古代多色硅酸盐制品的光谱学分析及方法学研究

采用自主搭建的多光谱成像系统、便携式X射线荧光光谱仪(X-ray fluorescence spectrometer, XRF)、激光拉曼光谱仪(laser Raman spectrometer, LRS)对5件战国时期多色硅酸盐制品的表面物质的光谱特性、化学成分和物相结构进行了无损分析。根据多光谱图像中的光谱响应情况,对样品表面物质进行了区域划分,并发现样品表面的多数蓝、绿、紫色系区域出现荧光现象。XRF检测结果表明不同区域的化学成分存在明显差异,但多数区域均以SiO₂,PbO,BaO为主要化学成分,5件样品基本属于铅钡硅酸盐体系,而且出现荧光区域皆是铜离子致色。LRS精确检测出各个区域中的玻璃相、中国蓝、中国紫、石英、赤铁矿、铅白、无定形碳等物相,并发现产生可见发光二极管致近红外荧光的物质为中国蓝和中国紫。利用X射线衍射技术(X-ray diffraction, XRD)验证了LRS检测结果的正确性。本研究将多用于书画分析的多光谱成像面检测技术与常用于硅酸盐文物成分分析的XRF和LRS技术进行有效结合,提出了一套更为高效的无损的分析古代多色硅酸盐制品的研究方法。光谱图像与X射线荧光光谱、激光拉曼光谱数据的结合,将样品的光谱特性与化学构成联系起来,有助于提高硅酸盐文物的分析效率,加强对硅酸盐文物的整体认识,和降低硅酸盐文物的受损风险。     

文物研究与保护中的无损分析技术

文物信息的提取与研究对于揭示古代遗物内涵的人类社会、文化等历史信息有着举足轻重的作用。一方面可以了解古代的工艺技术特征,探寻文物制作技术起源及其发展历程;另一方面可以进行病害调查分析,为保护文物提供有效信息。由于文物不可再生的珍贵性,探索和应用现代无损分析技术进行文物研究和保护尤为重要。该文细致梳理了目前主要在文物研究与保护中的无损分析方法及其应用现状：用于文物内部和表面影像分析的X光照相技术、红外成像技术、CT技术、多光谱成像技术和三维激光扫描技术;用于文物表面微观形貌观察和显微结构分析的光学显微镜和电子显微镜;用于文物化学组成分析的X射线荧光光谱和激光剥蚀等离子体质谱分析技术;用于文物物质结构分析的微区XRD、反射式红外光谱和显微激光拉曼光谱分析技术。同时,对这些无损分析技术的优势和局限性进行了初步分析,预期随着科技研究水平的不断提高,这些无损分析技术未来将向着小型化、自动化和便携化的方向发展,在文物研究和保护中有着十分广阔的应用前景。     

准分子激光辐照PVDF的拉曼和红外光谱研究

通过测量KrF准分子激光辐照前后PVDF的拉曼光谱和红外光谱,分析了PVDF经激光辐照后表面电导率大幅度提高的机理;采用逐点扫描拉曼成像技术,确定出激光辐照后PVDF的导电层厚度约为7.5μm。在拉曼光谱、扫描电镜和X射线能谱综合表征基础上,发现激光辐照后PVDF表面呈现出复合型微结构。     

广西合浦九只岭汉墓出土石榴子石珠饰的科学分析

为探明广西合浦九只岭汉墓出土的一批紫色珠饰的材质、制作工艺和可能的原料来源,应用X射线荧光光谱、激光拉曼光谱和以及超景深三维显微系统三种分析技术科学分析了其中8枚珠饰。根据X射线荧光光谱和激光拉曼光谱分析结果,从矿物学特征上讲,这些珠饰是由石榴子石族矿物中的铝系石榴石加工而成,除一件样品属于铁铝-镁铝榴石型外,其矿物成分体系具有较高一致性,其他样品均属于富铁铝榴石型石榴子石。结合超景深数码显微系统所获取的样品加工痕迹信息以及近年考古学和科技研究成果,探讨了这批石榴子石的加工工艺和可能的来源。判断这批珠饰采用了旋磨工艺和皮囊球磨工艺两种打磨工艺,采用双钻石钻具对钻的钻孔工艺。这批铁铝榴石宝石珠饰应是由南亚或南亚经东南亚通过海上丝绸之路输入到合浦的,是汉代海上丝绸之路贸易的重要物证,对研究海上丝绸之路的历史和文化交流等具有重要的意义。     

无损光谱技术在彩绘陶质文物分析中的应用进展

彩绘陶质文物拥有丰富的信息内涵,对于研究我国古代历史文化、经济商贸、科学技术发展起到极其重要的作用。但由于彩绘陶质文物的珍贵性和不可破坏性,普通分析技术难以满足其测试要求,近年来无损光谱技术被引入文物分析检测领域并逐渐得到应用。本工作从彩绘颜料分析、陶胎分析以及器物信息提取等三个方面阐述了激光拉曼显微光谱、激光诱导击穿光谱、能量色散X射线荧光光谱等无损光谱技术应用的现状、方法原理、特点及局限性,并对无损光谱技术在彩绘陶质文物分析中的应用进行了展望。     

无损光谱技术在文物保护中的应用进展

无损光谱技术是文物信息提取的重要手段,可原位获取文物相关历史、艺术信息,识别文物的保存与损害状况及前修复痕迹。该技术为文物保存环境条件的评估、病害机理的探讨、负载信息的研究及制作材料与工艺技术的探索提供科学依据。介绍了X射线荧光光谱(XRF)、激光诱导击穿光谱(LIBS)、 X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱(RS)、红外光谱(IR)、漫反射光谱(DRS)、多光谱(MSI)及高光谱成像(HSI)技术在文物无损分析中的应用。针对文物的种类、大小以及保存状态的不同,便携式和固定式仪器在文物无损分析中各具优势。便携式和显微XRF用于文物定性、定量分析,广域XRF可分析多层结构,获取成像图案的元素分布及隐藏信息。LIBS可检测XRF不能检测的锂、碳等低原子序数元素,对文物进行深度和剖面分析。XPS可获取文物表面元素的化学态与含量,确定元素的存在方式。RS可从物相结构上分析文物组成,判断劣化情况,评估保护效果。共振RS对具有RS活性的芳香族化合物敏感,可检测纺织品、纸张上的有机染料,表面增强RS可对传统RS无法识别的谱峰进行分析。IR中,近红外光谱的应用已从有机质文物扩展到无机质文物,红外反射...     

具有抗漂移特性的激光共焦拉曼光谱成像技术与系统

共焦拉曼技术结合了共焦显微技术和拉曼光谱技术,具有高分辨率、高灵敏度、可层析成像的优势,广泛应用于物理、材料科学、生物医学、文物鉴定以及刑侦等领域。由于拉曼光谱成像需要较长时间,测量中系统易受环境等因素影响产生漂移,造成离焦,而现有商用共焦拉曼光谱仪并无定焦能力,容易影响测量结果。针对此问题,研制了一种具有抗漂移能力的激光共焦拉曼光谱探测系统。在不改变共焦拉曼探测基本原理的基础上,利用拉曼轴向响应曲线最大值对应显微物镜焦面这一特性,对每个探测点进行轴向扫描,采集一定数量的轴向信号,通过曲线拟合寻找光谱强度极值位置,保证扫描过程中样品始终处于系统的焦点位置处,抑制离焦影响,改善拉曼光谱成像效果。以单层石墨烯样品进行单点测试,证明仪器在5 μm离焦范围内可以实现实时定焦,定焦后采集到的拉曼光谱强度几乎不变,具有良好的抗漂移能力;对硅台阶样品进行成像测试,结果表明成像过程中,信号强度未发生明显变化,且横向分辨率有一定改善,效果明显优于普通共焦拉曼光谱探测系统。     

激光诱导击穿光谱定量分析玉石中的Mg,Fe和Ca

基于对样品进行的激光诱导击穿光谱和X射线荧光光谱分析测试建立了天然玉石中主要元素Mg,Ca和微量元素Fe的定标曲线。实验采用纳秒级的Nd∶YAG激光器(波长:1 064nm)为光源,在延迟时间为3μs,激光脉冲累积数量为110,单个脉冲能量为100mJ,脉冲重复频率为10Hz的实验条件下,采用激光诱导击穿光谱技术装置对天然南阳独山玉石样品中的元素进行等离子体激发测试,得到波长在300~1 000nm的等离子光谱图。通过将得到的光谱图中特征峰与美国国家标准与技术研究院数据库进行对比,发现测试样品中含有Mg,Fe和Ca等元素,以X射线荧光光谱分析技术对四种南阳独山玉标准样品中测量出的Mg,Fe和Ca元素氧化物含量作为标准数据,选取含量比较高的Al元素作为内标元素,采用内标法对玉石光谱图中Mg,Fe和Ca元素特征峰值进行线性拟合,从而得出Mg,Fe和Ca三种元素的定标曲线,求出待测样品中这3种元素氧化物的含量,结果表明这三种元素氧化物的含量与中国珠宝宝石收藏鉴赏全集资料中所给出的元素氧化物含量的百分比范围MgO(0.28%~1.73%),Fe2O3(0~0.8%),CaO(18%~20%)相符合,相比于常用的方法,激光诱导击穿光谱技术可以快速地对待测样品进行检测,样品预处理简单且对样品损害较小。进一步验证了激光诱导击穿光谱技术对于玉石应用的可行性。     

高性能ZnO纳米块体材料的制备及其拉曼光谱学特征

利用六面顶高压设备制备了高密度、低脆性、纳米级的ZnO块体材料，用MDI/JADE5 X射线衍射仪(Cu靶)和XL30S-FEG场发射扫描电子显微镜对高压样品的相组成、晶粒尺寸及微观形貌进行了表征.利用E55+FRA106/5傅里叶变换激光拉曼光谱仪通过ZnO块体样品位于50—500cm^-1之内的拉曼光谱, 研究了极性半导体纳米材料的拉曼光谱学特征.发现在极性半导体ZnO纳米块体材料中，没有出现明显的尺寸限制效应. 关键词： ZnO纳米块体 拉曼光谱 尺寸限制效应     

岩心显微拉曼光谱成像方法的研究

虽然用激光拉曼光谱显微探针研究岩心中碳质物的工作已有很大进展,但是通常对诸如岩心等样品物性的光谱学(红外、拉曼和荧光等)微探针实验研究多是局限于对经过复杂处理分离出的微小样品或样品中个别点得到的结果,缺乏对复杂样品各组分(或基团)的空间分布及其相互关系的研究。近年来新发展起来的光谱成像分析系统将光谱技术与成像技术有机地结合起来融为一体,可在光谱和空间两个方面对目标样品进行分析和识别,但是用拉曼显微成像光谱研究岩心的工作则少有报道。文章报道了应用“串行-成像”(series-or indirect-imaging,Mapping)和“并行-成像”(parallel-or direct-imaging, Imaging)两种方式对含油岩心进行了显微拉曼光谱成像的研究。从光谱分辨率和空间分辨率以及工作效率等方面对两种方式所得试验结果进行了比较和评估。     

基于手持式X荧光光谱仪对乐山大佛赋存砂岩的分析

为探索手持式X荧光光谱仪在石窟研究和保护中的应用,结合岩相分析和前期地调数据,使用手持式X荧光光谱仪,对四川乐山大佛从佛脚到胸部位置共42 m厚的砂岩以平均0.5 m间隔进行高密度XRF测试,做出元素含量和比值变化曲线。研究结果显示,手持式XRF测试结果中的Si,Ca,Al和Fe等主量元素可以较好地与岩相分析结果和自然层划分结果吻合,反映石英、方解石、褐铁矿的含量变化以及岩屑绢云母化程度。元素比值能够反映厚层块状岩体内部的抗风化能力差异,Si/(Si+Fe+Al)可以反映砂岩胶结物含量变化和受溶蚀程度,(K₂O+CaO)/Al₂O₃指示抗化学风化强度变化,S元素含量与Fe、Mn元素的去耦合指示了溶孔发育,综合反映了大佛赋存岩体在胶结物成分、孔隙度和层理发育方面的情况。Cl元素的两段高值与乐山大佛胸部带状滞状区及大佛脚部潜水区高度吻合。手持式X荧光光谱仪应用在石质文物分析中具有以下三个优势：（1）对大型、不可移动的石质文物本体来说,手持式X荧光光谱仪提供了高效、无损的岩石化学成分分析手段,主量元素的含量及分布可以较好地与赋存岩体的岩相分析结果和自然层划分结果吻合,能够成为石质文物本体岩性和岩层划分的辅助手段,有利于进行不同区域石质文物的对比研究。（2）对凿造于同一厚层块状岩层中的石质文物来说,手持式X荧光光谱仪能够满足测试间隔不到0.1 m的高分辨XRF扫描,元素比值的波动和元素间耦合关系的变化反应胶结物成分、孔隙度、溶孔发育度等方面反应块状岩体抗风化能力的内部差异。（3）Cl元素含量变化曲线可以精确指示含水量高的岩层,有助于进行滞水、透水情况和水患防治重点的评估,为处于不同气候和水文条件下的石质文物进行病害位置和机制对比提供辅助信息。     

河南宝丰和新郑出土硅酸盐制品的无损分析研究

无损分析是文物样品研究的重要内容,研究中采用便携式能量色散型X射线荧光光谱仪(pXRF)和激光拉曼光谱仪(LRS),对河南宝丰和新郑出土的21件战国晚期到汉代的硅酸盐制品进行了化学成分分析和微区物相分析。依据化学成分分析结果,将样品划分为铅钡硅酸盐玻璃、钾硅酸盐玻璃、釉砂和铅钡釉砂四类分别进行讨论,并对样品的着色机理进行了初步探讨;利用激光拉曼光谱在部分蜻蜓眼和圆环珠蓝色颜料中检测到了中国蓝(BaCuSi₄O₁₀)、中国紫(BaCuSi₂O₆)和中国深蓝(BaCu₂Si₂O₇),同时成功确定了部分样品中存在石英、方解石、碳酸铅、煅棕土、绿土等多种物相;结合考古研究资料,对这些样品的来源进行了简要讨论,其中本实验铅钡硅酸盐玻璃、钾硅酸盐玻璃耳珰和铅钡釉砂为我国自制,而另外1件釉砂可能属于舶来品,反映了我国古代中原各地区间,以及中原与西域间有着广泛的文化技术交流。便携式能量色散型X射线荧光光谱仪和激光拉曼光谱仪的相互结合,能够提供硅酸盐制品的有效化学成分和结构信息,在文物科学分析中显示出特有的优势,为其考古研究提供有益的信息。     

基于X射线谱学和操作链分析的煤山遗址出土陶器综合研究

采用能量色散X射线荧光光谱（ED-XRF）技术结合考古学常用的陶器操作链研究模式, 对河南汝州煤山遗址出土的陶器遗存开展制作工艺和文化传承关系的综合研究。煤山遗址位于河南省汝州市（原为临汝县）北刘庄村,是研究中原地区新石器时代向文明国家转变的代表性遗址,出土了龙山时代的王湾三期文化（BC2300-BC1900）和具备早期国家形态的二里头文化（BC1750-BC1500）两个重要阶段大量具有典型考古学文化特点的陶器遗存,可以据此较为深入理解距今4000年前后社会复杂化进程和国家起源等重大问题。因此,对该遗址出土陶器的多学科综合研究具有极高的学术价值和文化意义。对煤山遗址出土具有不同文化类型的陶器样本进行化学组成与物理性能分析,将分析结果与陶器操作链分析相结合,进行比对分析。针对煤山遗址陶器遗存,谱学分析结果显示,不同时期考古学文化在制陶原料的选择上差异不大,具有同源性,暗示虽然文化类型不同,但其对粘土的认识和选择具有高度一致性。陶器操作链分析结果显示,虽然新石器时代的王湾三期文化年代较早,但其陶器制作工艺却较晚期的二里头文化更先进,体现了中原地区文化演进过程中既连续又摇摆的发展特点。陶器操作链分析可以反映文化内容的特征性和继承性,在使用谱学分析排除了原料与烧制影响后,对其所提取的信息具有更强的说服力和可比性。综合研究表明,将谱学分析和陶器操作链分析相结合,开展多学科对比和综合研究,可以更好的排除干扰,获取更为扎实且客观的认识,并为考古学文化演进研究提供重要的科学依据。     

汉阳陵陶俑彩绘颜料的拉曼光谱分析

本文利用拉曼光谱对陕西汉阳陵陶俑彩绘颜料进行了分析 ,成功地测定出彩绘颜料的成分。这一研究工作表明 ,显微拉曼光谱分析技术非常适合于考古学样品的成分分析 ,这一技术有可能成为文物产地研究的有力手段之一。     

Portable X-ray fluorescence device reveals the artistic palette of Carlo Bononi,Baroque artist from Ferrara

The principal aim of the in situ X-ray fluorescence (XRF) analysis on the canvas “The Coronation of the Virgin” was to characterise the colour palette of Carlo Bononi (Ferrara, 1580–1632), a lesser-known artist of the early Baroque period in Ferrara. More than 100 points were collected by means of an XRF spectrometer, but the presence of many overlapping painted layers left some doubts about the preparation and the background layers. The scanning electron microscopy with energy dispersive spectrometer analysis on two samples resolved some of these doubts. The results obtained indicate the use of typical 17th century pigments, such as lead white, vermilion, azurite and a copper-based green. For yellow pigments, the artist used the yellow ochre in some cases, while in others he used lead-tin yellow. We also individuated at least three different shades of umber. Almost all the pigments have been identified and they are the first step in establishing the technical apparatus necessary to understand the modus operandi of the Ferrarese artist.     

北魏墓彩绘陶俑颜料的显微拉曼光谱分析

利用拉曼光谱对洛阳地区两座北魏墓出土陶俑的彩绘颜料进行了分析, 与标准颜料样品的拉曼光谱相比较, 识别出了陶俑所使用的红色、黑色、白色和蓝色颜料的显色成分。研究结果表明, 显微拉曼光谱分析技术非常适合对古墓葬彩绘陶俑进行成分分析。     

天水仙人崖石窟壁画颜料层原位-无损分析研究

壁画是我国极为重要的文化遗产类型,具有极高的历史价值、艺术价值、科学价值、文化价值和社会价值。颜料层作为壁画的核心价值所在,包含古代历史文化、宗教信仰、政治经济、科学技术等多方面的信息内涵。常规的颜料层分析方法有原位无损和微损取样两种,取样分析方法虽能满足这类珍贵、脆弱文物的研究,但获取样品数量有限且会对本体造成不可逆转的损伤。综合运用数字成像以及光谱等分析技术对天水仙人崖石窟壁画颜料层进行工艺与制作材料研究。结果显示,正射影像图能够真实记录壁画当前纹理信息,色度仪可以量化表征壁画颜料的颜色,红紫外摄影可以提取可见光下不易探查的壁画绘制线稿、修复痕迹等隐含信息,高倍数码显微镜可观察壁画表面的微观形态及破损处的层次信息,便携式X射线荧光光谱仪可检测出颜料中的元素由此判断主要显色元素,高光谱采集所得数据与标准图谱比较后能够准确判定颜料的矿物种类。因此,多种原位无损分析方法的联合运用,可以减少对文物的直接干预,亦可达到对壁画颜料层认知的目的。这些非接触式的无损检测方法,可精细化研究壁画颜料层的色彩、物理、化学属性等内容,是壁画现场分析的重要手段,可在石窟寺、寺观殿堂、墓葬壁画的研究上进行推广,发挥其应有之用。     

Non‐destructive characterization of 17th century painted silk banner by the combined use of Raman and XRF portable systems

X‐ray fluorescence spectroscopy (XRF) and Raman spectroscopy analysis were performed to examine a 17th century painted silk banner in order to characterize the pigments and materials used. This complementary approach yields information on the elemental (XRF) and on the molecular composition (Raman) of the used compounds. The paint layer, ground layer under gilding, and gilding layer were investigated. For the studied object, vermilion (HgS), lead white (2PbCO₃ · Pb(OH)₂), red lead (Pb₃O₄), and aurichalcite ((Cu,Zn)₅(CO₃)₂(OH)₆) were found. The presence of silver and gold foils was confirmed. The techniques used in the analysis were portable, non‐destructive, and non‐invasive, which is very desirable when analyzing cultural heritage objects. The obtained results were used by the conservators to develop a showcase prototype for safe exhibition. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.