荧光光谱学在象牙与猛犸象牙鉴定上的应用

1、荧光光谱学在象牙与猛犸象牙鉴定 上的应用 2013级 应用化学（1）班 学号： 姓名： 文章引自：宝石和宝石学杂志文章引自：宝石和宝石学杂志 Journal of Gems and GemmologyJournal of Gems and Gemmology 20132013年年9 9月月 第第1515卷，第卷，第3 3期期 吴晓，张钧，鲁先虎吴晓，张钧，鲁先虎 国家珠宝玉石质量监督检验中心上海实验室国家珠宝玉石质量监督检验中心上海实验室 摘 要 利用红外光谱仪及荧光分光光度计对象牙和猛犸象牙样品进行测试，通过对利用红外光谱仪及荧光分光光度计对象牙和猛犸象牙样品进行测试，通过对 测试结果的比对

2、、分析，总结二者的谱图特点，探索出更准确的检测方法。测试结果的比对、分析，总结二者的谱图特点，探索出更准确的检测方法。 猛犸象牙内部受石化作用小，其红外光谱与象牙的没有本质区别，故红外光猛犸象牙内部受石化作用小，其红外光谱与象牙的没有本质区别，故红外光 谱仪在象牙饰品的检测上难以提供准确信息。谱仪在象牙饰品的检测上难以提供准确信息。 荧光光谱的测试结果显示在荧光光谱的测试结果显示在280nm280nm波长光的激发下，由于氨基酸在微环境及其波长光的激发下，由于氨基酸在微环境及其 质量分数不同，象牙的发射光谱峰值在质量分数不同，象牙的发射光谱峰值在307nm307nm处，猛犸象牙的发射光谱峰值在处

3、，猛犸象牙的发射光谱峰值在 315nm315nm处，且象牙的荧光强度高于猛犸象牙。同步荧光光谱测试中处，且象牙的荧光强度高于猛犸象牙。同步荧光光谱测试中分别取分别取 1515，60nm60nm，分别测试样品中的酪氨酸、色氨酸，测试结果显示两类牙质测试，分别测试样品中的酪氨酸、色氨酸，测试结果显示两类牙质测试 图谱谱形一致但强度差异明显，即荧光分光光度计在象牙和猛犸象牙的检测图谱谱形一致但强度差异明显，即荧光分光光度计在象牙和猛犸象牙的检测 上可提供有效的信息。上可提供有效的信息。 引 言 猛犸，又称毛象，生活于气候寒冷的冰川时代，属第四纪更新世晚期动物，灭绝于距今约猛犸，又称毛象，生活于气候寒

4、冷的冰川时代，属第四纪更新世晚期动物，灭绝于距今约 三至五万年的全新世。猛犸的牙不仅长于当代象牙（即非洲象和亚洲象的象牙），且在外三至五万年的全新世。猛犸的牙不仅长于当代象牙（即非洲象和亚洲象的象牙），且在外 形上也有很大不同：猛犸象牙呈一螺旋弯曲状，受石化作用，表面为褐色，质地粗糙；现形上也有很大不同：猛犸象牙呈一螺旋弯曲状，受石化作用，表面为褐色，质地粗糙；现 代象牙则为弯月状，表面为乳白色或米色，质地细腻。（图代象牙则为弯月状，表面为乳白色或米色，质地细腻。（图1 1） 法律上，象牙交易属于被禁止的贸易，而猛犸象牙交易是合法的贸易，所以二者的正确区法律上，象牙交易属于被禁止的贸易，而猛犸

5、象牙交易是合法的贸易，所以二者的正确区 别鉴定尤为重要。由于牙体外形上的差异，原生牙的鉴定较为容易。但经雕刻等处理后的别鉴定尤为重要。由于牙体外形上的差异，原生牙的鉴定较为容易。但经雕刻等处理后的 牙类在鉴定上具有较大的困难。牙类在鉴定上具有较大的困难。 因此，通过红外光谱仪和荧光分光光度计对象牙和猛犸因此，通过红外光谱仪和荧光分光光度计对象牙和猛犸 象牙样品进行测试，分析、总结二者在红外光谱和荧光光谱上的表现特征，旨在为区分两象牙样品进行测试，分析、总结二者在红外光谱和荧光光谱上的表现特征，旨在为区分两 者提供一定的鉴定依据。从而探索可以准确有效的区分两类牙质的检测方法。者提供一定的鉴定依据

6、。从而探索可以准确有效的区分两类牙质的检测方法。 测试样品测试样品：来源可靠的象牙牙片来源可靠的象牙牙片 、保存较为完好的保存较为完好的 猛犸象牙牙片。猛犸象牙牙片。 肉眼观察肉眼观察：象牙牙片为乳白色，典型的油脂光泽，质象牙牙片为乳白色，典型的油脂光泽，质 地细腻滋润，韧性较高；猛犸象牙以褐黄白为主，表地细腻滋润，韧性较高；猛犸象牙以褐黄白为主，表 皮呈褐皮呈褐 灰色，蜡状光泽，质地较干涩，韧性较差。灰色，蜡状光泽，质地较干涩，韧性较差。 1.样品描述 实验仪器：实验仪器：国家珠宝玉石质量监督检验中心上海实国家珠宝玉石质量监督检验中心上海实 验室验室的的NICOLET 5700型红外光谱仪型

7、红外光谱仪 测试方法：粉末法分别从猛犸象牙样品的近表皮测试方法：粉末法分别从猛犸象牙样品的近表皮 （即石化程度严重处（即石化程度严重处 ）、内部勒兹纹）、内部勒兹纹 （受石化作用（受石化作用 较小）及象牙内部的勒兹纹取粉压片，扫描范围：较小）及象牙内部的勒兹纹取粉压片，扫描范围：4 000480cm-1，室温，室温22 ， ，湿度湿度4.0%4.4%。 2.红外光谱测试 测试结果（图2、表1） 三个测试点的红外光谱的主峰位置一致，三个测试点的红外光谱的主峰位置一致， 主要吸收峰在主要吸收峰在10003500cm10003500cm-1 -1范围内。 范围内。 1240cm1240cm-1 -1

8、 : : 酰胺酰胺 带带 1561cm1561cm-1 -1 ：酰胺 ：酰胺带带 1655cm1655cm-1 -1：酰胺 ：酰胺I I带带 1465cm1465cm-1 -1：弯曲振动 ：弯曲振动 11001050cm11001050cm-1 -1：羟基磷酸钙中 ：羟基磷酸钙中POPO4 43- 3-反对称 反对称 伸缩振动伸缩振动 3400cm3400cm-1 -1：胶原蛋白中氨基和羟基的振动 ：胶原蛋白中氨基和羟基的振动 图图2 2 象牙和猛犸象牙的红外光谱象牙和猛犸象牙的红外光谱 注：象牙的勒兹纹；猛犸象牙的勒兹纹；猛犸象牙的近表皮 象牙和猛犸象牙的成分相同象牙和猛犸象牙的成分相同 表

9、表1 象牙和猛犸象牙的红外光谱与标准红外图谱峰值比对表象牙和猛犸象牙的红外光谱与标准红外图谱峰值比对表 象牙和猛犸象牙红外光谱中的主峰与胶原蛋白酰胺键、象牙和猛犸象牙红外光谱中的主峰与胶原蛋白酰胺键、C-HC-H键及键及POPO4 43- 3- 的波数对应值 的波数对应值 可在表中相应读出。可在表中相应读出。 由于长期的石化作用导致胶原蛋白受到破由于长期的石化作用导致胶原蛋白受到破 坏，因此图中猛犸象牙样品近表皮处酰胺键的坏，因此图中猛犸象牙样品近表皮处酰胺键的 红外吸收带峰形发生明显变化：测试点的吸收红外吸收带峰形发生明显变化：测试点的吸收 强度减弱明显，此时猛犸象牙的红外光谱与象强度减弱明

10、显，此时猛犸象牙的红外光谱与象 牙的有明显不同，则红外光谱测试可作为鉴定牙的有明显不同，则红外光谱测试可作为鉴定 两类牙质的有效测试手段。两类牙质的有效测试手段。 同时图中猛犸象牙内部的牙质因石化作用同时图中猛犸象牙内部的牙质因石化作用 相对外部的小，胶原蛋白流失较弱，在红外光相对外部的小，胶原蛋白流失较弱，在红外光 谱中酰胺键吸收谱带强度虽稍有减弱，但整体谱中酰胺键吸收谱带强度虽稍有减弱，但整体 峰形与象牙谱图无明显区别，因此红外光谱测峰形与象牙谱图无明显区别，因此红外光谱测 试在鉴定上具有一定的局限性。试在鉴定上具有一定的局限性。 3.荧光光谱实验 荧光分析利用不同物质在外来光的激发下发出

11、不同颜色或强度的光进而对物质进行定荧光分析利用不同物质在外来光的激发下发出不同颜色或强度的光进而对物质进行定 性或定量分析（定量分析一般用于已知液体样品测试）。常规的荧光分析方法是直接测定性或定量分析（定量分析一般用于已知液体样品测试）。常规的荧光分析方法是直接测定 待测物质，对其荧光光谱进行分析，包括峰的位置和强度等因素。待测物质，对其荧光光谱进行分析，包括峰的位置和强度等因素。 同步扫描技术可同时扫描激发和发射两个单色器波长，由测得的荧光强度信号与对应同步扫描技术可同时扫描激发和发射两个单色器波长，由测得的荧光强度信号与对应 的激发波长（或发射波长）构成光谱图，称为同步荧光光谱，适合分析多

12、组分混合物。固的激发波长（或发射波长）构成光谱图，称为同步荧光光谱，适合分析多组分混合物。固 定波长同步荧光法是指在扫描过程中激发波长和发射波长彼此间保持固定的波长间隔定波长同步荧光法是指在扫描过程中激发波长和发射波长彼此间保持固定的波长间隔 （ 常数），通过选择合适的波长差，将在普通荧光光谱上相互重叠的 常数），通过选择合适的波长差，将在普通荧光光谱上相互重叠的 荧光峰分开，所以荧光峰分开，所以值的选择直接影响到同步荧光光谱的形状、带宽和信号强度。值的选择直接影响到同步荧光光谱的形状、带宽和信号强度。 3.13.1 荧光光谱分析的基本原理荧光光谱分析的基本原理 测试仪器：华东理工大学的岛津R

13、F-5301PC荧光分 光光度计（图3） 测试环境室温：，湿度： 制样：取待测样品靠近内部的勒兹纹层和细同心纹 层，切成大小适宜的薄片，后用细砂纸打磨表面并 用纯净水清洗，测试样品约0.7mm厚（图）。 3.23.2 仪器及测试仪器及测试 图图3 3 荧光分光光度计荧光分光光度计 测试方法：狭缝宽度均设置在测试方法：狭缝宽度均设置在5nm5nm，入射光，入射光 线与样品表面成线与样品表面成4545。 。夹角，通过反射法直接 夹角，通过反射法直接 测试样品表层及浅表层。首先以测试样品表层及浅表层。首先以280nm280nm波长波长 光为样品的激发波长光，测试得到样品荧光为样品的激发波长光，测试得

14、到样品荧 光光谱。然后采用固定波长同步荧光光谱光光谱。然后采用固定波长同步荧光光谱 法对样品进行测试，固定波长差法对样品进行测试，固定波长差分别取分别取 1515，60nm60nm。 图图4 4 测试样品：上排为象牙牙片；下排是猛犸象牙牙片测试样品：上排为象牙牙片；下排是猛犸象牙牙片 两种牙类的主要成分为胶原蛋白和羟基磷酸钙，由于石化作用，猛犸象牙中的胶原蛋白两种牙类的主要成分为胶原蛋白和羟基磷酸钙，由于石化作用，猛犸象牙中的胶原蛋白 成分遭到破坏。在蛋白质内，存在苯丙氨酸到色氨酸或酪氨酸的有效的共振能量转移过成分遭到破坏。在蛋白质内，存在苯丙氨酸到色氨酸或酪氨酸的有效的共振能量转移过 程，并

15、导致苯丙氨酸的荧光猝灭现象，所以苯丙氨酸的荧光发射可以忽略。程，并导致苯丙氨酸的荧光猝灭现象，所以苯丙氨酸的荧光发射可以忽略。 3.33.3 原理与结果分析原理与结果分析 图图5 5 象牙（象牙（a a）和猛犸象牙（）和猛犸象牙（b b）的荧光光谱）的荧光光谱 280nm280nm波长光激发下，波长光激发下， 象牙的发射峰值象牙的发射峰值: : 307nm307nm 猛犸象牙的发射峰值猛犸象牙的发射峰值:315nm:315nm 研究表明：肽链的结构不同（氨基酸序列的研究表明：肽链的结构不同（氨基酸序列的 不同），在荧光光谱上都会有反映；当肽链不同），在荧光光谱上都会有反映；当肽链 的氨基酸序列

16、一样，其残基所处的微环境不的氨基酸序列一样，其残基所处的微环境不 同，它的性质也受到影响，在荧光光谱上同同，它的性质也受到影响，在荧光光谱上同 样有所表征。样有所表征。 分析结果表明，两种样品中胶原蛋白内氨基分析结果表明，两种样品中胶原蛋白内氨基 酸的质量分数与所处微环境存在较大差异，即酸的质量分数与所处微环境存在较大差异，即 猛犸象牙中色氨酸和酪氨酸因石化等作用发生猛犸象牙中色氨酸和酪氨酸因石化等作用发生 一定变化，在质量分数以及所处微环境等方面一定变化，在质量分数以及所处微环境等方面 明显不同于象牙。明显不同于象牙。 固定波长同步荧光光谱测定结果（图6，图7） 图图6 6 象牙和猛犸象牙的

17、同步荧光光谱象牙和猛犸象牙的同步荧光光谱( (15nm)15nm) 主要呈现酪氨酸的光谱特征主要呈现酪氨酸的光谱特征 图图7 7 象牙和猛犸象牙的同步荧光光谱象牙和猛犸象牙的同步荧光光谱( (60nm)60nm) 主要呈现色氨酸的光谱特征主要呈现色氨酸的光谱特征 实验结果说明，利用象牙与猛犸象牙内胶原蛋白中氨基 酸的质量分数及微环境存在差异这个特点，通过荧光分 光光度计来对两者进行测试区分是可行的。 红外光谱仪应用于象牙和猛犸象牙鉴定的准确性受猛犸象牙红外光谱仪应用于象牙和猛犸象牙鉴定的准确性受猛犸象牙 测试品石化程度强弱的影响：石化强度强，胶原蛋白所对应测试品石化程度强弱的影响：石化强度强，胶原蛋白所对应 的峰值吸收强度减小，两类牙质红外光谱谱形差异大，这是的峰值吸收强度减小，两类牙质红外光谱谱形差异大，这是 红外光谱仪可作为测试手段；反之则无效。红外光谱仪可作为测试手段；反之则无效。 在