CN113533278B - 一种在线荧光检测土质文物中水形态的方法 - Google Patents

一种在线荧光检测土质文物中水形态的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种在线荧光检测土质文物中水形态的方法，具体的说是将FE荧光探针引入被检测土质文物中，通过检测被FE荧光探针标记的土质文物的荧光光谱，根据荧光检测光谱中特征峰的位置和变化识别土质文物中自由水和结合水水，对评价土质文物水理性能具有重大意义。该方法以FE(4‑二乙氨基‑3‑羟基黄酮)为荧光探针，其中FE是一种对水形态及其敏感的荧光探针，该荧光探针具有较长的激发波长(400nm)，避开了紫外光激发时土样普遍存在吸收而降低其荧光强度的缺陷，具有广泛适应性。

Description

一种在线荧光检测土质文物中水形态的方法
技术领域
本发明属于文物保护检测领域，具体涉及一种在线荧光检测土质文物中水形态的方法。
背景技术
土质文物中水分的类型对文物的长期保存具有重要影响，其大多数疾病都源于水的侵蚀。存在于土质文物中的水分有多种类型，如自由水(也称重力水)、结合水(也称吸附水或吸湿水)等，它们与土质文物病害产生与发展有密切关系。土质文物的抗防风化能力的优劣与其含水量及含水形态息息相关。在含水量相同条件下，自由水较多，易于保持土质文物干燥，有利于土质文物防风化，同时也具有减小盐害作用。结合水较多，土质文物透气性差、不易干燥，更易于产生盐害及微生物病害。水分对土壤的作用主要有：水分在土壤毛细管内迁移运动，产生毛细压力，破坏孔壁；低温下在土壤毛细孔中结晶，体积膨胀，对孔壁产生很高压力，破坏土体；地下水的毛细上升使可溶盐向表面迁移和富集；过多的水分还会造成土团粒的膨胀以及机械强度的降低；水分还可以溶解对土壤微粒有黏结作用的物质，导致土壤崩解；另外，霉菌在高含水量的土遗址上容易生长，使土壤发生霉变，增强土质文物对侵蚀水的抵抗能力以提高其防风化能力是非常有必要的。因此需要实时掌握土质文物中水分的形态和含量。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种在线荧光检测土质文物中不同形态水分挥发的方法，以解决现有技术中难以实时掌握土质文物中水分的形态和含量的问题。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种在线荧光检测土质文物中水形态的方法，包括以下步骤：
步骤1，混合邻羟基苯乙酮、对二乙胺基苯甲醛、无水乙醇和KOH溶液，加热搅拌回流1～1.5h后，放置8～10h，获得混合溶液A，将混合溶液A和水混合，通过酸类物质中和至pH值为6～8，冷却降温后获得沉淀，将沉淀过滤并干燥后获得查尔酮；将查尔酮加入至无水乙醇中，然后加入NaOH溶液和过氧化氢溶液，搅拌后和水混合，获得混合溶液B，通过酸类物质中和混合溶液B的pH值为6～8，冷却降温后析出沉淀，将沉淀过滤后洗涤，干燥后获得荧光物质4-二乙氨基-3-羟基黄酮；
步骤2，将荧光物质溶解于丙酮溶液中，获得4-二乙氨基-3-羟基黄酮的丙酮溶液；
步骤3，将土质文物模拟样压制成为圆柱形模拟土样，将圆柱形模拟土样进行加固处理，将加固前后的模拟土样置于水蒸气容器中吸潮，获得含有水分的未加固土样和加固土样；
步骤4，将4-二乙氨基-3-羟基黄酮的丙酮溶液分别加入到未加固土样和加固土样中，测定不同时间的荧光发射光谱强度，检测土质文物中水形态。
本发明的进一步改进在于：
优选的，步骤1中，邻羟基苯乙酮、对二乙胺基苯甲醛、无水乙醇和KOH溶液的混合比例为0.05mol：0.06mol：75mL：15mL。
优选的，查尔酮和无水乙醇的混合比例为1.5g：50mL。
优选的，NaOH溶液和查尔酮的混合比例为5mL：1.5g，所述NaOH的浓度为20％。
优选的，过氧化氢溶液和查尔酮的混合比例为18mL：1.5g，所述过氧化氢溶液的浓度为15％。
优选的，步骤1中，在查尔酮的无水乙醇溶液中加入NaOH溶液和过氧化氢溶液，在30℃下搅拌3.5～4h后，获得混合溶液B。
优选的，步骤2中，所述4-二乙氨基-3-羟基黄酮的丙酮溶液中4-二乙氨基-3-羟基黄酮的浓度为0.02g/L。
优选的，步骤3中，通过正硅酸乙酯水解缩合溶液作为加固剂对模拟图样进行加固。
优选的，所述圆柱形模拟土样的直径为1cm，高为0.8cm。
优选的，4-二乙氨基-3-羟基黄酮的丙酮溶液的加入量为150～250mL。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种在线荧光检测土质文物中水形态的方法，具体的说是将FE荧光探针引入被检测土质文物中，通过检测被FE荧光探针标记的土质文物的荧光光谱，根据荧光检测光谱中特征峰的位置和变化识别土质文物中自由水和结合水水，对评价土质文物水理性能具有重大意义。该方法以FE(4-二乙氨基-3-羟基黄酮)为荧光探针，其中FE是一种对水形态及其敏感的荧光探针，该荧光探针具有较长的激发波长(400nm)，避开了紫外光激发时土样普遍存在吸收而降低其荧光强度的缺陷，具有广泛适应性。同时，FE荧光探针具有较长的激发波长，避免了土样因紫外吸收而降低其荧光发射。该方法具有在线跟踪、灵敏度、响应迅速、无损以及水形态识别等特点。
由于土质文物是多孔结构材料，其中的水分有自由水和结合水之分，其极性存在较大差异。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。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，并表现为N*与T*态之间的相互转化及其荧光发射强度的变化。以两者间的荧光强度比值不仅具有分辨水形态的作用，而且具有内标作用，从而使测试变得简单化。同时，FE具有较长的激发波长，避免了土样因紫外吸收而降低其荧光发射。该方法具有在线跟踪、灵敏度、响应迅速、无损以及水形态识别等特点。本发明具有作为土质文物中自由水和结合水不同形态水探测的可行性和优势，对评价土质文物加固前后水理行为具有重大意义。
附图说明
图1是合成FE荧光探针的荧光光谱图(a)图和薄层色谱照片(b)图。
图2是FE荧光探针标记的吸潮2小时未加固土样不同时间荧光光谱图。
图3是FE荧光探针标记的吸潮2小时加固土样不同时间荧光光谱图。
图4是FE荧光探针标记的吸潮8小时未加固土样不同时间荧光光谱图。
图5是FE荧光探针标记的吸潮8小时加固土样不同时间荧光光谱图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
1、FE荧光探针的合成和溶液配制：在250mL的圆底烧瓶中依次加入0.05mol(6.8014g)邻羟基苯乙酮、0.06mol(10.600g)对二乙胺基苯甲醛、75mL无水乙醇和15mL50％KOH溶液，在80℃下加热搅拌回流1～1.5h，放置8～10h。然后倒入150mL二次水中，并用盐酸中和至pH示纸为7左右，使其冷却、降温，至室温，析出沉淀。将沉淀过滤，真空干燥后获得查尔酮。在含有50mL无水乙醇的150mL圆底烧瓶中加入1.5g上述合成的查尔酮，为确保溶液的均一性，继而在强烈搅拌下缓慢加入5mL 20％NaOH溶液，为防止溶液局部浓度过大，再在0.5h内小心加入18mL 15％过氧化氢溶液。反应混合物在30℃下搅拌3.5～4.0h，再倒入100mL二次水中，用盐酸中和至pH试纸为7左右，并使其冷却、降温至室温，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。
该荧光物质FE为4-二乙氨基-3-羟基黄酮，简称为FE，是一种对水形态及其敏感的荧光探针，该荧光探针具有较长的激发波长400nm，避开了紫外光激发时土样普遍存在吸收而降低其荧光强度的缺陷，具有广泛适应性。
取FE 0.02g于100mL烧杯中，溶解于丙酮溶液中，并转移到1000mL容量瓶中定容，配制成0.02g/L FE的丙酮溶液。
2、含水土质文物模拟样的制备：由于文物的不可再生性和珍贵性，以土质文物模拟样代替实际文物，模拟样通过模具压制获得直径为1cm，高为0.8cm的圆柱形模拟土样，为评价土质文物加固前后不同水形态的变化，以正硅酸乙酯水解缩合溶液为加固剂，通过滴渗方式加入到模拟土样中，然后室温下密封4h后得到加固土样。为使未加固和加固土样含有一定水分，分别将加固前后的模拟土样放于水蒸气容器中进行吸潮2～8小时，从而获得含有水分的未加固土样和加固土样。
3、土质文物模拟样中不同形态水分挥发的检测：将150～250mL的FE(0.02g/L)丙酮溶液分别加入到未加固和加固土样中，在室温下放置10分钟，待丙酮完全挥发后测定不同时间土样荧光发射光谱强度，对样品中不同形态水进行识别。
下面实施例中所用FE荧光探针的制备过程为：
实施例1
在250mL的圆底烧瓶中依次加入6.8014g邻羟基苯乙酮、10.600g对二乙胺基苯甲醛、75mL无水乙醇和15mL 50％KOH溶液，加热搅拌回流1h，放置10h。然后倒入150mL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50mL无水乙醇的150mL圆底烧瓶中加入1.5g上述合成的查尔酮，继而在强烈搅拌下缓慢加入5mL 20％NaOH溶液，再在0.5h内小心加入18mL 15％过氧化氢溶液。反应混合物在30℃下搅拌3.5h，再倒入100mL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。配制成0.02g/LFE的丙酮溶液。
通过检测以上合成FE探针溶液的荧光光谱和薄层色谱，可以看出，FE荧光光谱中含有两个特征发射峰，他们分别在波长520nm和波长570nm处，对应自由水和结合水的荧光特征峰，而且薄层色谱图呈现单点显示，说明合成产物FE纯度较纯，其结果如图1所示。
模拟土样的制备过程为：将原始土自然晾干，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180～250μm范围的土样。取0.80g土样，加入到直径10mm的模具中，用粉末压片机压制成圆柱状土块，得到模拟土样。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。
将未加固模拟土样放于水蒸气容器中进行吸潮2小时，从而获得含有水分的未加固土样。再将200mL FE的丙酮溶液引入到含水未加固土质文物模拟样中，测定不同时间土样荧光发射光谱谱图，其结果如图2所示。图中波长在520nm左右的荧光特征峰是对土样中自由水的响应，波长在570nm左右的荧光特征峰是对土样中结合水的响应。从图2中不同时间荧光特征峰的变化可以看出，前期土样中水分挥发主要是自由水的挥发，因此荧光曲线中只有波长在520nm处自由水的荧光特征峰，后期随着土样中自由水挥发完毕，土样中的结合水开始挥发，因此荧光曲线中在波长570nm处出现结合水的荧光特征峰。以上荧光特征峰从520～570nm的移动说明了土样中水分不同形态的变化。
实施例2
该实施例中探针的制备方法和模拟土样的制备方法如实施例1。
将加固后土样放于水蒸气容器中进行吸潮2小时，从而获得含有水分的加固土样。再将200mL FE的丙酮溶液引入到含水加固土样中，测定不同时间土样荧光发射光谱谱图，其结果如图3所示。从图中可以看出波长在520nm左右的荧光特征峰是土样中自由水的响应，波长在570nm左右的荧光特征峰是土样中结合水的响应。在吸潮时间相同条件下，对比图2中未加固土样不同时间水分挥发水形态变化，可以看出，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，同时加固土样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，图3中自由水与结合水的挥发几乎同步。这说明土样加固后不仅具有较快的自由水挥发速度，而且其中结合水的挥发速度也较快。也就是说土样加固后其水分挥发能力提高，这有益于土质文物提高自身的防盐害能力。
实施例3
该实施例中探针的制备方法和模拟土样的制备方法如实施例1。
将未加固后模拟样土样放于水蒸气容器中进行吸潮8小时，从而获得含有水分的未加固土样。再将200mL FE的丙酮溶液引入到含水未加固土质文物模拟样中，测定不同时间土样荧光发射光谱谱图，其结果如图4所示。图中波长在520nm处的荧光特征峰是土样中自由水的特征荧光峰，波长在570nm处的荧光特征峰是土样中结合水的特征荧光峰。从图4中不同时间荧光特征峰的变化可以看出，前期土样中水分挥发主要是自由水的挥发，因此荧光曲线中只有波长在520nm处自由水的荧光特征峰，后期随着土样中自由水挥发完毕，土样中的结合水开始挥发，因此荧光曲线中在波长570nm处出现结合水的荧光特征峰。以上荧光特征峰从520～570nm的移动说明了土样中水分不同形态的变化。
实施例4
该实施例中探针的制备方法和模拟土样的制备方法如实施例1。
将加固后模拟土样放于水蒸气容器中进行吸潮8小时，从而获得含有水分的加固土样。再将200mL FE的丙酮溶液引入到含水加固土质文物模拟样中，测定不同时间土样荧光发射光谱强度，其结果如图5所示。从图中可以看出不用时间段土样中包含了波长在520nm左右的自由水的荧光特征峰，也包含了波长在570nm左右的结合水的荧光特征峰。对比图4中未加固土样不同时间水分挥发水形态变化可以看出，在吸潮时间相同条件下，图5中加固土样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的重塑土样。正好说明了加固土样具有更强的水分挥发性，除了自由水容易挥发，其结合水也易于挥发。换言之，加固土样结合水挥发更为容易。
通过以上案例，可以说明采用FE为荧光探针可以实时在线检测土质文物中不同形态水分，而且能够灵敏检测出土质文物中不同形态的水分，这有益于获得土质文物中水分挥发行为，评价土质文物水理性能。
实施例5
在250mL的圆底烧瓶中依次加入0.5mol邻羟基苯乙酮、0.6mol对二乙胺基苯甲醛、75mL无水乙醇和15mL 50％KOH溶液，在80℃下加热搅拌回流1.5h，放置8h。然后倒入150mL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50mL无水乙醇的150mL圆底烧瓶中加入1.5g上述合成的查尔酮，继而在强烈搅拌下缓慢加入5mL20％NaOH溶液，再在0.5h内小心加入18mL 15％过氧化氢溶液。反应混合物在30℃下搅拌4h，再倒入100mL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。配制成0.02g/L FE的丙酮溶液。
将未加固模拟土样放于水蒸气容器中进行吸潮3小时，从而获得含有水分的未加固土样。再将200mL FE的丙酮溶液引入到含水未加固土质文物模拟样中，测定不同时间土样荧光发射光谱谱图。
实施例6
在250mL的圆底烧瓶中依次加入0.5mol邻羟基苯乙酮、0.6mol对二乙胺基苯甲醛、75mL无水乙醇和15mL 50％KOH溶液，在80℃下加热搅拌回流1.2h，放置8h。然后倒入150mL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50mL无水乙醇的150mL圆底烧瓶中加入1.5g上述合成的查尔酮，继而在强烈搅拌下缓慢加入5mL20％NaOH溶液，再在0.5h内小心加入18mL 15％过氧化氢溶液。反应混合物在30℃下搅拌4h，再倒入100mL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。配制成0.02g/L FE的丙酮溶液。
将加固后土样放于水蒸气容器中进行吸潮4小时，从而获得含有水分的加固土样。再将200mL FE的丙酮溶液引入到含水加固土样中，测定不同时间土样荧光发射光谱谱图。
实施例7
在250mL的圆底烧瓶中依次加入0.5mol邻羟基苯乙酮、0.6mol对二乙胺基苯甲醛、75mL无水乙醇和15mL 50％KOH溶液，在80℃下加热搅拌回流1.3h，放置9h。然后倒入150mL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50mL无水乙醇的150mL圆底烧瓶中加入1.5g上述合成的查尔酮，继而在强烈搅拌下缓慢加入5mL20％NaOH溶液，再在0.5h内小心加入18mL 15％过氧化氢溶液。反应混合物在30℃下搅拌3.7h，再倒入100mL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。配制成0.02g/L FE的丙酮溶液。
将未加固模拟土样放于水蒸气容器中进行吸潮5小时，从而获得含有水分的未加固土样。再将200mL FE的丙酮溶液引入到含水未加固土质文物模拟样中，测定不同时间土样荧光发射光谱谱图。
实施例8
在250mL的圆底烧瓶中依次加入0.5mol邻羟基苯乙酮、0.6mol对二乙胺基苯甲醛、75mL无水乙醇和15mL 50％KOH溶液，在80℃下加热搅拌回流1.4h，放置过9h。然后倒入150mL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50mL无水乙醇的150mL圆底烧瓶中加入1.5g上述合成的查尔酮，继而在强烈搅拌下缓慢加入5mL20％NaOH溶液，再在0.5h内小心加入18mL 15％过氧化氢溶液。反应混合物在30℃下搅拌3.8h，再倒入100mL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。配制成0.02g/L FE的丙酮溶液。
将加固后土样放于水蒸气容器中进行吸潮6小时，从而获得含有水分的加固土样。再将200mL FE的丙酮溶液引入到含水加固土样中，测定不同时间土样荧光发射光谱谱图，
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种在线荧光检测土质文物中水形态的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，混合邻羟基苯乙酮、对二乙胺基苯甲醛、无水乙醇和KOH溶液，加热搅拌回流1～1.5h后，放置8～10h，获得混合溶液A，将混合溶液A和水混合，通过酸类物质中和至pH值为6～8，冷却降温后获得沉淀，将沉淀过滤并干燥后获得查尔酮；将查尔酮加入至无水乙醇中，然后加入NaOH溶液和过氧化氢溶液，搅拌后和水混合，获得混合溶液B，通过酸类物质中和混合溶液B的pH值为6～8，冷却降温后析出沉淀，将沉淀过滤后洗涤，干燥后获得荧光物质4-二乙氨基-3-羟基黄酮；所述荧光物质4-二乙氨基-3-羟基黄酮的激发波长为400nm；
步骤2，将荧光物质溶解于丙酮溶液中，获得4-二乙氨基-3-羟基黄酮的丙酮溶液；
步骤3，将土质文物模拟样压制成为圆柱形模拟土样，将圆柱形模拟土样进行加固处理，将加固前后的模拟土样置于水蒸气容器中吸潮，获得含有水分的未加固土样和加固土样；所述圆柱形模拟土样的直径为1cm，高为0.8cm；
步骤4，将4-二乙氨基-3-羟基黄酮的丙酮溶液分别加入到未加固土样和加固土样中，测定不同时间的荧光发射光谱强度，检测土质文物中水形态；
4-二乙氨基-3-羟基黄酮的丙酮溶液的加入量为150～250mL；
土质文物中水形态包括自由水和结合水，在土样荧光发射光谱谱图中，波长为520nm的荧光特征峰为自由水的响应，波长为570nm为结合水的响应；通过荧光特征峰在520～570nm之间的移动反应了土样中水分形态的变化。
2.根据权利要求1所述的一种在线荧光检测土质文物中水形态的方法，其特征在于，步骤1中，邻羟基苯乙酮、对二乙胺基苯甲醛、无水乙醇和KOH溶液的混合比例为0.05mol：0.06mol：75mL：15mL。
3.根据权利要求1所述的一种在线荧光检测土质文物中水形态的方法，其特征在于，查尔酮和无水乙醇的混合比例为1.5g：50mL。
4.根据权利要求1所述的一种在线荧光检测土质文物中水形态的方法，其特征在于，NaOH溶液和查尔酮的混合比例为5mL：1.5g，所述NaOH的浓度为20％。
5.根据权利要求1所述的一种在线荧光检测土质文物中水形态的方法，其特征在于，过氧化氢溶液和查尔酮的混合比例为18mL：1.5g，所述过氧化氢溶液的浓度为15％。
6.根据权利要求1所述的一种在线荧光检测土质文物中水形态的方法，其特征在于，步骤1中，在查尔酮的无水乙醇溶液中加入NaOH溶液和过氧化氢溶液，在30℃下搅拌3.5～4h后，获得混合溶液B。
7.根据权利要求1所述的一种在线荧光检测土质文物中水形态的方法，其特征在于，步骤2中，所述4-二乙氨基-3-羟基黄酮的丙酮溶液中4-二乙氨基-3-羟基黄酮的浓度为0.02g/L。
8.根据权利要求1所述的一种在线荧光检测土质文物中水形态的方法，其特征在于，步骤3中，通过正硅酸乙酯水解缩合溶液作为加固剂对模拟图样进行加固。
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