定其流动路径[20]。 但有关基于荧光光谱的水形态分析还未见报道。 因此， 建立基于荧光探针法确定土壤微量水形态识别及含量变化具有重要应用价值。

由于土质文物是多孔结构材料， 其中的水分有自由水和吸附水之分， 这两种不同形态水的极性存在较大差异。 以FE(4’-二乙氨基-3-羟基黄酮)为荧光探针检测土质文物中不同形态水， 从原理上而言具有一定可行性。 如图1所示， FE在进行分子内质子转移的过程中可以表现出四种形态。 分别为正常基态(N), 正常激发态(N*)， 异构体激发态(T*)(T*态只能从N*态激发得到)和异构基态(T*态形成的亚稳状态)。 这四种形态可在微环境下进行不同的电荷分布及转换[21-23]。 因而， 该双发射波长的探针分子其分子内质子转移对溶剂的极性及氢键作用具有高度敏感性， 同时， FE具有较长的激发波长， 具有较高的荧光发射性能， 且荧光特征峰在波长尺度上具有良好的分辨性， 特征峰在可见光区还避免了土样因紫外吸收而降低其荧光发射。 该方法在线跟踪检测非常灵敏， 响应迅速， 可识别土质文物中不同形态水。 尤其对于土质文物加固前后， 因土壤孔隙结构分布改变引起土体中不同形态水的比例改变情况下， 通过FE检测加固前后不同形态水挥发行为特征可评价加固性能是否对土体透气性和防水侵蚀能力方面具有改善作用。

图1 FE分子内质子转移示意图Fig.1 The diagram of intramolecular proton transfer of FE

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

试剂： 邻羟基苯(分析纯， 海博研生物科技有限公司)， 乙酮对二乙胺基苯甲醛(分析纯， 上海博研生物科技有限公司)， 过氧化氢(分析纯， 国药集团化学试剂有限公司)， 无水乙醇(分析纯， 国药集团化学试剂有限公司)， 氢氧化钾(分析纯, 西安化学试剂厂)， 硅胶G， 乙酸乙酯， 环己烷(分析纯， 国药集团化学试剂有限公司)， 丙酮(分析纯， 洛阳昊华化学试剂有限公司)， 氢氧化钠(分析纯， 国药集团化学试剂有限公司)， 浓盐酸(36%～38%， 分析纯， 西安化学试剂厂)， 正硅酸乙酯(分析纯， 天津市大茂化学试剂厂)， 实验用水均为二次蒸馏水， 所有试剂使用前未经任何处理。

仪器： F-7000型荧光-分光光度计(日立高新技术公司， 荧光检测时入射狭缝和出射狭缝=5 nm), WFH-204B手提式紫外灯(上海精科实业有限公司， 含有254和365 nm两个检测波段)。

1.2 FE荧光探针的合成

在250 mL的圆底烧瓶中依次加入6.801 4 g邻羟基苯乙酮， 10.600 g对二乙胺基苯甲醛， 75 mL无水乙醇和15 mL 50%KOH溶液， 加热搅拌回流1 h， 放置过夜。 然后倒入150 mL二次水中， 并用盐酸中和， 使其冷却， 降温， 析出沉淀。 将沉淀过滤， 真空干燥后获得查尔酮。 在含有50 mL无水乙醇的150 mL圆底烧瓶中加入1.5 g上述合成的查尔酮， 继而在强烈搅拌下缓慢加入5 mL 20% NaOH溶液， 再在0.5 h内小心加入18 mL 15%过氧化氢溶液。 反应混合物在30 ℃下搅拌3.5 h。 再倒入100 mL二次水中， 用盐酸中和， 并使其冷却， 降温， 析出沉淀。 将沉淀过滤， 用二次水洗涤三次， 自然干燥后得到荧光物质FE。 然后， 以丙酮为溶剂， 配制成0.02 g·L-1FE的丙酮溶液。 以上FE化学反应过程如图2所示。

图2 EF荧光探针的合成Fig.2 Synthesis of EF

1.3 FE荧光探针的表征

以硅胶G薄层色谱板作为固定相， 乙酸乙酯和环己烷混合作为流动相， 将合成FE点于色谱板上(色谱板上平行点两个FE样)在365 nm波长紫外灯下进行检视。 取所合成FE 0.001 g于100 mL烧杯中， 用丙酮溶解， 并转移到1 000 mL容量瓶中， 定容， 配成10-3g·L-1FE的丙酮溶液。 量取3 mL该溶液并转入1 cm石英四通比色皿中， 使用F-7000型荧光分光光度计测定体系的荧光发射光谱及荧光激发光谱。

1.4 含水模拟土样制备

从地下9 m深处取土， 自然条件下将原始土晾干并去除杂质， 用粉碎机将其粉碎， 对粉碎过的土用电动筛子过60～80目筛， 获得粒径在180～250 μm范围的土样。 取0.80 g土样， 加入到直径10 mm的模具中， 用粉末压片机压制成圆柱状土块， 得到模拟土样， 如图3所示。 以正硅酸乙酯水解缩合溶液为加固剂对模拟土样进行加固， 获得加固土样。 为检测加固和加固土样中水分存在形态及不同形态水挥发行为特征， 分别将两种土样放于水蒸气容器中进行吸潮， 从而获得含有水分的未加固土样和加固土样。

图3 模拟土样照片Fig.3 Photograph of simulated soil sample

1.5 在线检测土样荧光光谱

将200 μL FE的丙酮溶液(0.02 g·L-1)分别引入到上述含水的未加固和加固土质文物模拟样中， 测定不同时间土样荧光发射光谱。

2 结果与讨论

2.1 合成FE荧光探针的薄层色谱和荧光光谱分析

图4是紫外灯365 nm下的检视照片， 可以看出， 硅板上平行点的两个FE样品均呈单一点显示， 说明合成FE荧光探针的纯度较好。 以400 nm作为激发波长， 使用F-7000型荧光分光光度计检测体系的荧光发射光谱， 得到两个发射波长， 分别在501和571 nm， 并且这两个特征峰在N*波段(500～520 nm)和T*(565～570 nm)波段范围内； 再以501和571 nm分别作为其分析波长， 获得其激发光谱， 得到激发波长均在400 nm处， 这与文献中所报道的出峰位置一致[24-25]， 其荧光测试光谱如图5所示。 荧光光谱结果表明， FE具有明显的双发射波长并均为高度激发的特性， 且其谱带在该波长范围内是可以区分开的。 该双发射波长对极性具有高度敏感性， 对土体中自由水和吸附水因极性差异而起到指示作用。 因此， FE可识别土质文物中不同形态水， 其中N*波段(500～520 nm)特征峰可指示土体中自由水的存在， T*(565～570 nm)波段特征峰可指示土体中吸附水的存在， 同时， 特征峰在可见光区还避免了土样因紫外吸收而降低其荧光发射强度。

图4 365 nm波长处紫外灯下FE薄层色谱照片Fig.4 Thin-layer chromatography photo of FE at 365 nm UV light

图5 FE丙酮溶液的荧光激发和发射光谱Fig.5 Fluorescence excitation and emission spectra of FE in aceton

2.2 不同时间含水未加固土质文物模拟样荧光光谱分析

图6是未加固土样吸潮不同时间后， 通过在线荧光光谱检测， 得到不同时间样品水分挥发过程中的荧光发射光谱图， (a)—(c)对应的吸潮时间分别为2， 3.5和8 h。 由图中可以看出， 对于吸潮时间不同的样品， 土样中 FE荧光发射强度先增大后减小， 并从发射波长520 nm处的短波长带向571 nm处的长波长带移动。 这样的荧光光谱变化， 在一定程度上反映了土样中水分形态及相应量的变化。

荧光光谱强度先增后减的现象， 其原因如下： 土样中FE以丙酮溶液引入， 在前期， 丙酮与水分同时挥发， 但丙酮挥发占主导地位。 丙酮挥发会引起荧光强度提高， 这主要是由于两性离子在含水有机溶剂中的质子化， 抑制了光诱导电子转移(PET)， 从而强化了荧光强度[26]。 因此， 荧光强度的增加主要归因于丙酮挥发及水分的相对增加。 水分挥发前期， 光谱发射带主要处于520 nm处的N*荧光谱带， 表明此时挥发的水分主要为自由水。 由于N*态具有比T*更大的介电稳定性， 因而在自由水存在时, N*态占主导地位[27]。 当丙酮以及自由水挥发接近完毕， 随之进入吸附态水分挥发阶段。 反映在荧光光谱上， 其最大发射峰移向571 nm处的T*荧光谱带。 因而， 571 nm处荧光发射峰的隐约出现表明自由水挥发即将结束， 吸附水挥发即将开始。 由于吸附态水被吸附于土壤团粒表面， 具有降低 ESIPT过程的作用。 因此， 随着吸附态水分的挥发， 571 nm处的T*荧光谱带的荧光强度逐渐降低。 基于以上过程， 可以用于解释荧光光谱变化与土样中水分挥发过程中水分形态变化的关联性。

表1是根据图6荧光光谱变化特征列出的未加固土样荧光特征峰转移和稳定时间， 从表1可以看出， 土样吸潮时间越长， 其荧光光谱中的N*带向T*带转移时间越长， 最终光谱稳定耗时也越长。 这些结果反映了土样中水分挥发具有以下特性： 随着吸潮时间增加， 土样的含水量增多， 因此， 整个水分挥发达到平衡所耗时间越长； 而自由水相对吸附水而言更容易挥发， 即在水分挥发过程中自由水优先挥发， 随着土样中含水量的增加， 样品中自由水含量也增多， 从而使土样中自由水挥发转向吸附水挥发所需时间增长。 这些信息可以较好反映土样水分挥发过程中的水分形态变化特征。

图6 不同吸潮时间下未加固土样在线荧光检测谱图(a)： 土样吸潮2 h; (b)： 土样吸潮3.5 h; (c)： 土样吸潮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 未加不同吸潮时间土样荧光特征峰转移时间Table 1 Time of characteristic peak shift in fluorescence spectra for unconsolidated samples at different moisture absorption time

需要指出的是， 无论自由水还是吸附水的挥发， 均会因水分挥发而使土样表面对光的散射能力增强。 这与我们前期有关文物表界面结构变化对表面光散射影响研究结果类似[28]， 土样孔隙结构中水分挥发产生结构变化会使样品表面光散射的增加， 使入射光在土样中的光程缩短， 从而产生降低荧光强度降低的结果， 即水分挥发所引起的光散射作用变化。 尽管如此， 但可以肯定的是， FE荧光光谱中荧光特征峰的波长变化应该归因于水分形态变化， 因此， FE可以作为荧光探针检测土质文物中水分的存在形态及水分挥发过程中的水分形态变化特征。

2.3 不同时间含水加固土质文物模拟样荧光光谱分析

图7为土样经加固处理吸潮不同时间后， 样品中水分挥发过程中实时检测到的荧光发射光谱图， (a)—(c)吸潮时间依次为2， 3.5和8 h。 与图4中未加固土样水分挥发时荧光光谱变化特征相同的是： 吸潮后加固土样中 FE荧光发射强度也先增大后减小， 发射波长从 520 nm处的短波长带向571 nm处的长波长带移动。 这些光谱变化与土样中水分形态变化之间的关联性和前面未加固样品所述规律相同， 即荧光光谱中特征峰的移动预示着土样中自由水挥发和吸附水挥发之间的转换。

图7 不同吸潮时间下加固土样在线荧光检测谱图(a)： 土样吸潮2 h; (b)： 土样吸潮3.5 h； (c)： 土样吸潮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， 与未加固土样相比， 在吸潮时间相同条件下， 加固土样FE荧光光谱的N*带转向T*带所需时间以及荧光光谱达到平衡所需时间远远小于未加固土样， 加固土样荧光光谱特征峰的转移及光谱稳定时间如表2所示。 同时， 比对图6和图7中T*谱带随时间变化趋势可知， 未加固土样相应谱带强度随时间降低较慢， 而加固土样相应谱带强度随时间变化较快。 这表明加固土样具有较强的水分挥发能力， 尤其对于吸附水而言， 未加固土样吸附态水分不易挥发， 而加固土样吸附态水分易于挥发。 从而反映了加固后的土样具有良好的水分挥发性， 这将使土质文物具有保持干燥状态的优势， 同时对土质文物降低水分侵蚀危害具有重大益处。

表2 不同吸潮时间加固土样荧光特征峰转移时间Table 2 Time of characteristic peak shift in fluorescence spectra for consolidated samples at different moisture absorption time

3 结 论

FE荧光探针拥有波段可分的双发射波峰， 激发波长在可见光区， 避开了土壤具有强吸收的紫外区。 以FE为荧光探针引入土样， 通过荧光光谱检测， 谱图中520及571 nm波长附近两个荧光特征峰可分别有效指示土样中自由水和吸附水； 通过在线检测样品荧光特征峰变化， 根据荧光特征峰从520 nm波长向571 nm转移及光谱稳定所需时间， 可考察土质文物水分挥发过程中自由水和吸附水的挥发时间跨度， 及土体中总水分的挥发时长， 利用此方法还可以作为土质文物透气性和抗水分侵蚀的评价手段， 可以从更多细节上获得土质文物中水分挥发行为信息， 这对于土质文物保护尤其是对于湿润地区的土质文物保护而言具有重要参考价值。