中科大考古学-古代残留物分析

1、古代残留物分古代残留物分析的若干介绍析的若干介绍考古残留物，主要是指考古遗存中考古残留物，主要是指考古遗存中附着于考古学遗迹或遗物主体的物附着于考古学遗迹或遗物主体的物质，如容器埋藏时的内容物或使用质，如容器埋藏时的内容物或使用过程中附着的残渣。考古残留物分过程中附着的残渣。考古残留物分析研究对象，区别于通常考古学研析研究对象，区别于通常考古学研究中器物本身或鉴别特征明显的动究中器物本身或鉴别特征明显的动植物骨架、残体，主要是无特定形植物骨架、残体，主要是无特定形态特征的固体或液体，既可以是有态特征的固体或液体，既可以是有机物，也可以是无机物或混合物。机物，也可以是无机物或混合物。 在考古学发

2、展过程的最初阶段，在考古学发展过程的最初阶段，这方面的研究容易被忽视。随着这方面的研究容易被忽视。随着田野考古水平的提高和科技考古田野考古水平的提高和科技考古的发展，多学科联合发掘逐渐成的发展，多学科联合发掘逐渐成为田野考古的发展方向，考古残为田野考古的发展方向，考古残留物的采集与分析已越来越得到留物的采集与分析已越来越得到重视。重视。根据载体的差异，考古残留物分根据载体的差异，考古残留物分类和特征如下：类和特征如下：a）封闭容器内残留物：属于封）封闭容器内残留物：属于封闭体系，与外界环境没有直接的闭体系，与外界环境没有直接的物质交换，污染较低，降解程度物质交换，污染较低，降解程度高低不等。高

3、低不等。b）器壁附着物：容器在使用过）器壁附着物：容器在使用过程或埋藏过程中，由于某种原程或埋藏过程中，由于某种原因附着在器壁上的部分，如容因附着在器壁上的部分，如容器内外涂层、食物残渣。视埋器内外涂层、食物残渣。视埋藏情况，污染程度不等。如陶藏情况，污染程度不等。如陶器表面炭化层、金属器涂层、器表面炭化层、金属器涂层、石器表面残留物等。石器表面残留物等。c）多孔容器器壁渗入物：属于半）多孔容器器壁渗入物：属于半封闭体系，如陶器使用过程中渗封闭体系，如陶器使用过程中渗入陶器壁的物质。埋藏过程中与入陶器壁的物质。埋藏过程中与外界可能有无机盐等物质交换，外界可能有无机盐等物质交换，但对淀粉粒、脂肪

4、等保存较好。但对淀粉粒、脂肪等保存较好。d）埋藏环境中残留物：如包裹）埋藏环境中残留物：如包裹容器的土层。容器的土层。考古残留物携带了先民食谱、容器考古残留物携带了先民食谱、容器用途、技术工艺等大量原始信息。用途、技术工艺等大量原始信息。对这些信息的分析和解读，可以为对这些信息的分析和解读，可以为许多待解决的考古学问题，提供直许多待解决的考古学问题，提供直接的科学依据，因而在现代考古学接的科学依据，因而在现代考古学尤其是古食谱研究中有重要意义。尤其是古食谱研究中有重要意义。研究残留物在埋藏过程中的变化机研究残留物在埋藏过程中的变化机理，在埋藏学研究中也同样具有重理，在埋藏学研究中也同样具有重要

5、价值。要价值。考古残留物，尤其是其中的有机考古残留物，尤其是其中的有机成分，经过漫长的埋藏过程，会成分，经过漫长的埋藏过程，会发生不同程度的降解和复杂的物发生不同程度的降解和复杂的物理化学变化。在考古发掘出土后，理化学变化。在考古发掘出土后，又因为环境突变或发掘中的清洗、又因为环境突变或发掘中的清洗、保护等处理，极易发生进一步变保护等处理，极易发生进一步变化，使得采样和研究均受到很大化，使得采样和研究均受到很大限制。这些不利因素都增加了考限制。这些不利因素都增加了考古残留物研究的难度。古残留物研究的难度。如何有效的分析考古残留物，如何有效的分析考古残留物，排除污染和降解因素干扰，从排除污染和降

6、解因素干扰，从复杂的降解产物中提取出残留复杂的降解产物中提取出残留物最初的来源和制作工艺的相物最初的来源和制作工艺的相关信息，是残留物分析的重点关信息，是残留物分析的重点和难点。和难点。近几十年来，借鉴同位素地球化学、近几十年来，借鉴同位素地球化学、有机地球化学、古人类食谱研究、有机地球化学、古人类食谱研究、环境考古学等相对成熟领域的研究环境考古学等相对成熟领域的研究方法，国际上的残留物分析业已取方法，国际上的残留物分析业已取得一系列令人瞩目的研究成果。得一系列令人瞩目的研究成果。目前对考古残留物的分析，从方目前对考古残留物的分析，从方法上可以划分为三大类：显微结法上可以划分为三大类：显微结构

7、观察、化学成分与物相分析以构观察、化学成分与物相分析以及稳定同位素分析，各有侧重，及稳定同位素分析，各有侧重，分别从外形结构、分子和原子层分别从外形结构、分子和原子层面进行研究。已经成功应用于考面进行研究。已经成功应用于考古残留物分析的具体方法，大致古残留物分析的具体方法，大致如下：如下： 显微结构观察显微结构观察 考古残留物的分析始于观察。按观考古残留物的分析始于观察。按观察对象的尺寸来划分，材料结构的察对象的尺寸来划分，材料结构的层次分为宏观结构（层次分为宏观结构（ 100 m）、）、显微结构（显微结构（0.2-100 m）、亚显微）、亚显微结构（结构（10-200 nm）、微观结构）、微

8、观结构（ 10 nm）。通常对考古残留物）。通常对考古残留物的观察只到显微或亚显微结构层次，的观察只到显微或亚显微结构层次，常用仪器为光学显微镜和扫描电子常用仪器为光学显微镜和扫描电子显微镜。显微镜。显微观察直观、可靠、成本低，是显微观察直观、可靠、成本低，是其他分析手段难以替代的。显微结其他分析手段难以替代的。显微结构观察既可以了解残留物的显微结构观察既可以了解残留物的显微结构和保存状况，又可以配合其他提构和保存状况，又可以配合其他提取方法，对残留物中分别提取的大取方法，对残留物中分别提取的大植物遗存、孢粉、植硅体和淀粉粒植物遗存、孢粉、植硅体和淀粉粒进行分析，利用植物考古的手段，进行分析，

9、利用植物考古的手段，有时可以将残留物原有植物鉴别到有时可以将残留物原有植物鉴别到种属种属 其中，淀粉粒分析由于可以精确到种属，是其中，淀粉粒分析由于可以精确到种属，是其他分析方法难于企及的，在中美洲等地区其他分析方法难于企及的，在中美洲等地区植物考古中应用广泛，在考古残留物分析中植物考古中应用广泛，在考古残留物分析中也发挥了重要作用。也发挥了重要作用。 吕厚远吕厚远2005年发表了年发表了喇家遗址出土面条的淀粉粒和植硅体照片，喇家遗址出土面条的淀粉粒和植硅体照片，以切实的证据推断原料为小米（粟）。以切实的证据推断原料为小米（粟）。Lamb（2005）将刚果红染色法应用于机械加工的）将刚果红染色

10、法应用于机械加工的淀粉粒、糊化淀粉粒的偏光显微镜下鉴定，淀粉粒、糊化淀粉粒的偏光显微镜下鉴定，将成分分析与显微观察相结合，进一步拓展将成分分析与显微观察相结合，进一步拓展了淀粉粒分析在考古领域的应用范围。了淀粉粒分析在考古领域的应用范围。此外，显微结构观察还被用来分析残此外，显微结构观察还被用来分析残留物中的矿物。朱继平（留物中的矿物。朱继平（2003）通）通过光学显微镜观察长江三峡中坝遗址过光学显微镜观察长江三峡中坝遗址出土的花边陶釜内壁附着的原始沉淀出土的花边陶釜内壁附着的原始沉淀物液态包裹体，分析测试结果表明其物液态包裹体，分析测试结果表明其均一温度为均一温度为85115 ，代表着当时，

11、代表着当时煮盐的溶液温度，表明该陶釜是作为煮盐的溶液温度，表明该陶釜是作为熬盐的工具。熬盐的工具。 红外光谱分析红外光谱分析分子振动和转动能级跃迁可以吸收特定的红分子振动和转动能级跃迁可以吸收特定的红外波长。当一束具有连续波长的红外光通过外波长。当一束具有连续波长的红外光通过物质时，其中满足跃迁能级波长的光会被物物质时，其中满足跃迁能级波长的光会被物质吸收，原来的基态振动能级跃迁到能量较质吸收，原来的基态振动能级跃迁到能量较高的振动能级。将分子吸收红外光的情况用高的振动能级。将分子吸收红外光的情况用仪器记录下，就得到红外光谱图。振动频率仪器记录下，就得到红外光谱图。振动频率与基团化学键、化学环

12、境等分子结构信息有与基团化学键、化学环境等分子结构信息有关，特定的化合物有特定的红外吸收光谱，关，特定的化合物有特定的红外吸收光谱，因而可以通过红外吸收光谱研究分子结构。因而可以通过红外吸收光谱研究分子结构。红外光谱包括波长从红外光谱包括波长从0.761000m范围的电磁波。一般将红范围的电磁波。一般将红外光谱分为近红外外光谱分为近红外(0.762.5m)、中红外中红外(2.550m)和远红外和远红外(501000m)三个光谱区域。绝大多数三个光谱区域。绝大多数化合物的化学键振动频率出现在中化合物的化学键振动频率出现在中红外区，通常考古样品的分析也利红外区，通常考古样品的分析也利用这个区域。用

13、这个区域。傅立叶变换红外光谱仪是通过测量干涉傅立叶变换红外光谱仪是通过测量干涉图和对干涉图进行傅里叶变换的方法来图和对干涉图进行傅里叶变换的方法来获得红外光谱。获得红外光谱。 目前实验室常用傅立叶变换红外光谱目前实验室常用傅立叶变换红外光谱仪的主要特点是：光谱范围覆盖仪的主要特点是：光谱范围覆盖4000-400cm-1；样品用量小，；样品用量小，10mg以下的样以下的样品完全可以满足红外光谱分析的要求；品完全可以满足红外光谱分析的要求；分析速度快，单个样品扫描时间通常在分析速度快，单个样品扫描时间通常在10min以内。以内。 傅立叶变换红外光谱适用范围广，傅立叶变换红外光谱适用范围广，有机和无

14、机物都适用。加之红外有机和无机物都适用。加之红外光谱分析已经有超过半个世纪的光谱分析已经有超过半个世纪的历史，累积了大量标准谱图数据，历史，累积了大量标准谱图数据，配合谱图解析可以鉴别常见有机配合谱图解析可以鉴别常见有机物和大多数天然矿物物和大多数天然矿物 考古残留物大多数是混合物，直考古残留物大多数是混合物，直接用红外光谱定性比较困难。红接用红外光谱定性比较困难。红外光谱主要用于估计有机物含量、外光谱主要用于估计有机物含量、分析主要官能团结构，在残留物分析主要官能团结构，在残留物分析中起基础性作用。分析中起基础性作用。 X射线衍射（射线衍射（XRD）分析）分析 射线波长与晶体中的原子间距射线

15、波长与晶体中的原子间距属于同一数量级，晶体可以作为属于同一数量级，晶体可以作为X射线的空间衍射光栅射线的空间衍射光栅,即当一束即当一束 X射线通过晶体时将发生衍射，射线通过晶体时将发生衍射，衍射波叠加的结果使射线的强度衍射波叠加的结果使射线的强度在某些方向上加强，在其他方向在某些方向上加强，在其他方向上减弱。上减弱。目前常见的目前常见的X射线粉晶衍射法，是用射线粉晶衍射法，是用单色单色X射线在一定角度范围对样品进射线在一定角度范围对样品进行扫描，所获得的衍射角行扫描，所获得的衍射角2和衍射和衍射强度强度I构成的衍射谱（衍射花样）与构成的衍射谱（衍射花样）与样品晶面族相对应，记录了试样物质样品晶

16、面族相对应，记录了试样物质的结构特征。可以根据的结构特征。可以根据X射线衍射的射线衍射的方法对试样中由各种元素形成的具有方法对试样中由各种元素形成的具有确定结构的化合物（物相），进行定确定结构的化合物（物相），进行定性和定量分析。性和定量分析。XRD分析的优点是多物相共存时，分析的优点是多物相共存时，它们的衍射峰只是简单叠加，互它们的衍射峰只是简单叠加，互不干扰，不影响解谱。故样品可不干扰，不影响解谱。故样品可以是混合物，能一次检出多个物以是混合物，能一次检出多个物相。测试速度快。在残留物分析相。测试速度快。在残留物分析中主要用于分析残留物中的矿物、中主要用于分析残留物中的矿物、金属等无机残留

17、物，能准确的鉴金属等无机残留物，能准确的鉴别残留的矿物种类。别残留的矿物种类。 XRD也可以检测出结晶程度较高的也可以检测出结晶程度较高的有机物，如脂肪酸（有机物，如脂肪酸（Evershed，2004），但对非结晶态物质无能为），但对非结晶态物质无能为力。鉴于考古残留的有机物通常结力。鉴于考古残留的有机物通常结晶度不高，保存状况不是很好，一晶度不高，保存状况不是很好，一般不作为有机物分析的主要手段。般不作为有机物分析的主要手段。 蛋白质免疫学测试蛋白质免疫学测试 能诱导机体产生免疫应答的物质称为抗能诱导机体产生免疫应答的物质称为抗原。抗原刺激生物体产生免疫应答，包原。抗原刺激生物体产生免疫应答

18、，包括细胞免疫应答和体液免疫应答。体液括细胞免疫应答和体液免疫应答。体液应答产生的产物称为抗体，又称免疫球应答产生的产物称为抗体，又称免疫球蛋白。抗体能特异性的识别相应抗原，蛋白。抗体能特异性的识别相应抗原，在外界条件的作用下出现某种现象，如在外界条件的作用下出现某种现象，如凝集或沉淀，称为抗原抗体反应凝集或沉淀，称为抗原抗体反应.可用已可用已知抗体（或抗原）检测未知抗原（或抗知抗体（或抗原）检测未知抗原（或抗体）。免疫学方法用于考古样品，主要体）。免疫学方法用于考古样品，主要用来测试蛋白质用来测试蛋白质 免疫学方法检测蛋白质具有高度特异免疫学方法检测蛋白质具有高度特异性和高灵敏度，被用来分析

19、动物血液、性和高灵敏度，被用来分析动物血液、动物乳和乳制品残留物等。动物乳和乳制品残留物等。Kennth（1995）利用该方法对美国黄石国）利用该方法对美国黄石国家公园出土的石器进行了分析，在其家公园出土的石器进行了分析，在其中的砂岩磨盘上发现了麋鹿的血，对中的砂岩磨盘上发现了麋鹿的血，对磨盘通常被认为是农作物加工证据的磨盘通常被认为是农作物加工证据的观点提出了质疑。观点提出了质疑。免疫学方法应用于考古残留物样品免疫学方法应用于考古残留物样品中蛋白质的前提是，在经历了漫长中蛋白质的前提是，在经历了漫长的埋藏过程之后蛋白质仍然能够保的埋藏过程之后蛋白质仍然能够保存下来，或者至少保持了其免疫原存下

20、来，或者至少保持了其免疫原性。此前提能否满足仍在争论中。性。此前提能否满足仍在争论中。模拟实验研究表明埋藏模拟实验研究表明埋藏13年或常年或常规清洗的石器上仍能提取到足够的规清洗的石器上仍能提取到足够的蛋白质量用于免疫学分析（蛋白质量用于免疫学分析（Craig，2002； Shanks，2004）。）。免疫学方法的主要局限性是，除了免疫学方法的主要局限性是，除了提取样品中蛋白质和排除污染之外，提取样品中蛋白质和排除污染之外，还要准备有针对性的抗原。推测可还要准备有针对性的抗原。推测可能有多少种蛋白质，就要准备多少能有多少种蛋白质，就要准备多少种抗体。因此要求对残留物样品上种抗体。因此要求对残留

21、物样品上可能存在的蛋白质有尽可能准确的可能存在的蛋白质有尽可能准确的推测。推测。 无论如何，免疫学方法，无论如何，免疫学方法， 对于很多对于很多考古样品，尤其是我国古代食性多考古样品，尤其是我国古代食性多样、容器用途复杂，做出比较准确样、容器用途复杂，做出比较准确的推测是相当困难的。加上试剂成的推测是相当困难的。加上试剂成本比较高，大大限制了此种方法的本比较高，大大限制了此种方法的利用。在我国至今未见此方法用于利用。在我国至今未见此方法用于考古残留物分析的报道。考古残留物分析的报道。 13C固体核磁共振（固体核磁共振（NMR）分析）分析 核磁共振核磁共振(Nuclear Magnetic Re

22、sonance缩写为缩写为NMR)，是利用，是利用原子核磁矩的共振吸收来研究物质原子核磁矩的共振吸收来研究物质结构尤其是分子结构的。原子核的结构尤其是分子结构的。原子核的有磁矩与核自旋（自旋量子数有磁矩与核自旋（自旋量子数I）：）： 固体固体13C NMR谱对样品没有损伤，谱对样品没有损伤，补充了光谱、色谱的某些不足，对补充了光谱、色谱的某些不足，对有机考古样品的鉴定、测试等方面有机考古样品的鉴定、测试等方面发挥很大作用。发挥很大作用。 固体固体13C NMR谱应用于容器表面谱应用于容器表面壳状固体残留物分析，是考古残留壳状固体残留物分析，是考古残留物分析的一大进步物分析的一大进步(Sherr

23、iff等，等，1995)。这种方法的优点是，避免。这种方法的优点是，避免了需要针对性很强的萃取和化学分了需要针对性很强的萃取和化学分析过程，也可以防止在化学分析分析过程，也可以防止在化学分析分离过程中引入新的污染，对考古学离过程中引入新的污染，对考古学家来说，采样和制样更为方便家来说，采样和制样更为方便（Oudemans，2007）。）。 然而，即使是现在，扫描一张固体然而，即使是现在，扫描一张固体碳碳NMR谱仍要几小时到几十个小谱仍要几小时到几十个小时，费用太高，不适应我国现阶段时，费用太高，不适应我国现阶段考古研究现状。我国至今还没有考古研究现状。我国至今还没有NMR碳谱分析考古学样品的报

24、道。碳谱分析考古学样品的报道。 气相色谱气相色谱-质谱联用（质谱联用（GC-MS）分析）分析 气相色谱气相色谱-质谱联用技术是利用毛细质谱联用技术是利用毛细管气相色谱法分离组分，不同组分管气相色谱法分离组分，不同组分由于在固定相和流动相中的分配系由于在固定相和流动相中的分配系数不同，导致流出色谱柱时间不等，数不同，导致流出色谱柱时间不等，出峰顺序不同，即得到色谱图。出峰顺序不同，即得到色谱图。 GC-MS的优点是，可以同时对混的优点是，可以同时对混合物的一系列组分定性。合物的一系列组分定性。GC-MS分析在现代天然产物成分分析中得分析在现代天然产物成分分析中得到了普遍应用。在考古样品的分析到了

25、普遍应用。在考古样品的分析中，中，GC-MS常用于脂肪酸、高级常用于脂肪酸、高级脂肪醇、甾醇和烃类等脂类或脂溶脂肪醇、甾醇和烃类等脂类或脂溶性组分分析。能分析的范围视色谱性组分分析。能分析的范围视色谱柱和色谱条件而定。柱和色谱条件而定。 1990年年Evershed采用的高温气相采用的高温气相色谱柱色谱柱GC-MS，可以分离脂肪酸，可以分离脂肪酸甘三脂。甘三脂。 Kimpe等（等（2001年）采用年）采用GC-MS和液相色谱和液相色谱/大气压解离质谱联用大气压解离质谱联用(LCAPCIMS)法分析土耳其法分析土耳其Sagalassos遗址出土的灯油，从遗址出土的灯油，从中检出的脂肪酸种类和甘三

26、酯结构，中检出的脂肪酸种类和甘三酯结构，显示做燃料的灯油中主要是橄榄油，显示做燃料的灯油中主要是橄榄油，并含有动物油的成分。并含有动物油的成分。 GC-MS分析费用较高，实验流程去分析费用较高，实验流程去污染要求严格，受实验条件和样品污染要求严格，受实验条件和样品限制国内将此方法应用于考古样品限制国内将此方法应用于考古样品分析尚处于起步阶段。分析尚处于起步阶段。 稳定同位素分析稳定同位素分析 质子数相同而中子数不同的原子称为质子数相同而中子数不同的原子称为同位素同位素(Isotope)，稳定同位素指无可，稳定同位素指无可测放射性的同位素。由同位素质量差测放射性的同位素。由同位素质量差所引起的物

27、理和化学性质上的差异，所引起的物理和化学性质上的差异，称作同位素效应（称作同位素效应（Isotopic effects）。）。因这种微小的性质差别，经物理的、因这种微小的性质差别，经物理的、化学的或生物的过程之后，体系的不化学的或生物的过程之后，体系的不同部分同部分(如反应物和产物如反应物和产物)的同位素组成的同位素组成将发生微小的、但可测量的改变，叫将发生微小的、但可测量的改变，叫做同位素分馏做同位素分馏 同位素比值R为某一元素的重同位素丰度与轻同位素丰度之比，例如 D/H、13C/12C、34S/32S等，由于轻元素在自然界中轻同位素的相对丰度很高，而重同位素的相对丰度都很低，R值就很低且

28、很冗长繁琐不便于比较，故在实际工作中采用了样品的值来表示样品的同位素成分。样品（sq）的同位素比值Rsq与一标准物质（st）的同位素比值（Rst）比较，比较结果称为样品的值，其定义为：（）= =（ R Rsqsq/ R/ Rst st - 1- 1）10001000即样品的同位素比值相对于标准物质同位素比值的千分差。 稳定同位素分析在考古学上，主要稳定同位素分析在考古学上，主要应用于古人类食谱研究。基于动植应用于古人类食谱研究。基于动植物体的同位素分馏效应与代谢途径、物体的同位素分馏效应与代谢途径、食物种类和营养级有关，针对考古食物种类和营养级有关，针对考古残留物与人骨样品在研究目的和性残留物

29、与人骨样品在研究目的和性质上的差异，残留物样品主要分析质上的差异，残留物样品主要分析C、N同位素：同位素： C稳定同位素稳定同位素 空气中含有碳的空气中含有碳的3 种同位素种同位素12C, 13C和和14C (其中其中14C是放射性同位素是放射性同位素,而而13C和和12C为稳定同位素为稳定同位素) 。通过。通过植物的光合作用，植物的光合作用，C的同位素进入的同位素进入食物链，并在不同的生化过程中被食物链，并在不同的生化过程中被分馏。通常研究分馏。通常研究13C的分馏效应，的分馏效应，作为反映不同代谢途径的指标。作为反映不同代谢途径的指标。 到目前为止，所发现的光合作用的到目前为止，所发现的光

30、合作用的途径主要有三种。一是卡尔文途径，途径主要有三种。一是卡尔文途径，是是60 年代初由卡尔文年代初由卡尔文(Calvin) 发发现的。它的最初产物现的。它的最初产物3-磷酰甘油酸磷酰甘油酸(3-PGA)，这是一种三个碳的化合，这是一种三个碳的化合物，一般称为物，一般称为C3化合物。由此，最化合物。由此，最初生成初生成C3化合物的一类植物称为化合物的一类植物称为C3植物。植物。 二是哈二是哈-斯途径。哈斯途径。哈-斯途径是斯途径是60年年代后期由哈奇代后期由哈奇(Hatch)和斯莱克和斯莱克(Slack) 发现的。这种途径的最初发现的。这种途径的最初产物是苹果酸产物是苹果酸(Malic ac

31、id) 和天冬和天冬氨酸氨酸(Aspartic acid) 等四个碳的等四个碳的化合物。所以最初生成这种产物的化合物。所以最初生成这种产物的一类植物称为一类植物称为C4植物。植物。 此后又有人发现了少数多汁植物所此后又有人发现了少数多汁植物所遵循的称为遵循的称为CAM的光合作用途径。的光合作用途径。 我国的常见作物，我国的常见作物，C3类有稻米、小类有稻米、小麦等，其麦等，其13C值范围为值范围为-23 -30,平均值为平均值为-26.5。C4类植物，有类植物，有玉米、小米、高粱等，玉米、小米、高粱等，13C值范围值范围为为-8 -14,平均值为平均值为-12.5 。CAM 类，有菠萝、甜菜等

32、类，有菠萝、甜菜等, 13C值范围为值范围为-12 -23，平均值为，平均值为-17 与陆生食物不同，海生食物主要依与陆生食物不同，海生食物主要依靠溶解在海水中的靠溶解在海水中的CO2进行光合作进行光合作用，而海水中的用，而海水中的CO2较空气中较空气中CO2富集富集13C，这种富集被带入了食物，这种富集被带入了食物链中而导致海生生物较同一营养级链中而导致海生生物较同一营养级的陆生生物富集的陆生生物富集13C，13C的范围的范围落于落于C3和和C4范围之内。范围之内。 N稳定同位素稳定同位素 只有少数植物，主要是豆科植物，只有少数植物，主要是豆科植物，依靠与其共生于根部的根瘤菌，可依靠与其共生

33、于根部的根瘤菌，可以直接把大气中以直接把大气中N2转化为转化为NH3，然，然后被植物吸收。一些藻类和菌类也后被植物吸收。一些藻类和菌类也可以直接转化大气中的可以直接转化大气中的N2而吸收而吸收N。在这样的过程中，基本上没有同位在这样的过程中，基本上没有同位素的分馏，故素的分馏，故15N大约等于大约等于0。 其他植物，则不能利用此途径来获其他植物，则不能利用此途径来获取取N，必须从，必须从NH3转化而来的转化而来的NO3和和N盐来获取维持正常生理功能所盐来获取维持正常生理功能所需的需的N。在。在N的转化过程中，其同的转化过程中，其同位素将发生分馏，导致位素将发生分馏，导致15N的富集。的富集。与

34、豆科植物相比，非豆科植物具有与豆科植物相比，非豆科植物具有较高的较高的15N。水生动植物有更高的。水生动植物有更高的15N。 海洋中含有大量的硝酸根离子团，海洋中含有大量的硝酸根离子团，动、植物以其为动、植物以其为N源，它们的源，它们的15N值高于同一营养级的陆生生物。食值高于同一营养级的陆生生物。食海生植物的动物，其海生植物的动物，其15N平均为平均为14.82.5，其它动物包括淡水鱼、，其它动物包括淡水鱼、食陆生动物的动物，其食陆生动物的动物，其15N平均值平均值为为5.92.2 所有的生物可以基本上分为四类：所有的生物可以基本上分为四类：1、豆科植物和依靠这些植物为食、豆科植物和依靠这些

35、植物为食的动物，具有最低的的动物，具有最低的15N值；值；2、陆生环境中非豆科植物和以其为食陆生环境中非豆科植物和以其为食的动物，具有稍高的的动物，具有稍高的15N值；值；3、水生动物，包括各种鱼类，其水生动物，包括各种鱼类，其15N值较高；值较高；4、海生动物具有最高的、海生动物具有最高的15N值。值。 与与C不同，不同，N在不同营养级之间存在不同营养级之间存在着同位素的富集现象，沿营养级在着同位素的富集现象，沿营养级上升时，每上升一格，大约富集了上升时，每上升一格，大约富集了34，即食草类动物骨胶原中，即食草类动物骨胶原中的的15N比其所吃食物富集比其所吃食物富集34 ，以食草类动物为食的

36、食肉类动物又以食草类动物为食的食肉类动物又比食草类动物富集比食草类动物富集34 用稀盐酸浸泡，去离子水浸洗去除用稀盐酸浸泡，去离子水浸洗去除碳酸盐和可溶性盐，视其余部分碳酸盐和可溶性盐，视其余部分C、N来源于考古残留物有机成分。根来源于考古残留物有机成分。根据据C、N稳定同位素比值，结合化稳定同位素比值，结合化学成分分析，可以推断样品主体来学成分分析，可以推断样品主体来源生物的代谢类型。源生物的代谢类型。 气相色谱气相色谱-同位素质谱法（同位素质谱法（GC-IRMS） 随着分析仪器技术的进步，气相色随着分析仪器技术的进步，气相色谱谱-同位素质谱联用（同位素质谱联用（GC-IRMS）技术已经成功

37、的应用于有机地球化技术已经成功的应用于有机地球化学。学。GC-IRMS样品用量小，可以样品用量小，可以一次性实现多组分的分离和同位素一次性实现多组分的分离和同位素分析，尤其适于残留物样品的有机分析，尤其适于残留物样品的有机提取物分析。提取物分析。 GC-IRMS 法通常与法通常与GC-MS法配合法配合使用。使用。GC-MS主要被用于分离分主要被用于分离分析可溶性残留物中复杂的有机成分，析可溶性残留物中复杂的有机成分，并确定它们的结构和含量。并确定它们的结构和含量。 GC-IRMS能对分离出来的单一组能对分离出来的单一组分的化合物进行稳定同位素分析，分的化合物进行稳定同位素分析，被用来区分不同的

38、物种或同一物种被用来区分不同的物种或同一物种的不同部分，研究古代饮食和农业。的不同部分，研究古代饮食和农业。 2003年年Copley研究反刍动物乳脂变研究反刍动物乳脂变化规律，通过分析残留物化规律，通过分析残留物,证明英国证明英国从新石器时代以来一直驯养反刍动从新石器时代以来一直驯养反刍动物作为乳制品来源。反刍动物乳脂物作为乳制品来源。反刍动物乳脂（牛羊奶）、反刍动物油脂（牛羊（牛羊奶）、反刍动物油脂（牛羊油）与非反刍动物油脂（猪油等）油）与非反刍动物油脂（猪油等）由于合成路径的差异，具有不同的由于合成路径的差异，具有不同的十六烷酸分布。十六烷酸分布。 Evershed等等2004年用年用G

39、C-MS和和GC-IRMS法分析脂肪酸，结合法分析脂肪酸，结合X射射线衍射分析等手段，研究了伦敦出线衍射分析等手段，研究了伦敦出土的古罗马时期密封小罐中的白色土的古罗马时期密封小罐中的白色乳膏状物质，发现其中主要成分为乳膏状物质，发现其中主要成分为淀粉和动物体脂肪，并含有锡石，淀粉和动物体脂肪，并含有锡石，证明这种膏状物为化妆品。证明这种膏状物为化妆品。 封闭容器内残留物、器壁附着物、封闭容器内残留物、器壁附着物、多孔容器器壁渗入物、埋藏环境中多孔容器器壁渗入物、埋藏环境中残留物四种残留物类型中，前两种残留物四种残留物类型中，前两种都常见黑色壳状物炭化或半炭化物。都常见黑色壳状物炭化或半炭化物

40、。炭化残留物的产生，可能是容器内炭化残留物的产生，可能是容器内有机内容物在干燥缺氧条件下自然有机内容物在干燥缺氧条件下自然降解并缓慢脱水炭化，也可能是容降解并缓慢脱水炭化，也可能是容器表面的有机成分在埋藏前由于加器表面的有机成分在埋藏前由于加热、烟熏等作用，形成附着于容器热、烟熏等作用，形成附着于容器壁的炭化层。壁的炭化层。 炭化残留物与其它考古残留物相比，具有炭化残留物与其它考古残留物相比，具有一定的共性，主要特征如下：一定的共性，主要特征如下： 主要元素为碳，主要成分为碳单质；主要元素为碳，主要成分为碳单质； 随埋藏状况和时间差异，有不同程度的有随埋藏状况和时间差异，有不同程度的有机残余；

41、机残余； 来源通常是动植物体本身或简单加工后的来源通常是动植物体本身或简单加工后的产物；产物； 与炭化前相比，化学成分变化较大，但有与炭化前相比，化学成分变化较大，但有一定的规律可循；一定的规律可循； 与周围环境界限明显，受污染状况相对较与周围环境界限明显，受污染状况相对较小，化学性质比较稳定。小，化学性质比较稳定。 绛县倗国墓地绛县倗国墓地铜簋的残留物铜簋的残留物分析分析 先秦时期，中国以灿烂辉煌的青铜文先秦时期，中国以灿烂辉煌的青铜文明而闻名于世。青铜器一般分为礼器、明而闻名于世。青铜器一般分为礼器、兵器、工具和农具等四大类。兵器、工具和农具等四大类。“国之大国之大事，在祀与戎事，在祀与戎

42、”，表明礼器在当时社会，表明礼器在当时社会生活中享有崇高的地位。礼器又可细生活中享有崇高的地位。礼器又可细分为饪食器、酒器、水器和乐器等四分为饪食器、酒器、水器和乐器等四个门类。在饪食器中，鼎和簋最为常个门类。在饪食器中，鼎和簋最为常见，同时也是陪葬礼器的重要组成部见，同时也是陪葬礼器的重要组成部分，其陪葬数量在分，其陪葬数量在周礼周礼中有明确中有明确规定：天子九鼎八簋，诸侯七鼎六簋，规定：天子九鼎八簋，诸侯七鼎六簋，大夫五鼎四簋，士三鼎二簋。大夫五鼎四簋，士三鼎二簋。 通常认为，铜鼎常用于烹煮肉食。通常认为，铜鼎常用于烹煮肉食。而铜簋的用途，而铜簋的用途，说文说文中记载中记载“簋，黍稷方器也

43、簋，黍稷方器也”，仪礼仪礼公食公食礼礼上记载上记载“宰夫设黍稷六簋宰夫设黍稷六簋”，由，由此可见，铜簋常用于盛放煮熟的黍此可见，铜簋常用于盛放煮熟的黍和稷。和稷。 在我国，有关青铜器的科技研究至在我国，有关青铜器的科技研究至今仍主要集中在矿料来源、铸造地今仍主要集中在矿料来源、铸造地断源、铸造工艺和锈蚀机理等方面，断源、铸造工艺和锈蚀机理等方面，即与青铜器自身相关的诸多方面，即与青铜器自身相关的诸多方面，而关于青铜器内盛装食物的分析，而关于青铜器内盛装食物的分析，即残留物分析的报道较少即残留物分析的报道较少 2004年至年至2005年，山西侯马绛县横水西周年，山西侯马绛县横水西周墓地发掘时，发

44、现了西周倗伯及其夫人墓，墓地发掘时，发现了西周倗伯及其夫人墓，他们的时代为西周中期的穆王时期或稍晚他们的时代为西周中期的穆王时期或稍晚（山西省考古研究所，（山西省考古研究所，2006）。而随葬于）。而随葬于倗伯夫人墓中的一个铜簋内发现有大量的倗伯夫人墓中的一个铜簋内发现有大量的黑色炭化物。黑色炭化物。 通过显微观察、红外光谱、染色实验、元通过显微观察、红外光谱、染色实验、元素分析、稳定同位素分析和脂类物质素分析、稳定同位素分析和脂类物质GC-MS分析等手段，对上述铜簋内的残留物进分析等手段，对上述铜簋内的残留物进行分析，以期鉴别铜簋中原盛食物的种类。行分析，以期鉴别铜簋中原盛食物的种类。 样品

45、介绍样品介绍 样品取自山西绛县横水镇倗国样品取自山西绛县横水镇倗国M1011号墓出土、编号号墓出土、编号121的铜簋的铜簋中。该墓的年代为西周中期，墓主中。该墓的年代为西周中期，墓主人为倗伯夫人。出土时，铜簋有盖，人为倗伯夫人。出土时，铜簋有盖，炭化物上面覆有一层黄土，推测是炭化物上面覆有一层黄土，推测是埋葬后，封土崩落沿缝隙进入簋中埋葬后，封土崩落沿缝隙进入簋中的结果。的结果。 显微观察显微观察 采用日本采用日本Nikon公司生产的公司生产的SMZ1500型体型体视显微镜，观察样品的显微结构。在视显微镜，观察样品的显微结构。在11.25倍数下观察，发现样品可分为两种：一种倍数下观察，发现样品

46、可分为两种：一种为硬质块状，无光泽，结构比较致密，记为硬质块状，无光泽，结构比较致密，记为为M1011a；另一种为松散颗粒状集合体，；另一种为松散颗粒状集合体，颗粒有较强反光，多孔，记为颗粒有较强反光，多孔，记为M1011b。接。接着，用水为分散剂压片，再采用生物显微着，用水为分散剂压片，再采用生物显微镜，在镜，在400倍数下观察。倍数下观察。 植硅体提取流程采用赵志军植硅体提取流程采用赵志军(1998)介绍的介绍的经改进的重液浮选法经改进的重液浮选法, 淀粉粒提取，参考了淀粉粒提取，参考了杨晓燕杨晓燕(2006)总结的淀粉粒提取流程。总结的淀粉粒提取流程。 淀粉的碘色反应鉴定淀粉的碘色反应鉴

47、定 用两种湿化学法来鉴定淀粉是否存在。用两种湿化学法来鉴定淀粉是否存在。 方法一：取少量方法一：取少量M1011a和和M1011b样样品，分别进行机械粉碎，用品，分别进行机械粉碎，用0.1M的盐的盐酸超声波分散酸超声波分散5分钟，再浸泡分钟，再浸泡20小时，小时，然后离心然后离心3分钟，取上层清液，用分钟，取上层清液，用0.1M的的NaOH溶液调节溶液调节PH值到值到3，滴加碘水，滴加碘水观察颜色变化。结果发现，观察颜色变化。结果发现，M1011a的的溶液明显的变蓝，而溶液明显的变蓝，而M1011b的溶液无的溶液无明显变化。明显变化。 方法二：取少量方法二：取少量M1011a和和M1011b样

48、样品，分别滴加碘水润湿，再在滤纸上品，分别滴加碘水润湿，再在滤纸上画线，与未滴加碘水的样品条痕作对画线，与未滴加碘水的样品条痕作对照。结果发现，未滴加碘水的样品，照。结果发现，未滴加碘水的样品，其条痕均为深棕色；而滴加碘水后，其条痕均为深棕色；而滴加碘水后，M1011a样品的条痕皆为紫色，样品的条痕皆为紫色，M1011b样品的条痕，无明显颜色变化。样品的条痕，无明显颜色变化。 淀粉的刚果红染色法鉴定淀粉的刚果红染色法鉴定 取少量取少量M1011a和和M1011b样品黑色部分，置于载样品黑色部分，置于载玻片上，加盖片（在盖片的四角涂少量的加拿大玻片上，加盖片（在盖片的四角涂少量的加拿大树脂以固定

49、盖片）；将树脂以固定盖片）；将40ul的刚果红溶液的刚果红溶液（1mg/ml,Ph7）滴到盖片边缘，静置）滴到盖片边缘，静置15分钟；分钟；滴加滴加1mol/L的的NaCl溶液溶液20-40ul到盖片的边缘，到盖片的边缘，同时在盖片的另一边放置一张滤纸，引导同时在盖片的另一边放置一张滤纸，引导NaCl溶溶液穿过整个残留物部分，以清除刚果红溶液和去液穿过整个残留物部分，以清除刚果红溶液和去除多余的着色；最后用加拿大树脂密封盖片的边除多余的着色；最后用加拿大树脂密封盖片的边缘。缘。 在在10-500倍偏光显微镜下，分别在正常光和偏振倍偏光显微镜下，分别在正常光和偏振光下观察并拍照。光下观察并拍照。

50、 红外光谱分析红外光谱分析 在体视显微镜下，仔细将样品中的黄土颗在体视显微镜下，仔细将样品中的黄土颗粒去除，再和大米、粟粒去除，再和大米、粟(小米小米)和红薯淀粉等和红薯淀粉等现代对照样品一起，分别用现代对照样品一起，分别用KBr压片，进行压片，进行红外光谱分析。红外光谱分析。 对照样品中，炭化小米样品的制备步骤为：对照样品中，炭化小米样品的制备步骤为：先将小米先将小米80烘干烘干12h，再放入有盖坩埚中，再放入有盖坩埚中，于于200(50)温度下加热温度下加热2.5小时，即得。小时，即得。分析仪器为分析仪器为Thermo Nicolet公司生产的公司生产的Avatar 360 型脉冲傅立叶红

51、外光谱仪型脉冲傅立叶红外光谱仪(FT-IR)。 脂类物质的提取和气质联用分析脂类物质的提取和气质联用分析 脂类物质提取：称取残留物样品脂类物质提取：称取残留物样品M1011a 1g，加蒸馏水，加蒸馏水5ml，研磨成糊状。转入，研磨成糊状。转入50ml锥形瓶，加锥形瓶，加CHCl3:CH3OH(体积比体积比2:1)10ml，超声，超声2*20min，离心分离，离心分离(2000rad/s, 5min)取下层溶液；上层及固取下层溶液；上层及固体部分重复萃取离心一遍，合并有机相。体部分重复萃取离心一遍，合并有机相。加无水硫酸钠干燥，转移溶液至烧瓶，旋加无水硫酸钠干燥，转移溶液至烧瓶，旋转蒸发仪浓缩到

52、转蒸发仪浓缩到1ml左右，氮吹干燥，得到左右，氮吹干燥，得到全脂类物质（全脂类物质（TLE）。）。 用用2mol/L 的的KOH/乙醇溶液乙醇溶液2ml，70超声超声皂化皂化1h。加入。加入1ml水，用正己烷萃取中性水，用正己烷萃取中性组分。组分。 取少量取少量TLE加入加入0 .5mol/L硫酸硫酸/甲醇溶液甲醇溶液2ml，少量无水硫酸钠，少量无水硫酸钠，60超声超声2h，转，转化为脂肪酸甲酯，静置过夜。加入化为脂肪酸甲酯，静置过夜。加入1 ml正正己烷及己烷及3ml蒸馏水，萃取有机相，上气质联蒸馏水，萃取有机相，上气质联用用(GC-MS)进行分析测试。进行分析测试。 中性组分加苯甲酸（中性

53、组分加苯甲酸（IS）0. 2mg，浓缩，浓缩，转入安培瓶，氮气吹干。加入硅烷化试剂转入安培瓶，氮气吹干。加入硅烷化试剂BSTFA/TMCS（99：1）50l，密封，密封，60恒温反应恒温反应1h，硅烷化为三甲基硅醚衍，硅烷化为三甲基硅醚衍生物（生物（TMS），上），上GC-MS进行甾醇类分析。进行甾醇类分析。 GC-MS分析为分析为Finngan Trace GC-MS仪，仪，DB-5毛细管柱（毛细管柱（30m 0. 25mm）。中性）。中性组分组分TMS色谱条件：升温程序：色谱条件：升温程序：50，保，保持持2min；50-250（10/min），保持），保持12min；250-300(5/

54、min) ，保持，保持12min。脂肪酸甲酯色谱条件：升温程序：。脂肪酸甲酯色谱条件：升温程序：60，保持，保持2min； 60-150（20/min）；）； 150-290(4/min) ，保，保持持10min。分流比。分流比10：1，进样口温度，进样口温度250。质谱条件：离子源温度。质谱条件：离子源温度250，EI源，电子能量源，电子能量70eV，四极杆检测器，扫描，四极杆检测器，扫描范围范围20-650m/z。 显微观察及染色实验结果显微观察及染色实验结果 炭化残留物样品M1011显微照片如图所示。观察表明，样品M1011b颗粒尺度、外形接近细菌、真菌等微生物细胞结构，说明埋藏过程中，

55、受到微生物侵蚀的影响较严重；而M1011a样品未观察到微生物的形态，说明其受微生物侵蚀的影响较小。这和碘色反应的结果相符合M1011a的淀粉显色反应明显，M1011b未观察到明显的淀粉的显色反应。 M1011a（左）和（左）和M1011b（右）直接压片（右）直接压片的显微照片的显微照片 M1011a刚果红染色 M1011b刚果红染色后的显微照片 样品刚果红染色后使用显微镜，在普通光样品刚果红染色后使用显微镜，在普通光和偏振光下分别观察装片，未发现明显的和偏振光下分别观察装片，未发现明显的糊化淀粉的亮红色，也未发现完整淀粉粒。糊化淀粉的亮红色，也未发现完整淀粉粒。炭化残留物炭化残留物M1011a

56、主体棕色残留物，和主体棕色残留物，和M1011b主体的深棕色壳状物，如图主体的深棕色壳状物，如图2.2所所示，均未被染色。说明铜簋原内容物中即示，均未被染色。说明铜簋原内容物中即使存在过淀粉粒或糊化淀粉，结构也大都使存在过淀粉粒或糊化淀粉，结构也大都遭到破坏，不是残留物的主要成分。现有遭到破坏，不是残留物的主要成分。现有的团块状棕色残留物颗粒，很可能是炭化的团块状棕色残留物颗粒，很可能是炭化程度比较高的淀粉或蛋白质。程度比较高的淀粉或蛋白质。 碘色反应显色，而刚果红染色没能碘色反应显色，而刚果红染色没能找到对应的微观结构，可能是由有找到对应的微观结构，可能是由有样品的不均一造成的。在制备染色样

57、品的不均一造成的。在制备染色装片时，去除多余的着色步骤也可装片时，去除多余的着色步骤也可能会使残存的少量糊化淀粉流失。能会使残存的少量糊化淀粉流失。 古代样品与现代样品红外光谱对照解析古代样品与现代样品红外光谱对照解析. 样品M1011a和M1011b、红薯淀粉(生淀粉)和现代熟米饭的红外光谱图见图1。不难看出，三者的谱图颇为相似，而与炭化小米样品(主要成分为碳黑)吸收曲线有很大差别，说明样品M1011a和M1011b中，有机物含量仍然较高，其炭化不完全。尤其是在红外吸收波数为1350-650cm-1的指纹区，古代样品与熟大米、熟小米和红薯淀粉的主要吸收峰位置基本吻合，表明古代样品和现代熟米饭

58、中都含有淀粉。 图中，图中，OH键伸缩振动峰波数在键伸缩振动峰波数在3600-3200cm-1范围内，相比于生淀粉，古代样品在此范围的范围内，相比于生淀粉，古代样品在此范围的吸收峰更宽，更接近煮熟的大米、小米，这应是吸收峰更宽，更接近煮熟的大米、小米，这应是淀粉发生糊化，导致氢键缔合增强，从而淀粉发生糊化，导致氢键缔合增强，从而O-H键键伸缩振动峰变宽的结果（熊汉国，伸缩振动峰变宽的结果（熊汉国，1999）。同时，）。同时，在偏光显微镜下观察古代样品，也没有见到淀粉在偏光显微镜下观察古代样品，也没有见到淀粉粒所特有的十字消光，同样说明淀粉糊化程度很粒所特有的十字消光，同样说明淀粉糊化程度很高。

59、另外，显微观察样品高。另外，显微观察样品M1011a中的植硅体，未中的植硅体，未能见到水稻的典型植硅体，也未能见到小米类植能见到水稻的典型植硅体，也未能见到小米类植硅体（吕厚远，硅体（吕厚远，2005）。综合以上分析，铜簋的）。综合以上分析，铜簋的盛放食物中包含有淀粉的农作物，而且加工、蒸盛放食物中包含有淀粉的农作物，而且加工、蒸煮程度较高，这与铜簋盛放米饭的文献记载是一煮程度较高，这与铜簋盛放米饭的文献记载是一致的。致的。 值得注意的是，现代淀粉和米饭类在值得注意的是，现代淀粉和米饭类在1656-1638 cm-1处都有中等强度吸收峰，对应于处都有中等强度吸收峰，对应于糖类醛基糖类醛基C=O

60、键伸缩振动峰。然而，两组键伸缩振动峰。然而，两组古代样品在此范围对应的吸收峰被掩盖，古代样品在此范围对应的吸收峰被掩盖，主要吸收带移至主要吸收带移至1620-1560 cm-1附近，强附近，强度更高，更接近酰胺的度更高，更接近酰胺的C=O键伸缩振动以键伸缩振动以及胺基及胺基N-H键弯曲振动的吸收峰范围。同时，键弯曲振动的吸收峰范围。同时，古代样品在古代样品在3600-3200cm-1范围内的吸收范围内的吸收峰，也处在胺基峰，也处在胺基N-H键伸缩振动峰的典型区键伸缩振动峰的典型区域（黄鸣龙，域（黄鸣龙，1958；王正熙，；王正熙，1989），这），这暗示古代样品中很可能还含有比较多的蛋暗示古代