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当拉曼光谱走入博物馆 个性化需求凸显——访上海博物馆文物保护科技中心副研究馆员周浩

仪器信息网 2017/04/17 09:45:43 点击 1266 次
标签拉曼光谱博物馆文物保护
默克工艺解决方案
[导读] 显微激光拉曼光谱分析仪虽然进入文物研究领域时间不是很久,却赢得了越来越多文物科研工作者的青睐,目前国内故宫博物院、国家博物馆、上海博物馆、秦始皇帝陵博物院/兵马俑博物馆等都已经配备了相关的产品。

  折戟沉沙铁未销,自将磨洗认前朝。在很长的历史时间里,考古更多的是人文情怀方面的文化发掘,一直推崇的是眼学和经验。不过随着科技的进步,科技考古学已然兴起,扫描电子显微镜、高光谱仪、微区X射线荧光光谱仪、红外光谱仪、显微激光拉曼光谱分析仪等越来越多的科学手段应用到考古和文物研究中。

  在这里值得一提的是,显微激光拉曼光谱分析仪虽然进入文物研究领域时间不是很久,却赢得了越来越多文物科研工作者的青睐,目前国内故宫博物院、国家博物馆、上海博物馆、秦始皇帝陵博物院/兵马俑博物馆等都已经配备了相关的产品。

  为了更深入的了解拉曼光谱仪在文物研究领域的应用情况,仪器信息网编辑日前特别拜访了上海博物馆文物保护科技中心,并采访到了该中心的副研究馆员周浩。

上海博物馆文物保护科技中心副研究馆员 周浩

  1991年7月毕业后,周浩被分配到上海博物馆文物保护与考古科学实验室工作,至今已经从业二十余年。期间,参与了国家科技部及国家文物局多项文物保护技术课题的科学研究工作,发表研究论文三十余篇。其中,“出土铁器文物脱盐缓蚀保护处理研究”、“银器文物抗变色处理的研究”两项课题分别获得1996年度国家科技进步三等奖和2005年度国家文物局文物保护技术创新二等奖。近年来,周浩还主持并承担了国家自然科学基金、国家文物局、上海市科委等多项文物保护技术课题科研工作。工作期间,综合保护处理馆藏青铜器、铁器、银器文物约1000多件。

  科技考古大势所趋 仪器检测或用于文物综合定性

  古玩鉴定凭眼力还是靠仪器,一直以来都是大家热议的话题。作为从业二十多年的文物研究工作者,周浩说,“考古在人文领域,一直是眼学霸天下,即便是现阶段也是,仪器检测只是佐证眼睛的判断。”

  不过,周浩也指出,“未来,科技考古是必经之路。”据介绍,不管是从资金投入还是人员配备方面来看,当前国家对文物保护和研究越来越重视。现在基本上每个省都建有相应的文保实验室,而且越来越多的博物馆已经接受科技考古的理念,包括故宫、国博等都相继引进了很多仪器,可以说当前科技考古的呼声越来越高。

  这一次我们拜访的上海博物馆就是我国最早开展文物保护科学和技术研究工作的单位之一,1952年建馆,1958年和1960年先后设立文物修复工场和文物保护科学实验室,2016年9月上博文保科技中心改扩建工程竣工并投入使用,专职从事文物修复、书画装裱、保护技术、科学鉴别和仿古复制等文物科技研究工作。据介绍,在国家财政部、国家文物局、上海市科委、上海市财政局的多方支持下,自2007年以来,已经连续投入近4000万元添置了环境扫描电镜能谱仪、450KV X-CT、高光谱仪、微区X射线荧光光谱仪、红外光谱显微镜、激光拉曼光谱仪、气相色谱/质联用仪、离子色谱仪等一批50万元以上大型科学仪器设备和多件5万元以下文物保护修复专用设备。

  周浩特别指出,“目前文物科学研究领域对于一些先进分析仪器的需求还是比较多的,尤其一些无损分析仪器是博物馆文物科学分析研究应用的首选。虽然,现阶段,我国文物领域还在持续‘眼学为主,科技为辅’的态势,但是科技手段的分量会越来越重。将来,不仅仅是科技辅助鉴定,更重要的是,我们可以利用仪器对文物进行综合定性,进而实现对其价值的判定等。”

  无损分析是博物馆未来最倚重的测试手段之一

  获知文物的组成及成份结构是文物研究、文物保护工作的基础,成份结构分析对于辅助判定文物的产地、年代、分析文物的制作工艺以及文物病害等有十分重大的意义。不过,测试化学成分常需要取样分析,而文物是不可再生资源,因此无损分析技术是博物馆未来最倚重的测试技术手段之一。

  据介绍,当前扫描电镜、X射线衍射等技术已经被广泛应用于古代珍贵文物的分析测试研究中,但是制样过程对文物有一定的破坏性, 而且测试费时、复杂;XRF目前主要用在瓷器的研究中,所测样品有限制;LIBS是一个不错的技术,最大的问题是有时候会烧样品。

  “基于对各类仪器原理、结构、分析操作方法的研究和比较,我们认为显微拉曼光谱分析法,以其自身的优点越来越在文物分析中体现出重要价值。显微拉曼光谱技术具有无损、空间分辨率高、抗干扰强、使用方便、光斑小等优点。其采用低功率激光器、先进的滤光技术及高效CCD技术, 克服了传统谱仪所需较大功率激光器、灵敏度低等不足, 因而具有检测灵敏度高、时间短、无须样品制备,且可对被测样品进行非接触性、非破坏性测试。因此,从文物保护角度来看,采用显微拉曼光谱技术分析古代珍贵文物的成分和结构具有极大现实应用意义。”

  针对笔者提出的激光能量损伤的问题,周浩解释到,“准确的来说,拉曼光谱仪应该是‘微损’。不过我们配备了532nm、633nm、785nm三种激光器,可以通过更换激光器,或者从低到高的调节激光能量以达到无损的要求,同时保证相对最好的信号强度。”

  鉴于以上多方面的考虑,2015年9月,上海博物馆文物保护科技中心从英国雷尼绍公司购置了一台inVia-Reflex显微共焦激光拉曼光谱仪,主要用于馆藏青铜、陶瓷、雕塑、玉器、字画等文物样品的成分测试与分析,特别是青铜器、彩瓷(粉彩、珐琅彩)、字画等样品局部微小部位的测量分析,这些在国际、国内都是属于前沿性的研究领域。

inVia-Reflex显微共焦激光拉曼光谱仪

左:785nm FOP;右:532nm FOP

  在上海博物馆文物保护研究中心,我们也看到了该中心的“新宠”——inVia-Reflex显微共焦激光拉曼光谱仪,这台仪器独享一个“办公室”,为各位“慕名”而来的科研工作者提供服务。

  拉曼光谱在文物研究中的应用:个性化、定制化需求明显

  在各大实验室及展会上,大家一定见过很多不同品牌的拉曼光谱仪,只是这台仪器与我们之前见到的有所不同。由图我们可以看到,该套系统在原有显微系统的基础上,增加了另外一套针对大样品的显微平台,而且定制了相对应的样品支架及保护措施。此外还配有两个光纤探头。据悉,该实验室还即将安装用于字画测试的三维扫描平台。

  给笔者介绍完这套系统,周浩特别强调,“从仪器需求角度来说,个性化、定制化是文物研究领域非常重要的特点。能测试超大样品的竖直取样自由空间显微镜,以及XYZ三轴自动移动的光纤探头,并能在大气环境下直接无损测试大型文物样品(包括文物完整器),同时具有微区共焦检测功能,能够对非常小区域进行高灵敏度化学组成分析,这样能解决分析样品不能取样、不规则、成分分布不均匀以及纹饰复杂带来的测量问题,这些都是博物馆珍贵文物无损分析科学研究的紧迫需要,也是我们选择这款仪器的原因。”

  据笔者了解,对厂商来说,配两个显微镜系统并不是很难的事情,但是用户的需求却不容易发掘,这就需要厂商和用户保持良好的沟通。不过,一旦开发契合需求的仪器系统,也必将会开启,甚至会推动相对应的应用需求。据悉,这是用于文物系统的第一台如此定制化的仪器,之后故宫博物院、广东省博物馆也购置了相同的系统。

  也许正是因为契合需求的设计,目前这套拉曼系统在该中心得到了越来越多的青睐和关注。据悉,每周至少开机4天,除了负责人周浩之外,研究中心还有3-4个人可以操作这台仪器。

左:对考古出土文物残片进行分析; 右:对考古出土水晶串珠(珠子)进行结构分析

左:自动平移对焦光纤测量系统分析考古出土银函表面锈蚀产物;

右:自动平移对焦光纤测量系统分析馆藏青铜文物表面锈蚀产物

  从2016年开始,上海博物馆文保中心就开展了《显微激光拉曼光谱原位分析技术在青铜文物锈蚀产物辨识测试中的应用研究》课题的研究工作。

  具体来说,采用显微共聚焦拉曼光谱对中国古代青铜文物各类锈蚀产物的标准化合物样品和考古实际出土青铜文物表面的锈蚀成分和结构进行分析测试对比,并探索最佳实验条件,进行拉曼光谱青铜文物锈蚀产物分析方法学研究;建立起中国古代青铜文物锈蚀产物原位分析的拉曼光谱数据库及标准分析方法,并应用于青铜质文物的分析研究中:一方面确定样品的成分和结构,另一方面更深层次的发掘文物的保存状况、制作年代、制作工艺和当时的制作水平等相关考古和文物保护信息;此外,利用大样品拉曼原位检测分析手段,还在青铜文物表面原位表征测定各种锈蚀产物,并对锈蚀种类进行评估,为文物保护处理方法的选择提供科学依据。

  拉曼光谱在文物领域应用突破点:承重平台、数据库、联用

  虽然拉曼光谱的无损、原位分析在文物研究领域优势明显,但是就目前的应用情况来说还比较“新”,还有不少问题需要解决。对于目前阻碍拉曼光谱在文物研究中应用的因素,周浩分析到,“从仪器方面来说,三维扫描移动平台承重不够,只能放较小的文物样品进行分析检测,对于较重的文物会受到测试条件的限制,不能进行原位分析检测。我们希望能将三维扫描移动平台与光纤探头测试联用,这样在文物原位分析表征测试应用方面将会更简洁和方便。这方面希望厂家能进行深度的开发利用。”

  另外,周浩特别提出,数据库是一个亟待解决的问题。据其介绍,鉴于文物领域的特殊性,再加上研究积累不是很好,数据库缺失是目前面临的一个难点,也是阻碍当前应用发展的一个关键问题。周浩举例道,青铜文物上的很多锈蚀物,包括文物上的颜料等,大部分都没有相对应的谱图,必须买到纯的或者定向委托合成纯的化合物做成标样,进而进行数据库的建设。其特别强调,“这个领域要发展,就要建数据库,而且需要一定的时间来积累,青铜、铁器、陶瓷、书画等每类文物都需要有自己的数据库。而且可以肯定的是,在这个领域,谁先建库,谁就为王”

  鉴于上述现状,文保中心正在进行中国古代青铜文物锈蚀产物原位分析的拉曼光谱数据库建设及标准分析方法的研究工作。“我们已经配备了做器物检测的大样品平台,还有即将安装做书画检测的扫描平台,相信两三年之后,数据库会得到一定的改观,同时也会有一些有价值的文章发布。”周浩介绍到。

  此外,谈到未来拓展应用的方向,周浩对拉曼光谱仪的联用技术非常感兴趣。其谈到,拉曼检测分析技术在文物分析检测中应用已经有较多的案例,未来对于文物的分析检测可能会更注重多台先进仪器设备的联用,以获取更多的文物内涵信息,比如拉曼-原子力显微镜联用技术,拉曼-扫描电镜联用技术等。不过同时,他也提到,联用还有不少问题,只有联接好才会锦上添花。据悉,文保中心也期待拉曼可以和其他仪器,特别是电化学仪器的联用,以采集到更多的信息。

  后记:

  近五年,我国拉曼光谱市场取得了长足的发展,不仅是用户数量持续攀升,而且涵盖的领域/行业也越来越广泛。从用户单位类型分析,除却大专院校、科研机构以及政府检测部门之外,“其他”单位类型的用户也在逐年提高,其中以公安(刑侦)、地质、文物(博物馆) 等单位居多。

  此次采访中我们了解到,全国有不少规模以上的博物馆文保研究中心都已经配备了相应的拉曼光谱仪,有的甚至还不止一台。只是,鉴于应用基础还不够深厚,要想在短时间内得到快速的应用拓展还有不少问题需要解决。其中,满足文物研究需求的个性化、定制化仪器是一个非常重要的方面,这就需要企业和用户更紧密的沟通和互动。

  此外,在故宫博物院、国家博物馆、上海博物馆等业界领头单位的带领和示范作用下,以及越来越多中坚青年投身文物科研工作,未来拉曼光谱在文物研究领域的应用会更加深入,市场也会更容易打开。就如同周浩说的,再过5年,拉曼光谱在文物领域的影响力就显现出来了!

采访编辑:叶建

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