Fluorescence Characteristics and PARAFAC Modeling of ... · Fluorescence Characteristics and...

15
Fluorescence Characteristics and PARAFAC Modeling of Bitumen from Ancient Ceramics Morgan Bida 1 , David Meiggs 2 , Christine Kim 3 , Cody Cummings 3 and Todd Pagano 1 1 . Laboratory Science and Technology Program, Department of Science and Mathematics, National Technical institute for the Deaf/Rochester Institute of Technology, Rochester, New York, USA (Email: [email protected]; [email protected]) 2 . Department of Sociology and Anthropology, College of Liberal Arts, Rochester Institute of Technology, Rochester, New York, USA (Email: [email protected]) 3 . Chemistry Program, College of Science, Rochester Institute of Technology, Rochester, New York, USA (Email: [email protected]; [email protected]) Received: 14 August 2017; Revised: 20 September 2017; Accepted: 02 November 2017 Heritage: Journal of Multidisciplinary Studies in Archaeology 5 (2017): 6983 Abstract: Bitumen is often found at archaeological sites around the world due to its prevalent use in antiquity. While archaeologists have identified bitumen source areas using geochemical and isotopic characterization, methods for measuring the absorbance and fluorescent properties of bitumen are not often employed in archaeology despite their relatively lowcost and the minimally destructive nature of these methods. To examine the use of fluorescent techniques to characterize bitumen, we extracted residues found on ancient ceramics from Vizhinjam, India and examined their absorbance and multidimensional fluorescence profiles. We then deconvoluted the fluorescence excitationemission matrices (EEMs) using parallel factor analysis (PARAFAC). Our absorbance results showed profiles similar to those for crude oils and bitumen. Fluorescence EEMs indicated a broad fluorescence profile with peak emissions occurring in the area of 400 – 500 nm at an excitation wavelength of 280 nm. PARAFAC modeling suggested a 3component model to describe the contributing fluorophores in the ancient bitumen and we have suggested a possible maltenelike component (C1), and two asphaltenelike components (C2 and C3). The comparison of samples by their PARAFAC loading scores may indicate two source areas for bituminous sealants in the foreign ceramics at Vizhinjam. These variations in fluorescence can be useful toward a greater cultural understanding of ancient bitumen samples. Keywords: Multidimensional Fluorescence Spectroscopy, Parallel Factor Analysis, Absorption Spectroscopy, Ancient Bitumen, Vizhinjam, Mesopotamia, Egypt Introduction Bitumen, oils, and tars have been used for a variety of applications by humans for millennia, and they are found in archeological sites around the world (e.g., Connan, 1999; Stacey, 2013). Bitumen specifically has been used for a wide variety of purposes, such as: a hafting adhesive; a sealant for jars, containers, palm roofs, boats, and coffins; and as a mortar additive for dwellings, temples, and palaces (Stacey, 2013). Previous

Transcript of Fluorescence Characteristics and PARAFAC Modeling of ... · Fluorescence Characteristics and...

Page 1: Fluorescence Characteristics and PARAFAC Modeling of ... · Fluorescence Characteristics and PARAFAC Modeling of Bitumen from Ancient Ceramics Morgan Bida1, David Meiggs2, Christine

 

Fluorescence Characteristics and PARAFAC Modeling of 

Bitumen from Ancient Ceramics  

Morgan Bida1, David Meiggs2, Christine Kim3, Cody Cummings3 and Todd Pagano1  

1.   Laboratory  Science  and  Technology  Program,  Department  of  Science  and 

Mathematics,  National  Technical  institute  for  the  Deaf/Rochester  Institute  of 

Technology, Rochester, New York, USA (Email: [email protected][email protected]) 2.  Department  of  Sociology  and  Anthropology,  College  of  Liberal  Arts,  Rochester 

Institute of Technology, Rochester, New York, USA (Email: [email protected]) 3.  Chemistry  Program,  College  of  Science,  Rochester  Institute  of  Technology, 

Rochester, New York, USA (Email: [email protected][email protected])  

 

Received: 14 August 2017; Revised: 20 September 2017; Accepted: 02 November 2017 

Heritage: Journal of Multidisciplinary Studies in Archaeology 5 (2017): 69‐83  

 

Abstract: Bitumen  is often  found at archaeological  sites around  the world due  to  its prevalent use  in 

antiquity. While  archaeologists  have  identified  bitumen  source  areas  using  geochemical  and  isotopic 

characterization, methods  for measuring  the  absorbance  and  fluorescent  properties  of  bitumen  are not 

often employed  in archaeology despite  their relatively  low‐cost and  the minimally destructive nature of 

these  methods.  To  examine  the  use  of  fluorescent  techniques  to  characterize  bitumen,  we  extracted 

residues  found  on  ancient  ceramics  from  Vizhinjam,  India  and  examined  their  absorbance  and 

multidimensional  fluorescence  profiles.  We  then  de‐convoluted  the  fluorescence  excitation‐emission 

matrices  (EEMs)  using  parallel  factor  analysis  (PARAFAC). Our  absorbance  results  showed  profiles 

similar  to  those  for  crude  oils  and  bitumen. Fluorescence EEMs  indicated  a  broad  fluorescence profile 

with  peak  emissions  occurring  in  the  area  of  400  –  500  nm  at  an  excitation wavelength  of  280  nm. 

PARAFAC modeling  suggested  a 3‐component model  to  describe  the  contributing  fluorophores  in  the 

ancient bitumen and we have suggested a possible maltene‐like component (C1), and two asphaltene‐like 

components  (C2 and C3). The comparison of samples by  their PARAFAC  loading scores may  indicate 

two  source  areas  for  bituminous  sealants  in  the  foreign  ceramics  at  Vizhinjam.  These  variations  in 

fluorescence can be useful toward a greater cultural understanding of ancient bitumen samples.  

 

Keywords:  Multidimensional  Fluorescence  Spectroscopy,  Parallel  Factor  Analysis, 

Absorption Spectroscopy, Ancient Bitumen, Vizhinjam, Mesopotamia, Egypt  

 

Introduction Bitumen,  oils,  and  tars  have  been  used  for  a  variety  of  applications  by  humans  for 

millennia, and  they are  found  in archeological  sites around  the world  (e.g., Connan, 

1999; Stacey, 2013). Bitumen specifically has been used for a wide variety of purposes, 

such as: a hafting adhesive; a sealant for jars, containers, palm roofs, boats, and coffins; 

and as a mortar additive  for dwellings,  temples, and palaces  (Stacey, 2013). Previous 

Page 2: Fluorescence Characteristics and PARAFAC Modeling of ... · Fluorescence Characteristics and PARAFAC Modeling of Bitumen from Ancient Ceramics Morgan Bida1, David Meiggs2, Christine

ISSN 2347 – 5463 Heritage: Journal of Multidisciplinary Studies in Archaeology 5: 2017  

70 

 

research has  identified source areas  for archaeological bitumen,  illuminating patterns 

of resource use and exchange networks (Connan, 1999; Connan et al., 2006; Kato et al. 

2008; Schwartz  and Hollander,  2008). The  aim of  this pilot  study was  to  ascertain  if 

bitumen sealants  in ceramic vessels presumably used  in  long‐distance  trade could be 

characterized  by  a  relatively  inexpensive,  accessible  technique.  To  this  end,  we 

analyzed  solvent  extracts  of  bitumen‐coated  ceramics  from  the  site  of  Vizhinjam 

(Kerala,  India)  using  ultra‐violet/visible  (UV‐Vis)  absorbance  and  fluorescence 

spectroscopy, combined with parallel  factor analysis  (PARAFAC)  to  identify patterns 

in the spectroscopic data. The absorbance and fluorescence properties of the aromatic 

fractions of bitumen, coal, and oil have been extensively studied in the fuel and energy 

industry  (Ryder,  2005).  Multidimensional  fluorescence  with  PARAFAC  may  have 

utility  in determining  the origin of  the bitumen used on ceramics  in antiquity, or  the 

processes by which the bitumen was treated, both areas that can augment the cultural 

understanding  of  these  artifacts.  To  the  best  of  our  knowledge,  this  is  the  first 

application of multidimensional fluorescence to bitumen samples in archaeology. Our 

results demonstrate use of the technique to characterize ancient bitumen, and indicate 

potential for further application.  

We examined series of ceramic sherds with possible bitumen residues excavated from 

Vizhinjam (Kerala, India). These sherds appear to conform to known trade ware types 

(e.g.,  so‐called  torpedo  jars)—with  possible  origins  in  Southwest Asia—which  have 

been excavated from other sites along the west coast of India (Gupta et al., 2001). But 

possible diversity  in  the  originating  point  of  shipments,  and  how  these might  have 

varied  geographically  on  the  west  Indian  coast  and  through  time,  are  presently 

unclear. Today, Vizhinjam  is  a  small  fishing  village  and part  of  a natural harbor  in 

India.  In  ancient  times, Vizhinjam was  an  important  seaport,  and  ruled  by  the Ay 

dynasty from about 500 – 600 AD (Kumar et al., 2013). It supported trade and activities 

such  as  pearl  fishing.  The  harbor  is  still  used  for  trading,  evolving  to  become  an 

international trade port.  

Background The  earliest  evidence  for  the  use  of  bitumen  in  Southwest  Asia  dates  from  the 

Mousterian period (ca. 70,000 BP; Boëda et al., 2008; Hauck et al., 2013). Deposits across 

greater Mesopotamia,  Egypt,  and  the  Arabian  Peninsula were  exploited  during  all 

cultural  periods  in  this  area  (Boëda  et  al.,  2008;  Connan  and  Van  de  Velde,  2010). 

Bitumen  was  a  common  sealant  for  porous  ceramic  fabrics  in  antiquity,  reducing 

leakage  of  transported  liquids,  increasing  preservation,  and  providing  better 

transportability for a variety of valuable substances. In an effort to understand patterns 

in  areas  of  resource  exploitation  and  exchange  practices  of  bitumen,  archaeologists 

have used a variety of methods,  including gas chromatography and  isotopic analysis, 

to  identify  bitumen  source  localities  in  Southwest  Asia  (e.g.  Barakat  et  al.,  2005; 

Connan et al., 2005, 2006; Schwartz and Hollander, 2008). Methods applied in previous 

research, however, require  instruments  for which access  is generally  limited, and  the 

protocols  are  complex  and  time‐consuming.  Multidimensional  fluorescence 

Page 3: Fluorescence Characteristics and PARAFAC Modeling of ... · Fluorescence Characteristics and PARAFAC Modeling of Bitumen from Ancient Ceramics Morgan Bida1, David Meiggs2, Christine

Bida et al. 2017: 69‐83 

71  

spectroscopy,  alternatively,  is  a  relatively  simple  and  rapid  technique whose  results 

have  been  used  to  “fingerprint”  of  a  variety  of  substances  (e.g.,  Bida  et  al.  2015; 

Callejón et al. 2012; Eaton et al. 2012; Hall et al 2005; Pagano et al. 2012; Sirkorska et al. 

2004). The  low  cost  of data  collection  and minimally destructive  sampling make  its 

potential in archaeology appealing.  

Bitumen  is a  complex  substance with properties  that  can vary depending on  source, 

added chemicals or materials, and physical treatments (Handle et al., 2014). To analyze 

its composition, it is common to separate bitumen into fractions with similar chemical 

properties,  including  saturated  hydrocarbons,  aromatics,  resins,  and  asphaltenes 

(Handle  et  al.,  2014; Merino‐Garcia  et  al.,  2010).  Asphaltenes  are  a  sub‐set  of  the 

aromatic fraction, but are typically distinguished as the portion that  is  insoluble  in n‐

heptane  (a  non‐polar  solvent),  yet  soluble  in  toluene  (a  slightly  polar  solvent). 

Maltenes, also part of the aromatic fraction, are soluble in n‐heptane and hexanes with 

some  solubility  in  toluene  (Handle  et  al.,  2014). Bitumen,  in general,  is  a mixture of 

compounds and  should not be  considered a purely aromatic  substance. But  it  is  the 

presence  of  a wide  variety  of  large  aromatic  compounds  in  bitumen—composed  of 

highly stable planar or cyclic regions—that is responsible for its fluorescence.  

It is for this reason that fluorescence spectroscopy can be used to qualitatively analyze 

ancient  bitumen  samples.  By  systematically  varying  the  excitation  and  emission 

wavelengths  to  create  a  multidimensional  matrix  of  fluorescence  data  (called  an 

excitation‐emission  matrix;  EEM),  researchers  can  obtain  a  “fingerprint”  of  the 

fluorescence‐producing  constituents  in  the  ancient  bitumen,  similar  to  analyses 

previously  performed  in  crude  oil  (Ghatee  et  al.,  2012).  An  EEM  represents  a 

combination  of  all  fluorescing  components  in  a  given  sample,  preventing  detailed 

comparison  of  possibly  subtle  differences  between  samples.  Application  of  a 

chemometric technique to multidimensional fluorescence results, such as parallel factor 

analysis  (PARAFAC),  allows  data  to  be  de‐convoluted  into  spectra  of  coexisting 

fluorophores  in  the  bitumen  EEMs.  PARAFAC  is  a  statistical  technique  that  fits 

multiple  two‐way  arrays  to  three‐dimensional  data  (Harshman  and  Lundy,  1994). 

Multidimensional  fluorescence with PARAFAC analysis has been extensively used  to 

analyze natural organic matter in water (Bida et al., 2015; McKnight et al., 2001; Pagano 

et al., 2012; Stedmon et al., 2003). Algorithms used in PARAFAC decompose EEMs into 

excitation  and  emission  spectra  and  loading  scores  for  each  sample EEM  (Andersen 

and  Bro,  2003).  Loading  scores  correlate  to  the  abundance  of  the  individual 

fluorophores or groups of similarly fluorescing compounds present in each EEM, and 

augment the ability to resolve multidimensional fluorescence data (Andersen and Bro, 

2003).  However,  due  to  the  heterogeneous  complexity  of  bitumen  and  similar 

petroleum derivatives,  samples of  this nature may be  subject  to  confounding photo‐

physical  phenomena  (e.g.,  internal  conversion,  intersystem  crossing,  fluorescence 

energy transfer) that have the possibility to violate the strict multilinear assumptions of 

PARAFAC  (Ghatee  et  al.,  2012;  Strausz  et  al.,  2009). Little  is  known  concerning  the 

application  of  multidimensional  analysis  with  PARAFAC  to  ancient  bitumen,  so 

Page 4: Fluorescence Characteristics and PARAFAC Modeling of ... · Fluorescence Characteristics and PARAFAC Modeling of Bitumen from Ancient Ceramics Morgan Bida1, David Meiggs2, Christine

ISSN 2347 – 5463 Heritage: Journal of Multidisciplinary Studies in Archaeology 5: 2017  

72 

 

understanding of  the effects of various photo‐physical phenomenon on  the modeling 

of these types of samples is limited and remains to be fully described.  

In  this  study, we  recorded UV‐Vis absorbance profiles  for extracted ancient  samples 

and  a  modern  bitumen  reference.  We  then  studied  their  fluorescence  properties, 

examining the multidimensional fluorescence of bitumen. The resulting 3‐dimensional 

EEMs were used to perform PARAFAC in order to de‐convolute the EEMs into spectra 

of fluorophores, or groups of similarly fluorescing compounds. This approach allowed 

for  the derivation of  information about  the general groups of fluorophores present  in 

bitumen  and  to  assess  the  extent  to which  the  fluorescence  from  each  contributing 

group  of  fluorophores  (in  the  case  of  the  PARAFAC  analysis,  referred  to  as 

‘components’) was present in each sample. Unfortunately, it was not possible to obtain 

bitumen  from  known  sources  in  the  broad  region  (Mesopotamia‐Egypt‐Arabia) 

representing a  likely origin of  the pottery we  investigated. Therefore, while we were 

able to compare our results with a known bitumen reference and with literature data, 

we are not able to posit sources in Southwest Asia for ancient bitumen we identified. 

Site Description and Excavation Information  

Vizhinjam  is  located  in South Kerala, India, and occupies a significant position  in  the 

history  of  the  region  due  to  its  natural  harbor.  Its  strategic  location  along  ancient 

Indian Ocean  trade  routes made  it  a  desirable  and  contested  possession  of  the Ay 

Dynasty  (3rd cent. BC – 8th cent. AD) and  their competitors. Trade with  the Roman 

Empire  in  the  early  centuries AD  is  attested  at  other places  along  the west  coast  of 

India (Gupta et al., 2001), and the quality of the harbor at the site may have been noted 

in a 1st century AD Greek sea guide (Periplus of the Erythrean Sea, Kumar et al., 2013). 

Vizhinjam  became  a  center  of  learning,  trade,  and  commerce.  Starting  in  the  7th 

century AD, the Ay shifted their capital to Vizhinjam, and perhaps in the 8th century 

AD,  constructed  a  fort  to defend  it(Kumar,  2006a,  2006b, Rajesh  and Kumar,  2010a, 

2010b). Archaeological  excavation  at  the  site  from  2011‐2013  aimed  to  illuminate  its 

early history and trade networks. Pottery found from the earliest levels (2nd cent. BC – 

2nd  cent. AD)  indicate  exchange within  a wide  network  from  Bengal  to West Asia 

(Kumar et al., 2015).  In particular,  these  levels contained sherds of amphorae and so‐

called  torpedo  jars  (Kumar  et  al.,  2015). These  types  are  thought  to  originate  in  the 

greater region that includes Mesopotamia and the Persian Gulf littoral zone, as well as 

communities near  the Red  Sea. The  sherds  examined  in  this  study  come  from  these 

layers.  Thirty  sherds  identified  as  amphora  or  torpedo  jars  were  selected  at  the 

University  of  Kerala  that  displayed  evidence  of  black  residues  on  their  interior 

surfaces.  

Methods Sample Preparation Sherd surfaces were carefully scraped with a surgical scalpel to remove areas of visible 

adhering residue. The resulting powders, a mixture of ceramic fabric and residue, were 

then placed in vials labeled VZM1‐30. Each of these samples was dissolved in toluene 

Page 5: Fluorescence Characteristics and PARAFAC Modeling of ... · Fluorescence Characteristics and PARAFAC Modeling of Bitumen from Ancient Ceramics Morgan Bida1, David Meiggs2, Christine

Bida et al. 2017: 69‐83 

73  

by  adding  12.5 mg  of powder  to  25 mL  a volumetric  flask  that was half‐filled with 

solvent. Samples were protected from light degradation by covering them in foil. Each 

sample was  sonicated  for  10 minutes  to  break  up  any  aggregated material  and  to 

separate bitumen  from  the  ceramic matrix. The  sample  flasks were  then placed on a 

wrist  shaker, mixing vigorously  for  10 minutes,  and  then mixed more  slowly on  an 

orbital shaker  for 24 hours. After mixing,  they were brought  to volume with  toluene 

and  inverted  in  triplicate  to  ensure  thorough mixing. Each  sample was  then passed 

through a 0.22 μm nylon filter to collect suspended ceramic and insoluble components. 

The  filtered  toluene  solution was  collected and diluted  such  that  its absorbance was 

below 1.0 absorbance units at 280 nm. The absorbance profile and EEM of each sample 

was  then  collected  on  the  diluted  samples.  The  nylon  filter  papers were  dried  via 

evaporation and weighed  to determine  the mass of non‐dissolved components  in  the 

samples in order to infer the proportion of bitumen dissolved from the original sample 

weight.  Fluorescence  PARAFAC  results  for  each  sample were  normalized  by  their 

corresponding  bitumen  fraction weights  to  compensate  for  differences  in  extracted 

concentrations.  

Instrumentation Parameters 

A  Perkin  Elmer  Lambda  650  spectrophotometer was  used  to  record  the  absorbance 

profile for each sample from 280 – 600 nm at 1 nm increments using a resolution of 5 

nm.  A  Varian  Cary  Eclipse  spectrofluorometer was  used  to  collect  EEMs  for  each 

sample. Samples were excited from 280 – 600 nm in 5 nm increments using a 5 nm slit 

width. The resulting emission was recorded from 295 – 600 nm at 1 nm intervals using 

a 5 nm slit width. Fluorescence data were corrected for primary and secondary  inner 

filtering  based  on  the  algorithms proposed  by MacDonald  et  al.  (1997)  and  also  for 

absorbance of  the cuvette wall and reflectance  losses at  the air:wall and wall: solvent 

interfaces. All corrections were performed using an in‐house MATLAB program (Hall 

et  al.,  2005).  PARAFAC models  were  created  using  the  PLS  Toolbox  (Eigenvector 

Research, 2012) in Matlab (Mathworks Inc., 2014).  

Results One of our goals was  to confirm  the presence of bitumen on  the ceramic samples by 

matching  absorbance  profiles  to  those  of  the  literature. A  total  of  30  samples were 

analyzed  for absorbance and only 16 of  them  showed matching absorbance profiles. 

The  remaining  14  appeared  to  be  absent  of  bitumen  or  other molecules  capable  of 

absorbing  light when  dissolved  in  toluene.  Absorbance  spectra  for  the  16  samples 

(Figure  1)  were  similar  to  those  in  the  literature  for  bitumen  and  asphaltenes, 

characterized  by  a maximum  absorbance  around  280  –  290 nm  (Strausz  et  al.,  2009; 

Zhang et al., 2014). This suggested  the presence of bitumen  in many of our samples. 

However,  the magnitude  of  the  absorbance  cannot  necessarily  be  considered  to  be 

proportional  to  the  concentration  of  bitumen  due  to  possible  interactions  occurring 

within the molecular complexity of bitumen. For example, Strausz et al. (2009) reported 

increasing absorbance  in higher molecular‐weight  fractions and  suggested  this could 

Page 6: Fluorescence Characteristics and PARAFAC Modeling of ... · Fluorescence Characteristics and PARAFAC Modeling of Bitumen from Ancient Ceramics Morgan Bida1, David Meiggs2, Christine

ISSN 2347 – 5463 Heritage: Journal of Multidisciplinary Studies in Archaeology 5: 2017  

74 

 

be due to both an increase in the number of aromatic carbons as well as the size of the 

aromatic chromophore, independent of concentration. Further, the absorbance spectra 

shown in Figure 1 cannot necessarily be compared quantitatively, as each sample had 

varying  amounts  of  bitumen  extracted  from  the  initial  sample weights  (which  also 

contained varying amounts of ceramic and other components). 

 

 Figure 1: Absorbance profiles  for 16 bitumen‐containing  samples  in  toluene.   The 

maximum  absorbance  for  each  sample  appear  in  the  range  of  280‐300  nm, which 

matches similar samples from the literature (Strausz et al., 2009; Zhang et al., 2014). 

Absorbance  readings below  280 nm were not  recorded because  this  is  the  area  in 

which toluene absorbs and interferes with the sample.  

Fluorescence EEMs (see examples in Figure 3) showed varying intensities across broad 

fluorescence  profiles with  peak  emissions  occurring  in  the  area  of  375  –  600  nm  at 

excitation wavelengths  from 280 – 450 nm. Of  the 30 samples  tested, only 16 showed 

fluorescence emission  spectra with high  signal‐to‐noise  (S/N)  ratios. Data  from  these 

samples were subjected to removal of Rayleigh and Raman scatter and corrections for 

inner‐filtering, and a 3‐component PARAFAC model was generated (Figure 2). The 3‐

component model was  validated  according  to  the  procedure  described  by  Stedmon 

and Bro (2008), which included a) visual inspections of each component in 2, 3, and 4‐

component  PARAFAC  models,  b)  comparison  of  sum  of  squared  errors  between 

models,  and  c)  analysis  of  residuals EEMs. The  remaining  14  samples  showed  little 

fluorescence signal and low S/N, so were excluded from the dataset prior to inner‐filter 

correction and PARAFAC modeling. Low fluorescence in these samples may be due to 

several possible factors. It may indicate a low proportion of bitumen relative to sample 

Page 7: Fluorescence Characteristics and PARAFAC Modeling of ... · Fluorescence Characteristics and PARAFAC Modeling of Bitumen from Ancient Ceramics Morgan Bida1, David Meiggs2, Christine

Bida et al. 2017: 69‐83 

75  

mass in this group. It also could be that a plant‐derived resin (e.g., pine tar) or wax was 

used as a sealant in these vessels rather than bitumen. Naturally‐derived waxes are not 

aromatic  compounds,  and  plant  resins  have much  smaller  aromatic molecules  than 

bitumen  (Egenberg  et  al.  2002)  that,  if  they  fluoresce  at  all, will  have  dramatically 

different  signatures. These  compounds might be  identified by  infrared  spectroscopy 

(e.g., Beck et al. 1989). It is also possible that there were no residues in these samples, 

and the staining on the pottery resulted from other factors.  

 Figure 2: Three‐component PARAFAC model generated from 16 bitumen‐containing 

samples  in  toluene,  showing modeled EEM  contour plots  (left) and excitation and 

emission loading spectra (right) for each component (C1‐C3). 

Page 8: Fluorescence Characteristics and PARAFAC Modeling of ... · Fluorescence Characteristics and PARAFAC Modeling of Bitumen from Ancient Ceramics Morgan Bida1, David Meiggs2, Christine

ISSN 2347 – 5463 Heritage: Journal of Multidisciplinary Studies in Archaeology 5: 2017  

76 

 

Table 1: Three‐component PARAFAC Model Excitation and  

Emission Spectral Summary 

Comp  EX max (nm)  EX Range  EM Max (nm) 

1  330 (485)  < 280 ‐ 580  595 

2  300  < 280 ‐ 435  434 

3  415 (320)  < 280 ‐ 505  478 

 

Table 2: Fluorescence Data from Literature Studies on Asphaltenes, Maltenes  

and Whole Bitumen 

EX  Range 

(nm) 

EM  maxima 

(nm) Detection Method  Comments 

<300 ‐ >400  420, 440, 450 Multidimensional  Fluorescence 

(Ghatee et al., 2012) 

Crude oil 

asphaltenes 

310 ‐ 335  440, 450 Fluorescence 

(Zhang et al., 2014) 

Asphaltenes 

from bitumen  

488  540 (600) Multidimensional  Fluorescence 

(Handle et al., 2014) 

Crude oil 

maltenes 

365  420 Fluorescence 

(Groenzin and Mullins, 2000) 

Asphaltenes 

from coal 

365  470, 500 Fluorescence 

(Groenzin and Mullins, 2000) 

Crude 

oilasphaltenes 

350  480  Fluorescence(Strausz et al., 2009) Crude oil 

asphaltenes 

 

In  the 3‐component PARAFAC model, Component 1  (C1)  showed emission between 

500‐600 nm with a maximum at 595 nm. Component 2 (C2) showed emissions between 

330‐500  nm  and  an  emission  maximum  at  434  nm.  Component  3  (C3)  showed 

emissions  between  400‐500  nm  with  an  emission  maximum  at  478  nm.  When 

comparing  our  3‐component  PARAFAC model  and  fluorescence  spectra  (Figure  2, 

Table 1) with data in the literature, we noticed similarities in the emission maxima and 

shape of the emission and excitation curves for all three components (Table 2).  

Component C1 had an emission maximum of 595 nm and is similar to the 540 – 580 nm 

emission maxima  for maltenes  reported by Handle  et al.  (2014), who  subjected  their 

samples  to  a  rigorous  fractionation  and preparation. Morgan  et  al.  (2010),  however, 

reported emission maxima in the range of about 420 – 500 nm for maltenes from crude 

Page 9: Fluorescence Characteristics and PARAFAC Modeling of ... · Fluorescence Characteristics and PARAFAC Modeling of Bitumen from Ancient Ceramics Morgan Bida1, David Meiggs2, Christine

Bida et al. 2017: 69‐83 

77  

oil dissolved  in n‐heptane. Therefore, additional research using n‐heptane or hexanes 

to  dissolve  the  bitumen  samples  is  needed  to  confirm  a  maltenes  designation  for 

component C1 and  to obtain more robust emission spectra  for  this  fraction. Maltenes 

are reported to be only slightly soluble in the toluene solvent used in this study, but the 

heterogeneous  nature  of  the maltene  designation  lends  support  to  the  solubility  of 

certain  fractions  within  the  mixture  in  toluene.  For  the  purposes  of  this  study, 

component C1 was characterized as maltene‐like, pending additional investigation.  

Component  C2  had  a  434  nm  emission  maximum  that  is  similar  to  asphaltenes 

precipitated  from  crude  oil  using  pentene  in  a  90‐degree  optical  cell  arrangement 

(Zhang  et  al.,  2014).  Emission maxima  from  420  –  450  nm were  also  reported  for 

asphaltenes  extracted  from  crude oil  in  toluene using multidimensional  fluorescence 

spectroscopy with 90‐degree optical alignment, matching our methods  (Ghatee et al., 

2012).Component C3, with an emission maxima of 478 nm, seems to match asphaltenes 

precipitated from California crude oil and then dissolved in toluene using a 90‐degree 

optical  orientation  (Groenzin  and Mullins,  2000). Therefore,  for  the purposes  of  our 

study,  we  attributed  components  C2  and  C3  both  a  designation  of  asphaltene‐like, 

indicating that both may contain fluorophores similar to that reported in the literature 

for  asphaltenes.  Clearly  additional  research  using  methods  to  further  fractionate 

samples  is needed, however  in  this study, such rigorous sample preparation was not 

practical due to the limited amount of sample available at the time of research.  

The  PARAFAC model  provides  a  loading  score  for  each  of  the  fluorescence  EEMs 

entered into the algorithm, which are indicative of the contribution of each component 

to  the  total  EEM  for  a  particular  sample.  The  loading  scores  for  each  sample were 

normalized  by  sample  weight  to  compensate  for  possible  differences  in  extracted 

concentration.  In  terms of  the  loading  scores  for our  samples used  in  the PARAFAC 

model, we  found  that components C1 and C2 showed  the greatest variation between 

samples, while  component C3  remained  relatively  constant. Therefore, we examined 

the loading scores for components C2 and C1 more closely to determine if the variation 

between samples followed a pattern. Figure 3 shows component C2 versus component 

C1  loading  scores  and  clearly  illustrates  at  least  two  main  groups  of  fluorescing 

samples. The group outlined  in red has samples  that are characterized by  low scores 

for components C1 and C2, and are generally blue‐shifted in their spectra compared to 

the other groups. The group outlined by a dotted purple line shows that there are two 

subgroups  that  have  higher  loadings  for  component  C1  (potentially,  maltene‐like). 

Meanwhile, sample VZM16 appears to segregate itself with characteristic high loadings 

for  component C2  and  intermediate  loadings  for  component C1. These  results were 

supported  by  a  hierarchical  cluster  analysis  (Ward’s  linkage)  using  all  three 

components  (C1‐C3)  that  showed  the  same  grouping  as  shown  in  Figure  3,  but  the 

statistical significance of this result is difficult to evaluate. The loading scores from the 

PARAFAC model clearly show some separation between at least two distinct groups or 

types of samples with additional subgroup separation possible, but  the nature of  this 

separation  is unknown. These  results may hold significance  in  terms of  the origin of 

Page 10: Fluorescence Characteristics and PARAFAC Modeling of ... · Fluorescence Characteristics and PARAFAC Modeling of Bitumen from Ancient Ceramics Morgan Bida1, David Meiggs2, Christine

ISSN 2347 – 5463 Heritage: Journal of Multidisciplinary Studies in Archaeology 5: 2017  

78 

 

the bitumen samples and the preparation processes applied to the bitumen by ancient 

cultures  (e.g.,  heating,  mixing,  and  dilution).  Nonetheless,  either  of  these  possible 

explanations will  add  to  the  cultural understanding  of  these  samples  and may be  a 

worthwhile  avenue  for  additional  investigation.  An  expanded  sample  dataset, 

including reference material from potential source areas, combined with other forms of 

sample preparation could add more robustness to the PARAFAC models and support 

a more complete understanding of these results. Given the limited use of fluorescence 

spectroscopy  and  PARAFAC  to  analyze  ancient  bitumen,  we  believe  our  results 

represent  a  promising  first‐step  toward  progressing  the  use  of  this  technique  in 

archaeology.  

 Figure 3: PARAFAC loading scores for Component 2 versus Component 1 (left) and 

corrected EEMs  from  two  select  samples, VZM1  and VZM23.   The  loading  scores 

appear  to  group  themselves  into  three  categories  indicated  by  a maroon  line,  an 

orange line, and a dotted line.  Within the grouping shown with the dotted line, two 

subgroups appear to exist.  The two corrected‐EEMs are shown to illustrate spectral 

differences between the two groups, characterized by a more red‐shifted emission in 

VZM1 compared to VZM23.   

While  the  precise  nature  of  the  difference  between  the  groups  based  on  their 

PARAFAC  component  scores  is  not  fully  defined,  it  does  represent  a  significant 

chemical difference that may indicate two source areas for the bitumen extracted from 

the  Vizhinjam  trade  wares.  No  known  sources  of  bitumen  exist  in  India.  Trade 

Page 11: Fluorescence Characteristics and PARAFAC Modeling of ... · Fluorescence Characteristics and PARAFAC Modeling of Bitumen from Ancient Ceramics Morgan Bida1, David Meiggs2, Christine

Bida et al. 2017: 69‐83 

79  

connections between South Asia and Southwest Asia are documented since at least the 

Harappan period, but more pertinent  is  continued evidence of  trade  routes between 

the Red Sea and Persian Gulf  in  the early 1st millennium AD  (Seland, 2011; Tomber, 

2007). These two areas may have represented different economic spheres of trade, one 

Roman  and  the  other  Mesopotamian,  respectively.  Both  areas  possess  sources  of 

bitumen utilized  in antiquity and  identified geochemically on artifacts (Barakat et al., 

2005; Connan  et  al.,  2006;  Schwartz  and Hollander,  2008). Additionally,  trade wares 

excavated from Anuradhapura, Sri Lanka (mid‐1st millennium AD) were sealed with 

bituminous sealants likely sourced in Luristan, western Iran (Stern et al., 2008). So, the 

two potential groups of bitumen identified in this analysis could tentatively represent 

source  areas  within  or  between  Roman  trade  networks  through  the  Red  Sea  and 

Mesopotamian sources, obtained through the Persian Gulf. This would be particularly 

significant  if  the  groups  corresponded with  different  ceramic  types  associated with 

these  two  regions,  i.e.,  amphorae  and  torpedo  jars. Due  to  the  lack  of  sample  from 

regional  bitumen  sources  in  this  study,  it  is  not  possible  at  present  to  make  any 

conjecture with respect to possible origins of the ceramics analyzed here.  

Yet,  given  these  promising  results,  next  steps  should  involve  multidimensional 

fluorescence study of modern bitumen samples from known source areas in Southwest 

Asia,  as  well  as  other  sealants  used  in  antiquity,  such  as  pine  or  birch  tars  to 

characterize  any  fluorescent  behavior.  In  addition,  various  aspects  of  the  technique 

should be clarified, such as: the solubility of maltene components in various solvents, 

identifying effects of possible confounding photo‐physical phenomena, and variation 

of absorbance with concentration. These steps will establish a robust basis for further 

application  of  the  technique  and  an  initial  database  with  which  to  compare 

archaeological results. Data from samples of ancient pottery from specific entrepôt that 

used routes through the Red Sea and Persian Gulf will then help to establish patterns 

in use of particular sources to delineate patterns  in  long‐distance exchange across the 

Indian Ocean in the past. Additional samples from Vizhinjam and other contemporary 

sites  along  the west  coast  of  India will  also  augment  our  understanding  of  ancient 

maritime trade.   

Conclusion Toluene  extractions  from  ancient  ceramic  samples  found  in  Vizhinjam  produced 

absorbance  and  fluorescence  results  characteristic  of  bitumen  and  its  fractions.  The 

bitumen EEMs produced a 3‐component PARAFAC model with possible comparisons 

to  literature  studies  of  bitumen,  crude  oils,  and  their  fractions. We  suggested  that 

component C1 may be maltene‐like, while components C2 and C3may be asphaltene‐like. 

Further,  when  samples  are  differentiated  based  on  their  scores  of  component  C2 

relative  to  component C1, different  groupings  of  samples  emerge.  Future work will 

focus  on  generating  possible  qualitative  associations  between  the  distribution  of 

component scores and geographic areas of origin. Further, we would like to extract the 

samples  in  different  solvents  and  more  rigorous  sample  fractionation  to  generate 

additional fluorescence spectra to build PARAFAC models. These results illustrate the 

Page 12: Fluorescence Characteristics and PARAFAC Modeling of ... · Fluorescence Characteristics and PARAFAC Modeling of Bitumen from Ancient Ceramics Morgan Bida1, David Meiggs2, Christine

ISSN 2347 – 5463 Heritage: Journal of Multidisciplinary Studies in Archaeology 5: 2017  

80 

 

first known use of PARAFAC  to analyze multidimensional  fluorescence spectra  from 

archaeological bitumen.  

Acknowledgements The authors wish to express gratitude to the National Technical Institute for the Deaf 

(NTID) Undergraduate Research Fund for the student grant award that helped to fund 

laboratory  equipment  for  this  project.  We  particularly  thank  Dr.  Rajesh  S.V.  for 

providing the ceramic samples from Vizhinjam.  

References Andersen, C.M., Bro, R., 2003. Practical aspects of PARAFAC modeling of fluorescence 

excitation‐emission data. J. Chemom. 17, 200–215. doi:10.1002/cem.790 

Barakat, A.O., Mostafa, A., Qian, M., Kennicutt  II, M.C., 2005. Organic Geochemistry 

Indicates Gebel El Zeit, Gulf of Suez, Is a Source of Bitumen Used in Some 

Egyptian Mummies. Geoarchaeology 20, 211–228. 

Beck,  C.W.,  Smart,  C.J.,  Ossenkop,  D.J.,  1989.  Residues  and  Linings  in  Ancient 

Mediterranean  Transport  Amphoras.  In  Arch.  Chem.  IV,  R.O.  Allen,  ed. 

ACS, vol.220, 369‐380. 

Bida, M.R., Tyler, A.C., Pagano, T., 2015. Quantity and composition of stream dissolved 

organic matter  in  the watershed of Conesus Lake, New York.  J. Gt. Lakes 

Res. 41, 730–742. doi:10.1016/j.jglr.2015.06.003 

Boëda, É., Bonliauri, S., Connan, J., Jarvie, D., Mercier, N., Tobey, M., Valladas, H., al 

Sakhel, H., 2008. New Evidence for Significant Use of Bitument  in Middle 

Palaeolithic Technical Systems  at Umm  el Tlel  (Syria) Around  70,000 BP. 

Paléorient 34, 67–83. 

Callejón, R.M., Amigo,  J.M., Pairo, E., Garmón,  S., Ocaña,  J.A., Morales, M.L.,  2012. 

Classification  of  Sherry  vinegars  by  combining  multidimensional 

fluorescence,  parafac  and  different  classification  approaches.  Talanta  88, 

456‐462. 

Connan,  J.,  1999. Use  and  trade  of  bitumen  in  antiquity  and  prehistory: molecular 

archaeology  reveals  secrets  of  past  civilizations.  Philos.  Trans.  R.  Soc.  B 

Biol. Sci. 354, 33–50. doi:10.1098/rstb.1999.0358 

Connan,  J.,  Carter,  R.,  Crawford,  H.,  Tobey,  M.,  Charrié‐Duhaut,  A.,  Jarvie,  D., 

Albrecht,  P.,  Norman,  K.,  2005.  A  comparative  geochemical  study  of 

bituminous boat remains from H3, As‐Sabiyah (Kuwait), and RJ‐2, Ra’s al‐

Jinz (Oman). Arab. Archaeol. Epigr. 16, 21–66. 

Connan, J., Nissenbaum, A., Imbus, K., Zumberge, J., Macko, S., 2006. Asphalt in iron 

age  excavations  from  the  Philistine  Tel Miqne‐Ekron  city  (Israel): Origin 

and trade routes. Org. Geochem. 37, 1768–1786. 

Connan, J., Van de Velde, T., 2010. An overview of bitumen trade in the Near East from 

the Neolithic (c.8000 BC) to the early Islamic period. Arab. Archaeol. Epigr. 

21, 1–19. 

Page 13: Fluorescence Characteristics and PARAFAC Modeling of ... · Fluorescence Characteristics and PARAFAC Modeling of Bitumen from Ancient Ceramics Morgan Bida1, David Meiggs2, Christine

Bida et al. 2017: 69‐83 

81  

Eaton,  J.K.,  Alcivar‐Warren,  A.,  Kenny,  J.E.,  2012.  Multidimensional  Fluorescence 

Fingerprinting  for  Classification  of  Shrimp  by  Location  and  Species. 

Environ. Sci. Technol. 46, 2276‐2282. doi:10.1021/es2037542 

Egenberg, I.M., Aasen, J.A.B., Holtekjølen, A.K., Lundanes, E., 2002. Characterisation of 

traditionally  kiln  produced  pine  tar  by  gas  chromatography‐mass 

spectrometry. J. Anal.. Appl. Pyrol. 62, 143‐155. 

Eigenvector_Research, 2012. PLS_Toolbox. Eigenvector Research, Inc. 

Ghatee, M.H., Hemmateenejad, B., Sedghamiz, T., Khosousi, T., Ayatollahi, S., Seiedi, 

O., Sayyad Amin, J., 2012. Multivariate Curve Resolution Alternating Least‐

Squares As a Tool for Analyzing Crude Oil Extracted Asphaltene Samples. 

Energy Fuels 26, 5663–5671. doi:10.1021/ef300510h 

Groenzin, H., Mullins, O.C., 2000. Molecular Size and Structure of Asphaltenes  from 

Various Sources. Energy Fuels 14, 677–684. doi:10.1021/ef990225z 

Gupta,  S., Williams, D., Peacock, D.,  2001. Dressel  2‐4 Amphorae  and Roman Trade 

with India: the evidence from Nevasa. South Asian Stud. 17, 7–18. 

Hall,  G.J.,  Clow,  K.E.,  Kenny,  J.E.,  2005.  Estuarial  fingerprinting  through 

multidimensional  fluorescence  and  multivariate  analysis.  Environ.  Sci. 

Technol. 39, 7560–7567. doi:10.1021/es0503074 

Handle,  F.,  Füssl,  J.,  Neudl,  S.,  Grossegger,  D.,  Eberhardsteiner,  L.,  Hofko,  B., 

Hospodka, M., Blab, R., Grothe, H.,  2014. The bitumen microstructure:  a 

fluorescent  approach. Mater.  Struct.  49,  167–180.  doi:10.1617/s11527‐014‐

0484‐3 

Harshman, R.A., Lundy, M.E., 1994. PARAFAC: Parallel  factor analysis. Comp. Stat. 

Data Anal. 18, 39‐72. doi:10.1016/0167‐9473(94)90132‐5. 

Hauck, T.C., Connan,  J., Charrié‐Duhaut, A., Le Tensorer,  J.‐M.,  Sakhel, H.  al,  2013. 

Molecular  evidence  of  bitumen  in  the  Mousterian  lithic  assemblage  of 

Hummal  (Central  Syria).  J.  Archaeol.  Sci.  40,  3252–3262. 

doi:10.1016/j.jas.2013.03.022 

Kato, K., Miyao, A., Ito, J., Soga, N., Ogasawara, M., 2008. The Search for the Origin of 

Bitumen Excavated  from Archaeological Sites  in  the Northernmost  Island 

in Japan by Means of Statistical Analysis of FI‐MS Data. Archaeometry 50, 

1018‐1033. doi: 10.1111/j.1475‐4754.2008.00420.x 

Kumar,  A.,  2006a.  History  and  Archaeology  of  the  Recently  Discovered  Fort  at 

Vilinjam. AdhAram J. Kerala Archaeol. Hist. 1, 33–36. 

Kumar, A., 2006b. An Appraisal of Vilinjam’s History and Archaeology in the Wake of 

Recent  Explorations,  in:  Dias,  C.  (Ed.),  Kerala  Spectrum:  Aspects  of 

Cultural  Inheritance  (Dr.  K.J.  John  Felicitation  Volume).  The  Indo‐

Portugese Cultural Institute, Cochin, Kerala. 

Kumar, A., Rajesh S.V., Abhayan G.S., Vinod V., Sujana Stephen, 2013.  Indian Ocean 

Maritime Trade: Evidences  from Vizhinjam, South Kerala,  India.  J.  Indian 

Ocean Archaeol. 9, 195–201. 

Kumar, A., S.V., R., Abhayan, G.S., Vinod, V., Stephen, S., 2015. International Maritime 

Trade: Evidences from Vizhinjam Excavations, South Kerala., in: Matthew, 

Page 14: Fluorescence Characteristics and PARAFAC Modeling of ... · Fluorescence Characteristics and PARAFAC Modeling of Bitumen from Ancient Ceramics Morgan Bida1, David Meiggs2, Christine

ISSN 2347 – 5463 Heritage: Journal of Multidisciplinary Studies in Archaeology 5: 2017  

82 

 

K.S.  (Ed.),  Imperial  Rome,  Indian Ocean  Regions  and Muziris. Manohar 

Publishers & Distributors, New Delhi, pp. 297–306. 

MacDonald, B.C., Lvin, S.J., Patterson, H., 1997. Correction of fluorescence  inner filter 

effects  and  the partitioning  of pyrene  to dissolved  organic  carbon. Anal. 

Chim. Acta 338, 155–162. doi:10.1016/s0003‐2670(96)00306‐6 

Mathworks Inc., 2014. MATLAB and Statistics Toolbox Release 2014a. The MathWorks, 

Inc. 

McKnight, D.M., Boyer, E.W., Westerhoff, P.K., Doran, P.T., Kulbe, T., Andersen, D.T., 

2001. Spectrofluorometric  characterization of dissolved organic matter  for 

indication  of  precursor  organic  material  and  aromaticity.  Limnol. 

Oceanogr. 46, 38–48. 

Merino‐Garcia, D., Shaw, J., Carrier, H., Yarranton, H., Goual, L., 2010. Petrophase 2009 

Panel Discussion on Standardization of Petroleum Fractions. Energy Fuels 

24, 2175–2177. doi:10.1021/ef9009263 

Morgan, T.J., George, A., Alvarez‐Rodriguez, P., Millan, M., Herod, A.A., Kandiyoti, 

R., 2010. Estimating molecular masses of petroleum‐derived fractions: High 

mass (>2000 u) materials in maltenes and asphaltenes from Maya crude oil. 

J. Chromatogr. A 1217, 3804–3818. doi:10.1016/j.chroma.2010.04.024 

Pagano, T., Ross, A.D., Chiarelli,  J., Kenny,  J.E., 2012. Multidimensional  fluorescence 

studies  of  the  phenolic  content  of  dissolved  organic  carbon  in  humic 

substances. J. Environ. Monit. 14, 937–943. 

Rajesh,  S.V., Kumar, A.,  2010a.  Personality  of Vizhinjam, Kerala:  Perspectives  from 

Archaeology  and  History,  in:  Reddy,  P.C.  (Ed.),  Recent  Researches  in 

Archaeology, History, and Culture: Festschrift to Prof. K.V. Raman. Agam 

Kala Prakashan, Delhi, pp. 163–174. 

Rajesh,  S.V.,  Kumar,  S.S.,  2010b.  Aykkudi  Temples  at  Vizhinjam:  An  Account  of 

Vanishing  Heritage,  in:  Reddy,  P.C.  (Ed.),  Recent  Researches  in 

Archaeology, History, and Culture: Festschrift to Prof. K.V. Raman. Agam 

Kala Prakashan, Delhi, pp. 307–310. 

Ryder, A.G., 2005. Analysis of Crude Petroleum Oils Using Fluorescence Spectroscopy, 

in:  Geddes,  C.D.,  Lakowicz,  J.R.  (Eds.),  Reviews  in  Fluorescence  2005, 

Reviews  in  Fluorescence.  Springer  US,  pp.  169–198.  doi:10.1007/0‐387‐

23690‐2_8 

Schwartz, M., Hollander, D., 2008. Bulk stable carbon and deuterium isotope analyses 

of  bitumen  artifacts  from  HacinebiTepe,  Turkey:  resconstructing  broad 

economic patterns of the Uruk expansion. J. Archaeol. Sci. 35, 3144–3158. 

Seland, E.H., 2011. The Persian Gulf or the Red Sea? Two axes in ancient Indian Ocean 

trade,  where  to  go  and  why.  World  Archaeol.  43,  398–409. 

doi:10.1080/00438243.2011.605844 

Sirkorska, E., Romaniuk, A., Khmelinskii, I.V., Herance, R., Bourdelande, J.L., Sikorski, 

M.,  Koziol,  J.,  2004.  Characterization  of  Edible  Oils  Using  Total 

Luminescence Spectroscopy. J. Fluor. 14, 25‐35. 

Page 15: Fluorescence Characteristics and PARAFAC Modeling of ... · Fluorescence Characteristics and PARAFAC Modeling of Bitumen from Ancient Ceramics Morgan Bida1, David Meiggs2, Christine

Bida et al. 2017: 69‐83 

83  

Stacey, R. J., 2013. Organic residues: origins, analysis and scope – an overview for the 

archaeological ceramicist. Old Potters Alm. doi:10.11588/opa.2009.1.11811 

Stedmon,  C.A.,  Bro,  R.,  2008.  Characterizing  dissolved  organic matter  fluorescence 

with parallel factor analysis: a tutorial. Limnol. Oceanogr.‐Methods 6, 572–

579. 

Stedmon, C.A., Markager, S., Bro, R., 2003. Tracing dissolved organic matter in aquatic 

environments  using  a  new  approach  to  fluorescence  spectroscopy. Mar. 

Chem. 82, 239–254. doi:10.1016/s0304‐4203(03)00072‐0 

Stern, B., Connan,  J., Blakelock, E.,  Jackman, R., Coningham, R.A.E., Heron, C., 2008. 

From  Susa  to  Anuradhapura:  Reconstructing  Aspects  of  Trade  and 

Exchange in Bitumen‐Coated Ceramic Vessels Between Iran and Sri Lanka 

from the Third to the Ninth Centuries AD. Archaeometry 50, 409–428. 

Strausz, O.P., Safarik, I., Lown, E.M., 2009. Cause of Asphaltene Fluorescence Intensity 

Variation with Molecular Weight and Its Ramifications for Laser Ionization 

Mass Spectrometry. Energy Fuels 23, 1555–1562. doi:10.1021/ef800480y 

Tomber, R., 2007. Rome and Mesopotamia ‐ importers into India in the first millennium 

AD. Antiq. 81: 972‐988. 

Zhang, H.T., Li, R., Yang, Z., Yin, C.‐X., Gray, M.R., Bohne, C., 2014. Evaluating steady‐

state  and  time‐resolved  fluorescence  as  a  tool  to  study  the  behavior  of 

asphaltene  in  toluene. Photochem. Photobiol. Sci. Off.  J. Eur. Photochem. 

Assoc. Eur. Soc. Photobiol. 13, 917–928. doi:10.1039/c4pp00069b.