彩绘文物颜料胶结材料分析与表征研究进展.pdf
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1、第2 8 卷第5 期分析科学学报V。1 2 8N o 5J o U R N A L()FA N A I,Y T I C A I S C I E N C E2 0 1 2 年I O 月o c t 2 0 1 2文章编号:1 0 0 6 6 1 4 4(2 0 1 2)0 5 0 7 0 8 一0 7彩绘文物颜料胶结材料分析与表征研究进展闰宏涛,安晶晶1,周铁2,容波2,夏寅2(1 西北大学化学与材料科学学院,陕西西安7 1 0 0 6 9;2 陶质彩绘文物保护国家文物局重点科研基地,秦始皇兵马俑博物馆,陕西西安7 1 0 6 0 0)摘要:本文系统综述了包括微量化学实验法、光谱分析法、核磁共振法
2、、色谱法、质谱法等分析方法和技术在古代彩绘文物颜料胶结材料分析表征中的应用,并对其应用进展作了展望。关键词:彩绘文物;胶结材料;分析方法中图分类号:0 6 5 7文献标识码:A1引言壁画、彩绘陶俑、古建筑彩绘等彩绘文物是古代灿烂文化艺术之瑰宝,也是人类文化遗产的重要组成部分。它承载着丰富的历史信息,饱含着十分重要的考古、艺术和科学价值。研究表明,古代彩绘文物是采用H g s、F e。O。、c u s O。2 H:()和P b。()。等无机矿物颜料,加入适量的动物蛋白、天然植物类和脂肪类胶结材料(颜料调和剂)施彩作画。这些动、植物类胶结材料粘结性强、干燥时间短,具有良好的化学、机械特性和对光的稳
3、定性。它不仅使无机矿物颜料均匀混合并附着于彩绘基层,而且使得彩绘颜料着色牢固,得以长期保存。我国地域辽阔,彩绘文物遗存种类丰富,数量大,分布广。然而,由于彩绘文物年代久远,长期受光照、氧化、老化、降解以及保存环境等的影响,导致现存彩绘文物严重褪色、粉化、龟裂、起翘甚至脱落。其中彩绘颜料胶结材料的氧化、降解、老化等化学反应是主要的原因。因此,开展彩绘文物颜料胶结材料的分析与表征研究,对于古代彩绘文物的研究、保护以及修复具有十分重要的科学意义和应用价值口“。2 微量化学试验法微量化学试验法主要是依据彩绘文物颜料胶结材料组分,在一定反应条件下产生的颜色变化,在不同有机溶剂中的溶解性及其熔点等化学物理
4、特性来鉴别表征胶结材料的组成。2 0 世纪微量化学实验法的发展,特别是微量化学免疫试验法的发展,已成为彩绘文物颜料胶结材料分析表征的新方法和手段一引。该方法可进行不同彩绘文物颜料胶结材料中同一种类蛋白或多种蛋白胶结材料。如酪蛋白、白蛋白、卵蛋白、动物血类等胶结材料的分析测定,以及彩绘文物颜料胶结材料的老化机理研究等邸。”。在秦始皇兵马俑彩绘保护技术研究中,研究者们u 1 u 分别采用泡沫试验法(检验油脂类化合物)、碳水化合物试验法(检验植物类胶)、氮试验法(动物胶类检测)等微量化学试验法,对秦始皇兵马俑彩绘颜料层以及陶俑表面与颜料层问的涂层物质成分进行了系统分析,取得了重要研究成果。微量化学实
5、验法简单易行,快速,无需复杂的仪器设备,可初步获得彩绘文物颜料胶结材料有机物的相关信息,在彩绘文物颜料胶结材料分析与表征研究中发挥着一定的作用。但总的来说,微量化学实验方法特异性较差,已逐渐被各种现代仪器分析方法和技术所取代。而微量化学免疫法虽然具有高的特异性和灵敏度,但在应用上受该方法复杂的样品制备过程和测定仪器所局限。收稿日期:2 0 1 11 l2 9修回日期:2 0 1 20 3 1 9基金项目:国家科技支撑计划(N o 2 0 l O B A K 6 7 8 1 2)*通讯作者:闰宏涛,男,教授,博士研究生导师,研究方向为现代光谱分析与表征7 0 8万方数据第5 期分析科学学报第2
6、8 卷3 光谱分析法3 1紫外一可见吸收和荧光光谱法早在1 8 8 9 年紫外一可见吸收光谱法已廊用于彩绘文物及其颜料胶结材料的分析表征一1 2 一,但由于彩绘文物颜料胶结材料在紫外可见光谱区鲜有特征性吸收,所以,紫外一可见吸收光谱法仍较少用于彩绘文物颜料胶结材料的分析和表征。相比而言,荧光光谱分析法的高灵敏度和选择性,使其在彩绘文物颜料胶结材料、涂层等分析和表征研究应用较为广泛L 13 1“。特别是激光技术的引入,多维荧光光谱和荧光寿命成像等方法和技术的应用,可进行复杂体系彩绘文物颜料胶结材料的分析与表征。L a r s o n 等口5 采用荧光光谱法,以氩离子激光器为激发光源,进行了古代彩
7、绘颜料天然产物胶结材料的分析与表征。B o r g i a 等阳报道以N d:Y A G激光光源(A。)激发,像增强器(I c c D)检测,时间分辨荧光成像,进行了多种颜料和四种萜类树脂胶结材料的分析与表征。C a s t i l l e j o 等1 1 刊应用激光诱导荧光光谱法,对采用K r F 准分子激光器(五跚。,2 5n s)清洗蛋彩画,虫胶涂层过程进行实时监测。C o m e l l i 等u 列采用三种激光器输出四种不同激光波长(A。、A。A 弼。、A 慨。)激发荧光,以光学多道分析器和I C C D 相机分别进行n s 时问分辨荧光光谱和荧光寿命成像检测。此外,显微荧光光谱分
8、析技术,激光诱导荧光遥感光谱成像,激光雷达(I。I D A R)等,已应用于彩绘文物颜料胶结材料的种类和分布研究L 1,以及较大面积彩绘文物颜料胶结材料的分析测定 2。I。近年来,多种荧光光谱法应用于彩绘文物颜料胶结材料分析表征。但由于彩绘文物颜料胶结材料成分复杂,往往同时存在有多种成分,采用荧光光谱法难以完全获得古代彩绘颜料胶结材料的有关信息。尽管如此,对于彩绘文物颜料胶结材料分析与表征,荧光光谱法不失为一种重要的分析表征方法和技术。3 2 红外光谱法红外光谱法是彩绘文物颜料胶结材料分析表征中应用较为广泛的一种技术。M a s s c h e l e i n K l e i n e r 和c
9、 a s a d i o 等 2 1 跎J 已对此方面的应用及进展进行了综述。2 0 世纪8 0 年代以来,各种傅立叶变换红外光谱(F T I R)分析表征方法和技术,已应用于彩绘文物颜料胶结材料特性和成分研究,样品表面的热扩散、薄膜的吸收测定,生物过程对于彩绘颜料合成树脂的影响研究,丙烯酸或乙烯基硬脂酸的微胶囊和胶束溶液的纳米结构的在线检测。2”2 。李最雄川采用红外光谱法,对我国敦煌莫高窟和炳灵寺1 3 块壁画残片的4 8处不同彩绘颜料样品和胶状物进行了测定,提出了敦煌壁画彩绘颜料胶结材料老化的主要原因。近红外光谱法的发展,其与线性判别分析(I。D A)和主成分分析(P C A)等化学计量
10、学方法结合,已应用于彩绘文物研究及保护中合成聚合物、树脂、颜料、颜料+胶结材料的研究及分析表征。N a v a s a 等4 J 以漫反射红外光谱法和P C A 进行彩绘文物颜料胶结材料的分析。样品用量仅为1 5 肚g,进行了多种传统胶结材料的分析与表征。显微红外光谱法和同步辐射的应用是红外光谱法在彩绘文物颜料胶结材料分析表征一种新的方法和技术。研究报道F T I R 显微光谱法以反射成像模式,应用于不同古代彩绘层颜料和羧酸铅功能团分布的二维成像口5J。值得提出的是同步辐射(S T)的高亮度和相于性,具有高空问分辨率和低信噪比汹。近年来,S TF T I R 光谱分析法已应用于中世纪油藏干性油
11、鸡卵蛋白胶结材料的研究。红外光谱法可进行彩绘文物颜料及其胶结材料的无机、有机物成分的分析与表征,但其不足之处是尚不能表征彩绘文物颜料混合蛋白胶结材料中单一种类蛋白胶结材料。s T F T I R 虽然具有通常F T I R 难以比拟的优良特性,然而因仪器装置所限,尚待推广应用。3 3 拉曼光谱法1 9 7 9 年D h a m e l i n c o u r t 等口8 首次报道了激光拉曼光谱法在考古学研究的应用。其后,激光拉曼光谱法在文物研究和保护领域,特别是在彩绘文物研究与保护以及其颜料胶结材料分析表征应用得以快速发展口”。尤其是基于拉曼光谱非侵入性的尤损分析特性,显微拉曼光谱技术、光纤技
12、术的发展,开辟了拉曼光谱技术在文物及其保护研究的新应用。显微拉曼光谱法具有高空间分辨率,可进行小于5 5p m 古代彩绘样品的分析与表征,避免了测定样品相邻区域颜料微粒的干扰,从而选择性地测定表征古代彩绘颜料层中胶结材料的有机物成分,如彩绘文物颜料于性油、多糖、蛋白和树脂等胶结材料H 1 4 6 j。黄建华等H 报道采用显微拉曼光谱法进行了我国古代彩绘颜料常用的五种胶结材料(猪皮胶、猪骨胶、蛋清、蛋黄和桃胶)种类的鉴别。N e v i n 等m 1 用拉曼光谱法与主成分分析(P C A)结合进行了彩绘文物颜料胶结材料复杂样品,如蛋白类胶结材料的分析与表征研究。表面增强拉曼(s E R S)也已
13、应用于彩绘层的染料蛋白(茜素7 0 9万方数据第5 期闰宏涛等:彩绘文物颜料胶结材料分析与表征研究进展第2 8 卷和卵蛋白)的相互作用研究H。便携式拉曼光谱仪、光纤拉曼光谱仪已应用于艺术品和考古出土文物的现场无损原位在线检测研究。在文化遗产保护科学分析、材料光老化的快速评价研究中发挥着重要作用。与红外光谱比较而言,拉曼光谱具有较高的特征性,不仅能提供样品特征性的分子指纹,而且达到了微米水平的空问分辨率,减少了无机基体的干扰。显微拉曼光谱技术高的空问分辨率,可获得功能团二维分布的信息。4 核磁共振法近年来,核磁共振波谱法,如交叉极化魔角旋转核磁共振(C r o s s P o l a r i z
14、 a t i o n M a g i aA n 9 1 eS p i n n i n g,c P M A s N M R)技术和2 DN M R 技术,已应用于彩绘文物颜料胶结材料老化过程的化学变化研究。C i p r i a n i 等口妇应用1 HN M R 进行了颜料胶结材料三种干性油的交联过程研究。S p y r o s 等凹胡测定了经声老化的和未老化的干性油样品萃取成分,提出了一种分析表征干性油胶结材料老化的方法。其是以1 H、”CN M R 法测定的各种化学成分比率为标示物(该标示物与干性油的老化和氧化过程密切相关),表征干性油的老化程度,特别是不饱和脂肪酸和双、单甘油酯组分浓度的
15、变化。在其后的研究工作中 5,作者进行了蛋彩画的卵蛋白和干性油的混合物、以及丙烯酸聚合物颜料胶结材料复杂体系的分析与表征。此外,电子顺磁共振波谱(E P R)技术在彩绘文物颜料胶结材料研究和表征应用也有报道。G u n n 等_ 4。采用E P R、1 HN M R、扫描电镜一能量色散x 射线分析技术(S E M E D X)和质谱进行了铜盐颜料和油基树脂形成的络合物研究。D i e t e m a n n 等阳采用E P R 和质谱(M s),进行了达玛和乳香清漆的光化学和热老化研究。测定达玛清漆老化过程自由基浓度。十多年来,核磁共振法在彩绘文物颜料胶结材料分析表征中应用持续增长,但对于大多
16、数分析实验室而言,仍有待于核磁共振仪器的普及。5色谱法高效液相色谱(H P I。c)、气相色谱(G c)及其联用技术等是彩绘文物颜料胶结材料有机物分析与表征应用最为广泛的一类方法和技术,已应用于彩绘文物颜料和涂层中动、植物蛋白、多糖、蜡、干性油以及萜类树脂等胶结材料的分析与表征”6 2 0。G c 在彩绘文物颜料胶结材料分析表征应用已有综述和评述山26“。采用G C 进行彩绘文物颜料胶结材料的分析表征,样品前处理和样品中无机矿物颜料以及其它共存物干扰的消除非常重要。样品的前处理涉及到样品的水解、衍生等。依据古代彩绘颜料胶结材料不同,通常采用酸或碱以及生物酶等将彩绘文物颜料胶结材料有机物样品进行
17、水解,然后再将水解氨基酸进行衍生后以色谱或其它相关方法和技术等进行分析测定。近年来,G C 在彩绘文物颜料胶结材料分析与表征技术研究主要集中在测定样品组分的在线()n1 i n e)和离线()f f _ l i n e)衍生方法及其各种联用技术的发展。V a nd e rD o e l e n 等o“3 采用在线反相H P I CM S(质谱)和大气压化学电离H P L C M S M S(串联质谱)进行了未老化和老化的达玛和乳香三萜类胶结物的分析。表征了未老化树脂的2 0 种成分和老化胶结物中某些氧化三萜类成分。T o k a r s k i 等L 6 列采用蛋白组学进行了1 0 弘g 古代
18、彩绘颜料卵蛋白胶结材料样品的分析。所得到的特征肽谱图,用其y 和b 指纹鉴别卵转铁蛋白、卵白蛋白、卵黄蛋白原。同时,该技术具有高灵敏度和特征性,能提供单个肽的氨基酸序列。色谱法在我国彩绘文物颜料胶结材料的分析与表征中应用。主要为敦煌壁画颜料胶结材料研究。李实邸6“7 3 采用H P L C 对敦煌壁画颜料胶结材料进行了分析表征,确定了敦煌壁画颜料胶结材料的种类。在其后续研究中阳8 ,对敦煌莫高窟从公元五世纪到十四世纪各个历史时期壁画的红、兰、绿、白和黑五种主要颜料胶结材料进行了定性和定量分析。研究表明颜料胶结材料是牛皮胶。且在不同历史时期,不同的壁画颜料加入胶结材料的量则不同。陈平、纳鹏君等。
19、6 叫采用邻苯二甲醛柱前衍生,反相H P I。c 进行了敦煌壁画中1 5 种氨基酸成分测定。苏伯民等。7 叩采用H P I C 对新疆克孜尔石窟壁画彩绘样品颜料胶结材料进行了分析,表明克孜尔石窟颜料中所用胶结材料为动物胶。和玲等H u 采用P y G C M S 法对古代艺术品和西安鼓楼明代时期的木质结构胶结物进行了分析研究,表明西安鼓楼木质结构是以天然蜡、鸡蛋和干性油作为胶结材料。魏书亚、马清林等阿2J 应用P y G CM S 和G c M s 法对陕西唐墓壁画和内蒙古大召寺明代壁画彩绘胶结材料进行了分析与表征。在其最近研究工作中,报道了采用X 射线荧光、红外光谱、P y G CM S 和
20、G C M S 法对山东青州香山西汉墓出土的彩绘陶俑紫、红和褐色彩绘层中无机颜料和颜料胶结7 1 0万方数据第5 期分析科学学报第2 8 卷材料,以及马腿与马背粘结的胶结材料进行了分析与表征 7,表明均为动物胶。此研究结果为同一时期此类陶质彩绘文物颜料胶结材料的分析表征提供了很好的借鉴。值得提到的是意大利学者B o n a d u c e等L 7 4 采用G cM s 法对我国秦始皇兵马俑彩绘颜料胶结材料进行了分析研究。报道秦代兵马俑胶结材料为鸡蛋。但其采用鸡卵蛋白为颜料胶结材料进行模拟实验,却未能获得重现结果。作者认为可能存在其它某些添加剂,有待进一步深入探讨。其他色谱法及相关分析方法,如高
21、压毛细管电泳分析法口5。78 I、尺寸排阻色谱法们等已应用于古代彩绘颜料蜡、树脂、干性油、酪蛋白、鸡卵蛋白、脂肪酸、双萜类树脂、明胶、亚麻油、马尼娜树脂和山达二萜树脂以及动物、植物胶接材料的分析表征等。与光谱法等分析方法和技术相比,色谱法具有优良的分离能力。它是古代彩绘文物研究及其彩绘颜料胶结材料分析表征最重要的方法之一,亦是报道应用较多的方法。其不足之处在于彩绘颜料胶结材料样品前处理水解、萃取、衍生等过程冗长繁琐,易发生氧化、交联、缩合反应,导致胶结材料有机物组分的改性或损失。且样品需用量较大。但其优良的分离功能,是彩绘文物研究及其彩绘颜料胶结材料分析与表征不可缺少的方法和技术。6质谱法及其
22、相关分析表征技术质谱(M s)分析表征技术,已成为考古和彩绘文物颜料胶结材料复杂体系有机化合物分析与表征的重要的方法和手段。如直接质谱法(P M S)用于动物胶、干性油等”8“,裂解质谱法(D P M s)用丁天然树胶、树脂、蜡等及其老化研究等 8 2。83|,温度分辨质谱法(D T M S)用于干性油、胆甾醇、达玛树脂、乳香、松香等4。85 I,快原子轰击质谱法(F A B M S)用于二萜类等。8 6。8,基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(M A L D IT()FM s)用于动、植物类,酪蛋白、乳清和卵蛋白等。8 8。“,石墨辅助激光解吸电离质谱(石墨辅助L D I M s)用于达玛和乳
23、香漆等光老化的研究口2。9“,串联质谱用于鸡卵蛋白、奶蛋白等 9 4。9。激光解吸质谱技术(I。D M s),包括飞行时间质谱(T O F M s)、离子阱质谱(I T M S)和傅立叶变换离子回旋共振质谱(F T I C R M S)是2 0 世纪6 0 年代发展起来的具有较大应用潜力的软电离质谱技术,已应用于彩绘文物颜料胶结材料的分析与表征。文献”1 报道M A L D I T O F M S 应用于古代彩绘颜料动物胶、鸡卵蛋白(蛋清、蛋白和全蛋)、奶酪、酪蛋白、乳清和明胶等多种胶结材料的分析与表征。该方法采用特定的蛋白酶将样品进行酶解,然后再以质谱技术检测,达到了飞摩尔的高灵敏度和检测限
24、。在酶解过程中,特定的氨基酸的肽键被酶解。与色谱法采用的氨基酸比率而言,肽化合物更具有特征性。这样,通过比较彩绘颜料胶结材料样品与标准对照样品的“肽指纹”图谱,从而可靠的鉴别表征彩绘文物颜料不同种类的蛋白胶结材料。但由于彩绘文物年代久远,彩绘颜料胶结材料经长期降解老化及流失,实际样品与模拟样品“肽指纹”图谱并非能完全一致匹配。笔者采用改进了的M A L D IT O F M S 方法分析表征了我国古代不同历史年代彩绘文物颜料胶结材料,取得了满意结果。质谱法可给出分子结构信息。样品用量少,加之无需对彩绘颜料胶结材料进行复杂的样品预处理,省时,从而避免了对样品污染。同N M R 一样,因仪器装置普
25、及的缘故,其在彩绘文物颜料胶结材料分析表征应用有一定的局限。但质谱法及其相关分析表征技术,尤其是其与色谱联用技术的发展,在彩绘文物颜料胶结材料分析表征中发挥着重要作用 6。其它分析表征方法,如电化学分析法、扫描电镜、原子力显微镜、热分析以及激光击穿光谱分析法等在彩绘文物颜料胶结材料、文物表面有机防腐涂层的表层及深度剖面分析应用已有报道 95。”。7展望自从1 8 世纪首次报道采用仪器分析方法和技术进行文物和考古分析与表征研究以来,现代分析仪器方法和技术的发展,不但满足了彩绘文物颜料胶结材料测定的高灵敏度、分辨率、重现性和准确性的要求,而且提供了样品组成有机材料结构、形态和空间等信息。随着分析科
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