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超高效液相色谱-高分辨质谱法测定海洋沉积物中的木质素分解产物酚类化合物

杨建勃, 陈军辉, 何秀平, 王九明, 辛明, 孙霞, 王保栋

杨建勃,陈军辉,何秀平,等. 超高效液相色谱-高分辨质谱法测定海洋沉积物中的木质素分解产物酚类化合物[J]. 岩矿测试,2023,42(3):548−562. DOI: 10.15898/j.ykcs.202209160172
引用本文: 杨建勃,陈军辉,何秀平,等. 超高效液相色谱-高分辨质谱法测定海洋沉积物中的木质素分解产物酚类化合物[J]. 岩矿测试,2023,42(3):548−562. DOI: 10.15898/j.ykcs.202209160172
YANG Jianbo,CHEN Junhui,HE Xiuping,et al. Determination of Phenolic Compounds from Lignin Decomposition Products in Marine Sediments by Ultra-High Performance Liquid Chromatography-High Resolution Mass Spectrometry[J]. Rock and Mineral Analysis,2023,42(3):548−562. DOI: 10.15898/j.ykcs.202209160172
Citation: YANG Jianbo,CHEN Junhui,HE Xiuping,et al. Determination of Phenolic Compounds from Lignin Decomposition Products in Marine Sediments by Ultra-High Performance Liquid Chromatography-High Resolution Mass Spectrometry[J]. Rock and Mineral Analysis,2023,42(3):548−562. DOI: 10.15898/j.ykcs.202209160172

超高效液相色谱-高分辨质谱法测定海洋沉积物中的木质素分解产物酚类化合物

基金项目: 全球变化与海气相互作用(二期)专项(GASI-01-ATP-STwin);中国大洋矿产资源研究开发协会——大洋“十三五”资源环境类项目(DY135-E2-1-03);国家自然科学基金-山东省联合基金项目(U1706217)
详细信息
    作者简介:

    杨建勃,硕士研究生,从事海洋环境化学研究。E-mail:yangjianbo@fio.org.cn

    通讯作者:

    陈军辉,博士,研究员,从事海洋分析/环境化学研究。E-mail:jhchen@fio.org.cn

  • 中图分类号: Q503;O657.72

Determination of Phenolic Compounds from Lignin Decomposition Products in Marine Sediments by Ultra-High Performance Liquid Chromatography-High Resolution Mass Spectrometry

  • 摘要:

    木质素分解产物酚类化合物是指示海洋环境中陆源有机碳来源的重要生物标志物,因此,开发检测海洋沉积物中木质素分解产物酚类化合物的简便方法,对研究海洋有机碳的来源及生物地球化学循环过程具有重要意义。本文采用固相萃取(SPE)和超高效液相色谱-飞行时间质谱技术(UHPLC-TOF/MS),建立了一种同步测定海洋沉积物中木质素分解产物酚类化合物(11种)的方法。首先对海洋沉积物样品进行氧化铜氧化碱分解和SPE净化处理,再采用填料粒径为1.8μm的反相C18柱进行分离,电喷雾TOF/MS全扫描模式检测,内标法定量。结果表明:沉积物中木质素的11种主要分解产物酚类化合物在20min内分离良好;方法具有良好的精密度(相对标准偏差RSD均小于9.0%),在线性范围内相关系数(R2)均不小于0.9989,加标回收率在86.8%~93.2%之间。应用该方法对莱州湾表层沉积物中木质素分解产物酚类化合物进行测定,12个表层沉积物样品中11种目标化合物的检出率均为100%;相关诊断比值:肉桂基酚系列单体总量与香草基酚系列单体总量的比值C/V在0.18~0.81之间,均值为0.38;丁香基酚系列单体总量与香草基酚系列单体总量的比值S/V在0.18~0.45之间,均值为0.26;对羟基酚系列单体中酮的量与对羟基酚系列单体总量的比值PON/P在0.01~0.07之间,均值为0.03;P系列单体总量与V和S系列单体总量之和的比值P/(V+S)在0.55~3.77之间,均值为1.44;V系列中酸类单体与醛类单体的比值(Ad/Al)v在0.12~1.07之间,均值为0.49;S系列单体中酸类单体与醛类单体的比值(Ad/Al)s在0.15~1.26之间,均值为1.02。表明莱州湾表层沉积物中的木质素主要来源于被子植物草本组织,并且具有中等或偏高程度的降解,但仍有少量新鲜植物有机质。本研究也表明UHPLC-TOF/MS是测定海洋沉积物中木质素分解产物酚类化合物的高效方法,能对沉积物中木质素含量和有机质来源进行有效指示。

  • 世界各地还在普遍使用泥盆瓦罐之时,中国人已经使用上瓷器,尤以国粹唐宋古瓷闻名。中国古代结晶釉因烧制过程中析晶不同而形态各异,却又浑然天成,备受推崇。茶叶末瓷是中国最早期的结晶釉,起源于唐代1,釉面古朴典雅,耐人寻味。现代关于古陶瓷的科学研究内容包括多个方面,如:釉面的矿物晶体特征2、呈色机理3-4、古代烧制工艺及原料5、古陶瓷的仿造复原6等。对诸如茶叶末等古陶瓷,使用现代前沿的分析仪器进行深入且细致的研究,可加深在古陶瓷制作工艺、呈色机理、分层结构等各方面的认识,为古陶瓷的仿制还原、甄别鉴定、保护修复等方面提供方法原理、研究数据等支撑,弘扬并传承优秀的古瓷文化并促进相关非遗工艺进步。

    到目前为止,经过系统研究的古窑口茶叶末瓷釉样本,囊括唐代黄堡窑、浑源窑、观台窑以及辽金时期龙泉务窑,共计12件。唐代茶叶末釉烧成温度控制在1250~1280℃,以还原气氛为主,冷却速度应缓慢,若烧成气氛偏向氧化,颜色会偏褐色7;矿物学上黄堡窑和浑源窑茶叶末釉析出的主晶相普通辉石,次晶相为斜长石类(Plagioclase)中的培长石(Bytownite)8,而观台窑茶叶末釉主晶相是深绿辉石。辽金时期北京龙泉务窑发现的茶叶末釉中主晶相为普通辉石和钙长石9。不同时期、不同窑口茶叶末釉面中矿物有所区别,源于其原料成分及烧制工艺等多方面的影响,这对分析技术的精确度、适用性等方面都提出更高的要求。如今有多种分析技术已经应用于古陶瓷研究,包括中子活化分析(NAA)、能量色散X射线荧光光谱(EDXRF)、扫描电镜(SEM)、电子探针(EPMA)、飞行时间二次离子质谱(ToF-SIMS)、热电离质谱(TIMS)、激光诱导击穿光谱(LIBS)、激光剥蚀电感耦合等离子体质谱(LA-ICP-MS)、溶液雾化-电感耦合等离子体质谱(SN-ICP-MS)、溶液雾化-电感耦合等离子体发射光谱(SN-ICP-OES)。其中,NAA、TIMS、SN-ICP-MS和SN-ICP-OES等技术在仪器分析之前的样品制备过程中,需要消耗50mg至5g的样品粉末10,因此在考古研究中使用受限;虽然EDXRF和EPMA是无损分析技术,但它们的高检测限导致痕量元素测量不够准确10。LA-ICP-MS具备原位、快速、准确、多元素同时检测的分析优势,以及较高灵敏度和空间分辨率成为重要的微区原位元素及同位素测试手段,为地质11-12、冶金13、生物14、材料15、考古16等诸多领域的创新研究提供了重要支撑。ToF-SIMS分析技术具有极高分辨率,可以提供表面、薄膜、界面以至于三维样品的元素、分子等结构信息,具有分析区域小、分析深度浅和不破坏样品的特点17。ToF-SIMS不仅在芯片研发18、宇宙与天体化学19、地球科学20-21、环境科学22-23、材料科学24、生物医学25等领域广泛应用,还逐渐在考古26、艺术品27、古陶瓷28-29等领域兴起,如徐子琪等30利用ToF-SIMS分析宋代黑釉茶盏油滴,从矿物学角度解释了华北油滴的银色与反光现象。

    茶叶末釉古瓷样本数据稀少,需对更多不同窑口、不同历史时期的茶叶末釉样本进行系统物理化学分析,以建立更为全面的茶叶末釉特征数据库。基于前人研究多来源于二十世纪末,本文在借鉴前人对茶叶末古瓷原料、釉面晶体等研究成果的基础上,以北宋定窑茶叶末瓷片为研究对象,利用LA-ICP-MS、ToF-SIMS、SEM-EDS、激光共聚焦拉曼光谱(LRS)等多种谱学仪器和显微观察设备对样本的微观结构、成分和形成机理等进行深入探讨,确定了茶叶末釉微区中矿物的形态、结构、分布及其元素组成。

    样品是北宋定窑一罐体的腰部残片,其外施茶叶末釉(图1a),内未施釉(图1b);约5mm厚度的胎体呈洁白色泽(图1c),但明显可见铁锈等杂色斑点(图1e),符合定窑采用风化煤矸石(白矸土)亦即“当地出露煤系地层高岭岩风化所成的天然‘高岭泥’”为原料直接制胎的基本特征31。约1mm厚度的釉层截面呈酱-黑色的釉基质(图1e),此色泽与定窑紫金釉以及华北油滴盏的釉基质一致30

    图  1  宋代茶叶末釉残片
    (a)残片外侧;(b)残片内侧;(c)残片胎;(d)样本A;(e)样本B;(f)样本薄片。
    Figure  1.  Tea-dust glaze fragments made in Song Dynasty

    切割样品残片制取1.5cm×1.5cm矩形块并减薄至厚度0.5cm而保留原来釉面作为测试样品A(图1d);制取1.5cm×1.5cm矩形块并按与釉面法线约60°夹角斜切以使可测釉基体“延展”并打磨-抛光,以此作为测试样品B(图1e);另制取3cm×0.5cm矩形块磨平胎底并将截面制备为光学薄片(图1f)。

    本研究中LA-ICP-MS实验在南京宏创地质勘察技术服务有限公司完成。使用的LA-ICP-MS由193nm深紫外激光剥蚀系统(Resolution SE型,美国Applied Spectra公司)以及电感耦合等离子体质谱仪(Agilent 7900型,美国Agilent公司)组成,配备了S155型双体积样品池。激光参数设置为:束斑直径50μm,剥蚀频率10Hz,能量密度3.5J/cm2,扫描速度3μm/s,通过剥蚀NIST 612标准样品并调节气流,实现了238U的高信号强度(约6×105cps)和低氧化物产率(ThO/Th<0.2%)。同时,使用100μm束斑对NIST610进行线扫,以对待测元素进行P/A调谐。分析的质量数涵盖了从23Na到238U的广泛元素,总扫描时间约为0.31s。在样品制备过程中,光片固定于样品支架上,并使用分析纯级别的乙醇擦拭样品表面,去除样品表面可能存在的污染物。对剥蚀区域使用激光脉冲进行预剥蚀(深度约1μm)从而避免污染。最后,在50μm束斑直径、5Hz剥蚀频率、4.5J/cm2能量密度的条件下对陶瓷样品进行分析。详细的设备调谐参数可参考Thompson等32的工作。

    元素成像在清华大学分析中心的飞行时间二次离子质谱仪(TOF SIMS 5-100型,德国ION-TOF GmbH公司)上完成。使用导电胶将样本固定在ToF-SIMS样品台上,在超高真空下用溅射枪对样品表面进行溅射去除表面污染,然后在高质量分辨模式(Spe)和高空间分辨模式(Fast)下采集釉面及胎釉交界处典型区域正、负离子谱。循环时间设置为100μs(0~1000amu),质量分辨(mm)达到8000,使用电子枪(±20keV)对样品表面的荷电效应进行中和处理,以避免对分析结果的干扰。Spe模式参数:一次离子束Bi1+,能量30keV,束流(脉冲化)0.8pA;Fast模式参数:一次离子束Bi1+,能量30keV,束流(脉冲化)1.0pA;溅射参数:溅射枪选择Arn+团簇离子避免溅射束造成表面氧化,能量10keV,束流约9nA。

    SEM-EDS(Phenom ProX)对样品进行显微观察。使用前将样品釉面使用分析级乙醇擦拭清洁后,进行喷铂处理,利用导电胶将样本固定在样品杯上,送入舱中,施加加速电压为15kV,电子束电流为0.6nA。选择合适区域,直接监测观察表面SEM特征,并进行点和面扫分析。

    矿物物相鉴定使用LRS(HORIBA XploRA Plus)完成,在高放大倍数物镜(×100)下选定测试点,使用激光波长为638nm,激光功率25mW,光斑直径1μm,扫描范围100~1800cm−1,曝光时间10~100s,每个位置扫描2次。

    LA-ICP-MS实验以NIST 610、NIST 612、BCR-2G和BHVO-2G作为标准样品,每10个样品点分析后插入一个标准样品,数据通过使用Iolite软件的“3D Trace Element”方法进行无内标法校正,铁的价态为二价。数据处理包括采集20s的气体空白和35~40s的信号区间。

    ToF-SIMS实验数据采用SurfaceLab 7.2软件进行校正、处理和分析,确保获取精确可靠的测试结果。

    在光学镜下观察釉面整体分布特征,釉面的主体部分由大面积聚集的黄褐色矿物晶体以及酱-黑色硅铝酸盐基质玻璃组成,少量锈红色斑点散乱分布在釉面,在玻璃基质区域隐约可见大小不一的釉泡聚集,半径约10~50μm(图2a)。在高倍(200X)镜下可见釉面主晶相呈板片状、针状,单偏光下半自形板片状晶体大小约为15~35μm,表面有彩虹色斑纹,主要均匀分布在晶体聚集区域中心位置(图2中b,c);除主晶相外,也有部分铁由于过饱和而在釉中析出,作为晶体相存在,在单偏光下(500X)常见银白色片状金属矿物晶体,单晶约为5~15μm,覆于釉面最表层(图2b)。

    图  2  光学镜下茶叶末瓷中矿物图像
    (a)釉面分布特征;(b)赤铁矿;(c)镁铁矿;(d)胎釉反应层;(e)胎(正交偏光);(f)反应层(单偏光)。
    Figure  2.  Optical images of minerals in tea-dust porcelain

    斜截面镜下可知胎釉交界有厚约20~60μm的墨绿色反应层,由胎体至釉层颜色逐渐加深,釉层布满大小不一的釉泡空洞,半径约20~150μm,在釉和胎中可见未完全熔融的石英矿物颗粒和碱性长石,可在薄片下观察到胎中长石的卡式双晶表面纯净未风化,有轻微裂纹,正交偏光下暗红色颗粒为赤铁矿(图2中d,e),反应层中可以看到存在微米级针状晶体聚集(图2f)。

    在茶叶末釉上通过测定釉面斑点和基质的元素组成,以研究其表面颜色差异的原因。在样品A釉面上分别选择黄褐色斑点与酱黑色基质各10个点,使用LA-ICP-MS分析茶叶末釉化学组成,分别取平均值(表1)。釉面以SiO2-Al2O3系统为基釉,SiO2和Al2O3含量分别为56.43%和13.22%;CaO含量>10%,为高钙釉。以釉中主要溶剂氧化物种类作为划分釉类型的基准,可将茶叶末结晶釉归类于铁系釉,表现为黑色釉基质富铁(Fe2O3含量均值9.73%)和矿物结晶富铁(Fe2O3含量均值11.33%)。

    表  1  茶叶末釉表面不同颜色斑点元素分析结果
    Table  1.  Analytical results of elements in different color spots of the tea-dust glaze
    不同颜色斑点 元素含量(%)
    Na2O MgO Al2O3 SiO2 K2O CaO TiO2 Fe2O3 P2O5 MnO
    黄褐色斑点 0.93 1.74 13.99 53.94 3.25 12.09 1.65 11.33 0.88 0.20
    酱-黑色基质 0.96 1.58 12.44 58.96 4.03 10.32 1.28 9.73 0.53 0.17
    整体 0.94 1.66 13.22 56.43 3.64 11.21 1.47 10.54 0.71 0.18
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    为研究宋代定窑茶叶末瓷样本釉层中元素变化,在茶叶末瓷斜截面样品B上釉层部分选择4列,每列从釉顶至釉底相隔相同距离分别选取5个点位,使用LA-ICP-MS分析茶叶末釉中化学组成,得到5行4列数据并将每行数据分别取平均值整理为表2

    表  2  茶叶末瓷釉层中元素分析结果
    Table  2.  Analytical results of elements in glaze layer of tea-dust porcelain
    釉面至釉底
    行号
    元素含量(%)
    Na2OMgOAl2O3SiO2K2OCaOTiO2Fe2O3P2O5MnO
    第1行0.871.2818.3657.443.6210.290.946.920.160.11
    第2行0.841.6813.3659.793.849.941.169.050.190.16
    第3行0.871.5513.1361.504.379.340.928.030.120.15
    第4行0.841.6512.5961.534.429.180.888.600.140.16
    第5行0.861.6513.5160.633.889.660.938.600.120.16
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    茶叶末釉颜色多变,矿物组成复杂,借鉴火成岩的矿物结晶形成过程、风化过程及以往矿物相关的研究成果,将釉中矿物晶体按其成因系统划分为熔后重结晶矿物、未熔融矿物、风化成因矿物三大类。

    熔后重结晶矿物是釉料在烧制的过程中熔融后再冷却重结晶形成,最明显的特征为晶面的发育程度好,多为自形晶。根据烧制气氛的控制、饱和度高低和冷却速度快慢,所形成矿物晶体的种类、大小和形态亦不同,本文详细报道重结晶矿物有莫来石、钙长石、赤铁矿、ε-Fe2O3、金红石、辉石等矿物33-35

    使用SEM对样本釉面矿物进行表征(图3),并对图3中标记点位使用EDS显示元素组成(表3)。

    图  3  扫描电镜下茶叶末瓷中矿物图像
    (a)釉面分布特征;(b)主晶相;(c)赤铁矿;(d)高岭石;(e)镁铁矿;(f)含钛磁铁矿。
    Figure  3.  Images of minerals in tea-dust porcelain by SEM
    表  3  EDS下矿物晶体元素组成
    Table  3.  Elemental composition of mineral crystals under EDS
    EDS所取点位 元素原子占比(at%)
    Si Al Ca Fe Mg K Na Cr Ti Mn
    1 63.67 13.8 8.14 3.97 3.61 4.85 1.96 / / /
    2 60.59 21.39 7.99 2.08 2.48 1.07 4.22 / / 0.18
    3 51.53 25.74 13.82 3.83 1.6 1.13 2.35 / / /
    4 5.61 2.18 1.26 89.71 / 0.98 / / / /
    5 41.2 34.14 3.26 4.79 4.37 2.78 3.03 / 5.87 /
    6 1.85 / 0.43 65.59 29.93 0.23 / 1.96 / /
    7 11.78 6.5 / 77.79 / / / / 3.92 /
    注:元素原子占比低于0.10at%以“/”表示。
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    釉面针状晶体相对板片状晶体分布更广,除聚集区域中心处与板片状晶体交杂,还分布于聚集体边缘处,呈杂乱无规则状,晶体在中心处长约10~40μm,边缘处约30~120μm。BSE模式下图像显示,釉玻璃基质上方铺陈针状晶体,板片状晶体则覆盖在针状晶体上方,整体上此区域基质显露约10%,针状占40%,板片状约占60%(图3中a,b)。点1为玻璃基质;点2、3分别为针状、板片状矿物,由元素占比可知为长石和普通辉石,与金元时期旬邑茶叶末瓷、主晶系相同936

    釉面银白色片状金属矿物(图3c)主要元素组成为Fe,拉曼光谱测试谱图示于图4,图中228、350、601、672、1328cm−1为主要位移峰,与赤铁矿(α-Fe2O3)晶体在拉曼标准谱库中谱图一致。这些特征峰也出现在宋代黑釉油滴盏、华北山西临汾窑等α-Fe2O3晶体的拉曼谱图中3037,同为铁元素饱和析出的重结晶矿物,宋代油滴形态上为近百余枚银色六方柱晶体自组织分散排列构成,而临汾窑的铁锈斑则为许多深红色多边形晶体组成。

    图  4  样本的拉曼图谱
    Figure  4.  Raman spectra of the samples

    釉中部分矿物因高熔点,烧制过程中部分未熔融或未完全融熔,这些矿物来自釉料,依然保持烧制前的特性,常见的有石英、磁铁矿、长石和黏土矿物9

    扫描电镜下样本釉面发现未完全融熔黏土矿物颗粒,黏土矿物颗粒圆滑呈球状,同时可见层状堆叠结构,且仅一小部分发生熔融(图3d),使用EDS测定化学成分主要元素为Si、Al,且其Si/Al的原子比介于1.1~1.3,判断未完全熔融黏土矿物为釉料携带的高岭石。

    釉面观察到一种未融熔矿物异于其他矿物,部分晶体颗粒在外界条件作用下已脱落,留下凹坑,部分晶体破碎,半自形状,磨圆度一般,大小为1~5μm(图3e)。此矿物颗粒直接嵌入玻璃基质中而非铺陈其上,显然不是熔融后冷却结晶形成,而是残留相,EDS显示该矿物主要元素组成为Fe和Mg。此晶体的拉曼谱图谱峰显示主位移峰为212、327、481、625、703、1375cm−1,与Renishaw矿物和无机材料数据库(RMIM No.503)、RRuFF数据库(RRuFF ID: R070127)中合成氧化镁铁素体的标准拉曼光谱进行比较,为镁铁矿(MgFe2O4)特征峰,又称为镁铁尖晶石(图4)。该矿物在宋代耀州窑酱黑釉中首次被证实存在,酱黑釉中镁铁矿除富铁、富镁外,还富钙38;在宋金时期浑源窑黑釉剔花瓷片也发现了大量镁铁矿晶体,为棕黄色树枝状39

    瓷器烧制完成后,釉面矿物长时间暴露在空气中或埋藏于地下,在风化作用下发生氧化还原、破坏和分解,从而会形成一些衍生矿物,主要存在于釉面表层及裂隙、机械损伤处,常见的衍生矿物为碳酸钙、高岭石、赤铁矿等,严重风化情况下表现为釉面腐蚀35

    图3f中不规则粒状、鳞片状晶体,单晶约为1~5μm,EDS显示矿物主要元素组成为Fe,晶体中少量Ti取代Fe,根据元素组成和单晶形态,为含钛磁铁矿,三方晶系,晶体边缘为白色环状。

    未被交代的粒状磁铁矿在扫描电镜背散射测试下表面几乎不存在孔隙,而被交代的磁铁矿和交代形成的假象赤铁矿表面的孔隙会明显增多,且粒状假象赤铁矿表面孔隙多于板状赤铁矿40。釉面长期与空气接触,磁铁矿在风化作用下,边缘或破碎处易被氧化,生成赤铁矿,进一步判断该晶体为未完全被赤铁矿交代的含钛磁铁矿。

    斜截面胎釉交界处反应层的ToF-SIMS 500μm×500μm正离子图像如图5所示。其中Si+离子图像中,胎中石英颗粒明显高于釉中,大小约为1~20μm;茶叶末釉属于钙质釉或钙碱釉,因此Ca+离子图像可以明显区别出釉、胎以及反应层,胎釉交界处针状晶体层丛生,晶体主要元素为Ca+、Al+、Si+离子,含有少部分Na+离子,为斜长石亚类中钙长石,而非碱性长石,这是由于釉中碱土金属氧化物(CaO+MgO)含量远高于碱金属氧化物(Na2O+K2O)。Ca+、Fe+离子图像显示,针状晶体不仅存在于胎釉交界处,还大量赋存于釉中,与气泡附近Fe+含量较高区域互衬。Na+成像中的黄亮色光点同时位于K+、Si+、Al+成像范围上,为胎釉中未完全熔融的碱性长石。

    图  5  胎釉截面500μm×500μm二次离子图像
    MC为单个像素点最大计数;TC为总计数。
    Figure  5.  Secondary ion images of the section of the body and glaze

    茶叶末釉的黄褐色斑点和酱-黑色玻璃基质共同表现出釉面颜色以及釉面相对的粗糙度。黄褐色斑点中Ca、Fe含量较高,釉中CaO的存在能够改善釉面的光泽度且析出的钙长石有助于提高乳浊效果,同时Fe是茶叶末釉中的最主要着色元素,在Fe和Ca元素的共同作用下,富集Fe、Ca的硅铝酸盐晶体堆积在一起宏观上表现为釉表面细小的黄褐色似茶沫颗粒。酱-黑色玻璃基质中Si、K含量较高,这是由于富K原料主要为天然碱性长石,常为固溶体,熔点较单一成分的长石熔点低,具有良好的助熔作用,Al2O3-SiO2体系中加入长石,则可在985±20℃即开始出现液相,且长石含量越高,初熔温度越低41,故K+一般分布于釉基质中,其二次离子图像可以表现出釉基质的分布特征。釉层元素分布表现出明显差异性,Fe在釉面最低,在釉中最高,结合Fe+的二次离子图像,这可能是烧制过程中气泡携带Fe向上悬浮,由于釉浆流动性较差加上快速冷却,大量气泡悬停在釉中区域,导致Fe在此最高,在釉面最低。

    高岭石作为烧制瓷器的主要黏土矿物,在1200℃左右会形成莫来石晶体,在釉料中助溶剂的作用下,熔融温度则会进一步降低,未熔融矿物类的残余高岭石矿物球粒反演出本研究样本的烧成温度很可能低于1200℃,区别于目前关于耀州窑等唐宋茶叶末釉属于高温釉的看法。同为未熔融矿物类中的铁镁尖晶石(MgFe23+O4)熔点为1713℃,首次见于茶叶末釉,作为原始釉料携带物,可在后续研究中通过其携带的稀土元素和同位素等信息进行有效的地球化学示踪,并能够对岩石矿物的成因、演化和来源分析提供帮助42

    利用LA-ICP-MS、ToF-SIMS、SEM-EDS等技术方法,确定了北宋定窑茶叶末釉微区中矿物的形态、结构、分布及其元素组成。属高钙釉、铁系结晶釉,表现为酱-黑色釉基质富铁(Fe2O3含量均值9.73%)和黄褐色矿物结晶富铁(Fe2O3含量均值11.33%),同时Fe在釉层中分布不均,在釉面最低,釉中最高。釉面矿物簇群据各自元素组成和形貌特征区分为三类,熔后重结晶形成的钙长石和辉石作为主晶相矿物,与辽金龙泉务窑一致;茶叶末釉的颜色在很大程度上归因于其析出的辉石类晶体(镁铁类矿物),充足的MgO是烧制茶叶末釉的关键因素,镁铁矿指示出当时制釉原料中已有镁的引入;烧制温度作为另一关键因素,前人研究认为唐宋茶叶末釉应处于1250~1280℃,然而原始釉料中残余的高岭石球粒矿物则反映出该茶叶末瓷烧成温度可能低于1200℃。

    在古陶瓷研究过程中,为有效地避免珍贵样品被破碎16,目前已有使用LA-ICP-MS测定大尺寸陶瓷主微量元素组成方法的案例。同属于非破坏性分析,ToF-SIMS在样本尺寸选择上虽仍有一定局限,但作为前沿实用的表面分析技术之一,在古瓷的微区原位研究方面有着明显的优势,形貌结构与元素分布表现优秀,能够辨别钙长石、碱性长石等微米级矿物。ToF-SIMS和LA-ICP-MS等测试方法可望运用于国粹唐宋古瓷的研究和甄别,以促进相关非遗工艺进步。

    致谢: 感谢南京宏创地质勘察技术服务有限公司武现伟老师在LA-ICP-MS实验上提供的帮助。

  • 图  1   中国莱州湾表层沉积物采样站位图

    Figure  1.   Surface sediment sampling station in the Laizhou Bay, China.

    图  2   UHPLC-TOF/MS 全扫描分析提取离子色谱图

    (A) 11种目标化合物和内标物的混合标准溶液; (B)海洋沉积物样品提取溶液。按照保留时间从前到后依次排序:对羟基苯甲酸、香草酸、对羟基苯甲醛、丁香酸、对羟基苯乙酮、香草醛、对羟基肉桂酸、丁香醛、香草乙酮、阿魏酸、乙酰丁香酮、乙基香兰素(内标)。

    Figure  2.   UHPLC-TOF/MS full-scan analysis extraction ion chromatogram (EIC).

    (A) Mixed standard solution of 11 target compounds and internal standard; (B) Extraction solution of marine sediment sample. Sort by retention time from front to back: p-hydroxybenzoic acid, vanillic acid, p-hydroxybenzaldehyde, syringic acid, p-hydroxyacetophenone, vanillin, p-hydroxy-cinnamic acid, syringaldehyde, acetovanillone, ferulic acid, acetosyringone and ethyl vanillin (internal standard).

    图  3   固相萃取过程中不同pH(pH=1.0、1.5、2.0、2.5)上样溶液对各种目标化合物回收率的影响

    Figure  3.   Effect of different pH of the sample solution on the recovery of various target compounds during solid phase extraction: pH=1.0, pH=1.5, pH=2.0, pH=2.5.

    图  4   方法的专属性考察结果(沉积物加标样品UHPLC-TOF/MS分析EIC图)

    1—对羟基苯甲酸;2—香草酸;3—对羟基苯甲醛;4—丁香酸;5—对羟基苯乙酮;6—香草醛;7—对羟基肉桂酸;8—丁香醛;9—香草乙酮;10—阿魏酸;11—乙酰丁香酮;12—乙基香兰素(内标)。

    Figure  4.   Results for the specificity validation of the method (UHPLC-TOF/MS EIC chromatogram of the spiked sediment sample).

    1—p-hydroxybenzoic acid; 2—vanillic acid; 3—p-hydroxybenzaldehyde; 4—syringic acid; 5—p-hydroxyacetophenone; 6—vanillin; 7—p-hydroxy-cinnamic acid; 8—syringaldehyde; 9—acetovanillone; 10—ferulic acid; 11—acetylsyrinone; 12—ethyl vanillin (internal standard).

    表  1   超高效液相色谱-飞行时间质谱分析木质素主要分解产物酚类化合物和内标物的分子式、保留时间及精确分子质量

    Table  1   Molecular formulas, retention times and exact molecular mass of the main decomposition products of lignin (phenolic compounds) and the internal standard analyzed by ultra-high performance liquid chromatography-time-of-flight mass spectrometry (UHPLC-TOF/MS).

    序号酚类化合物分子式保留时间(min)精确分子量[M+H]+精确分子量[M-H]-
    1对羟基苯甲酸C7H6O35.14139.0395137.0244
    2香草酸C8H8O47.37169.0495167.0272
    3对羟基苯甲醛C7H6O28.08123.0441121.0295
    4丁香酸C9H10O59.35199.0601197.0455
    5对羟基苯乙酮C8H8O211.46137.0597135.0452
    6香草醛C8H8O311.61153.0546151.0401
    7对羟基肉桂酸C9H8O312.90165.0546163.0401
    8丁香醛C9H10O413.91183.0652181.0506
    9香草乙酮C9H10O414.65167.0703165.0557
    10阿魏酸C10H10O415.89195.0652193.0506
    11乙酰丁香酮C10H12O416.68197.0808195.0663
    12乙基香兰素C9H10O319.08167.0703165.0557
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    表  2   最佳实验条件下 11种目标化合物的线性方程相关系数及方法的检出限和定量限

    Table  2   Correlation coefficients for linear analysis, detection limits and quantification limits of the method for UHPLC-TOF/MS determination of 11 target compounds under the optimal experimental conditions.

    序号酚类化合物R2方法检出限
    (ng/g)
    方法定量限
    (ng/g)
    1对羟基苯甲酸0.99895.3417.80
    2香草酸0.99897.2724.23
    3对羟基苯甲醛0.99910.672.13
    4丁香酸0.99961.795.98
    5对羟基苯乙酮0.99910.381.25
    6香草醛0.99970.491.64
    7对羟基肉桂酸0.99894.1613.95
    8丁香醛0.99930.471.58
    9香草乙酮0.99940.230.76
    10阿魏酸0.99945.1317.1
    11乙酰丁香酮0.99970.130.42
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    表  3   三种不同添加浓度水平下11种目标化合物的回收率和回收率的RSD(n=6)

    Table  3   The recovery rate and its RSD of 11 target compounds under three different spiked levels (50.0ng/g, 100.0ng/g, 400.0ng/g) in the spiked recovery experiment with blank marine sediment (n=6).

    酚类化合物不同加标浓度水平下目标化合物回收率(%)(n=6)不同加标浓度水平下目标化合物回收率的RSD(%)(n=6)
    加标50.0ng/g加标100.0ng/g加标400.0ng/g加标50.0ng/g加标100.0ng/g加标400.0ng/g
    对羟基苯甲酸87.890.191.98.47.05.8
    香草酸89.387.787.46.46.06.1
    对羟基苯甲醛86.890.088.97.07.26.3
    丁香酸88.788.189.48.36.37.5
    对羟基苯乙酮89.591.192.37.36.55.5
    香草醛87.488.587.85.25.54.6
    对羟基肉桂酸88.989.389.66.26.54.6
    丁香醛89.190.791.58.28.56.5
    香草乙酮87.588.989.57.45.35.5
    阿魏酸86.989.991.06.18.16.2
    乙酰丁香酮90.891.293.28.86.24.1
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    表  4   莱州湾表层沉积物中11种木质素主要分解产物酚类化合物的含量

    Table  4   Content of 11 main phenolic compounds from lignin decomposition products of the surface sediment samples collected from the Laizhou Bay, China.

    站位酚类化合物含量(ng/g)(ds)
    对羟基苯甲酸香草酸对羟基苯甲醛丁香酸对羟基苯乙酮香草醛对羟基肉桂酸丁香醛香草乙酮阿魏酸乙酰丁香酮
    L1 62.33 26.08 136.41 5.98 3.48 20.65 17.75 5.60 2.33 22.17 0.50
    L2 324.43 100.31 425.50 108.50 53.58 671.40 243.67 265.19 110.36 113.53 25.96
    L3 350.21 507.56 511.59 119.13 39.5 481.33 297.51 233.46 79.82 122.80 26.18
    L4 101.58 204.40 254.26 7.73 16.47 195.19 86.06 64.19 31.78 20.14 7.76
    L5 176.82 326.83 425.68 46.14 25.88 317.00 74.67 99.34 46.57 50.57 9.33
    L6 223.73 408.17 381.33 86.76 39.31 393.35 249.20 176.55 77.37 112.05 29.02
    L7 114.31 73.84 297.40 9.86 5.17 69.67 39.80 22.06 7.27 34.99 2.23
    L8 214.02 414.12 419.47 62.57 22.06 303.95 135.91 127.37 48.75 34.99 11.52
    L9 180.05 195.33 421.15 29.25 14.86 188.62 110.52 70.42 22.43 32.43 6.37
    L10 193.59 255.99 401.93 26.20 15.22 256.06 79.62 67.27 37.39 32.44 5.40
    L11 156.60 57.41 325.48 5.83 5.39 47.84 33.30 12.90 4.06 28.22 1.42
    L12 147.93 101.40 317.60 13.95 5.56 96.48 26.98 25.10 9.89 31.64 2.66
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    表  5   莱州湾表层沉积物样品中11种木质素的分解产物酚类化合物的各项特征参数

    Table  5   Characteristic parameters of 11 phenolic compounds from lignin decomposition products in surface sediment samples of the Laizhou Bay, China.

    站位木质素不同分解产物酚类化合物的各项特征参数
    C(ng/g)S(ng/g)V(ng/g)P(ng/g)C/VS/VP/(V+S)PON/P(Ad/Al)v(Ad/Al)sΣ8(mg/10g ds)
    L1 39.92 12.08 49.06 202.23 0.81 0.25 3.31 0.02 1.07 1.26 0.0010
    L2 357.19 399.65 882.06 803.50 0.40 0.45 0.63 0.07 0.41 0.15 0.016
    L3 420.31 378.76 1068.71 901.30 0.39 0.35 0.62 0.04 0.51 1.05 0.019
    L4 106.20 79.68 431.38 372.31 0.25 0.18 0.73 0.04 0.12 1.05 0.0062
    L5 125.24 154.82 690.40 628.38 0.18 0.22 0.74 0.04 0.46 1.03 0.0097
    L6 361.24 292.34 878.88 644.37 0.41 0.33 0.55 0.06 0.49 1.04 0.015
    L7 74.79 34.14 150.78 416.88 0.50 0.23 2.25 0.01 0.45 1.06 0.0026
    L8 170.90 201.47 766.82 655.54 0.22 0.26 0.68 0.03 0.49 1.36 0.011
    L9 142.95 106.03 406.39 616.06 0.35 0.26 1.20 0.02 0.42 1.04 0.0066
    L10 112.06 98.87 549.43 610.75 0.20 0.18 0.94 0.02 0.39 1.00 0.0076
    L11 61.51 20.16 109.31 487.46 0.56 0.18 3.77 0.01 0.45 1.20 0.0019
    L12 58.61 41.72 207.77 471.09 0.28 0.20 1.89 0.01 0.56 1.05 0.0031
    平均值 169.24 151.64 515.92 567.49 0.38 0.26 1.44 0.03 0.49 1.02 0.0083
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-09-15
  • 修回日期:  2022-11-29
  • 录用日期:  2023-03-10
  • 网络出版日期:  2023-03-29
  • 刊出日期:  2023-06-29

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