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国家博物馆馆刊2015年第4期,当拉曼光谱走入博物

时间:2019-12-12 14:22来源:考古新闻
考古学研究 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,

考古学研究

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。

核心提示:虽然3D打印技术一直被誉为“未来的科技”,但是它对于我们去研究过去也是一个很好的工具。事实上,在世界各地也已经有越多越多的古代文物在3D扫描和3D打印技术的帮助下得以恢复和复制。从被ISIS破坏的纪念碑,到希腊的古城市遗址,3D打印已经在这一领域发挥了关键作用。而近日,世界上最大的图书馆--英国图书馆,也开始使用3D扫描历史文本和文物。

文物修复是一门技术,最早的文物修复只能用人的手和眼寻找细小的破绽,目前我们可以用的科学仪器有很多,例如高光谱成像技术、X光等。这些仪器简化人工繁复的步骤,现代仪器设备可以大显身手。

古代史与文物研究

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。

虽然3D打印技术一直被誉为“未来的科技”,但是它对于我们去研究过去也是一个很好的工具。事实上,在世界各地也已经有越多越多的古代文物在3D扫描和3D打印技术的帮助下得以恢复和复制。从被ISIS破坏的纪念碑,到希腊的古城市遗址,3D打印已经在这一领域发挥了关键作用。而近日,世界上最大的图书馆--英国图书馆,也开始使用3D扫描历史文本和文物。

继同名纪录片和电影之后,图书《我在故宫修文物》于近日出版,文物修复再度成为人们关注的热点。确实,正如片中所展示的那样,文物修复是一门手艺活。然而有人发现,在今天的故宫博物院,这已经不仅仅是一门手艺活。

艺术史研究

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,笔者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。

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三维视频扫描、高光谱成像技术、X光、CT……随着越来越多现代高科技手段的不断介入,中国文物修复工作更加准确,也更加科学。

近现代史与文物研究

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。

据了解,此次英国图书馆将对亨利八世时期沉没的“玛丽玫瑰”军舰上的文物进行扫描。来自斯旺西大学的研究人员一直对此次事件密切关注,以便更好地了解历史上的重要事件。1545年,“玛丽玫瑰”沉没在索伦特,导致了包括国王在内的500人的死亡。而在400年之后的1982年,人们将军舰从海底打捞起来,拥有了数以千计的都铎时期文物和92名船员的骨骼。

×光“护驾”青铜器铭文

国博新闻

科技考古大势所趋 仪器检测或用于文物综合定性

在过去五年里,斯旺西大学一直与玛丽玫瑰信托基金合作,首先对都铎时期的箭术进行研究。之后,他们的合作扩展到使用3D打印、分子生物学和成像技术,来对文物进行研究。一些原始的文物被放置在显示器上,包括从船上的鞋、绳索和木材等。随后,研究人员将船员骨骼、长弓、微型指南针等用3D打印机进行了复制,以便之后的研究。

如何修复一件锈迹斑斑的青铜器文物? 以往的做法是:先动手除锈。“但这样一来,很容易把锈斑下面可能隐藏着的铭文也破坏了,这样的例子有很多。”故宫博物院副院长宋纪蓉对我们表示。

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。”

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宋纪蓉是故宫“文物医院”概念的倡导者。来到故宫之前,她是西北大学的教授,从事了20多年化学研究。“化学是研究物质的,文物就是物质。”从这个理念出发,宋纪蓉认为,化学研究中用来观察物质和材料的仪器设备,都可以用在文物修复上。如此一来,文物修复就由原先类似中医看病的经验医学模式,转入了中西医结合的更加科学的模式。

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。

斯旺西大学工程学院的生物化学家Nick Owen说:“我们最近在线提供的头骨等物品的3D图像将允许世界各地的研究人员下载研究。我们希望我们的研究能够激发新一代的科学家诞生,而且在‘玛丽玫瑰’沉没近500年之后,用3D打印技术对其进行重建”。

将设备引入文物修复,首先为确定修复工艺提供了科学依据。回到前面说的那件青铜器文物——实际上,这是河南省考古研究院送到故宫博物院文保科技部的一件出土文物。文保科技部的工作人员拿到这件文物之后,先用X光进行前期检测,发现铭文之后,再确定修复工艺,从而有效避免了在除锈的同时把铭文也破坏的悲剧。

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。

据了解,这些3D打印文物已经在斯旺西大学进行了展示,教育机构也与玛丽玫瑰信托合作发布了头骨和其他文物的交互式3D图像。作为斯旺西大学最近举办的研究与创新奖的一部分,该展览已于11月11日在斯旺西大学的湾大学校园举行。

有时候,修复意味着要先将前人留在文物上的修复痕迹去除。

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。”

这同样是现代仪器设备可以大显身手的环节。高飞是文保科技部青铜器组的修复师,眼下,他正和同事们忙着对一件辽代的金属面具进行修复。这件文物曾经在民国前后经历过修复,当时的修复者很粗暴地把胶涂在了面具正面。好在前期检测分析出了胶的成分,“这样我们就可以有针对性地把这种胶进行去除,然后换上我们今天要用的材料。”高飞这样告诉我们。

无损分析是博物馆未来最倚重的测试手段之一

精准算出修复效果5年还是10年有效

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。

不仅修复过程需要科学手段的有效介入,修复效果的判断和保持,同样依赖科学。霉菌是文物容易感染的主要病害——除了收藏环境的影响,还有清除不够彻底引发的二次感染。所以,在故宫“文物医院”,最常用的设备就是三维视频扫描仪——修复师们把它形象地比喻为医生用的听诊器。无论是裱画修复、丝织品修复还是唐卡修复,三维视频扫描仪都是必备之神器。

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。

宋纪蓉打开电脑,用一幅幅图片告诉记者“听诊器”的用途:一件布满霉菌的文物,经过清洗,肉眼看起来已经恢复干净光鲜,但由三维视频扫描仪放大200倍之后,却发现上面仍然有残留的菌丝。

“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。”

对修复效果进行量化的判断,这是科学手段在文物修复后期所发挥的作用。而对另一些修复效果不容易长久保持的文物来说,借助相关设备系统,就可以解决这个问题。在文保科技部,记者看到了一把长近两米的铁质清代高丽刀,被密封在一个大塑料袋里——事实上,这样的表述很外行,用修复师的专业说法,这叫RP系统,包含了脱氧剂、氧气指示剂和透氧率不超过0.1%的塑料膜,可以把除锈效果保持5到10年。

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。”

转变观念,不仅要修好,更要研究好

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、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。

把现代科学技术应用到文物修复,成果让人惊叹。但更重要的是,科技介入修复,推动了修复观念的转变。高飞说:“以前我们更注重修复效果,满足于文物坏着来,好着走;现在我们不光是想把文物修复好,更希望在修复过程中了解文物。”而这样一个过程,用宋纪蓉的话来说,就是把每一次的修复都当成研究案例,真正让文物修复成为一门科学,为历史研究提供更多素材。在故宫博物院举行的万寿盛典展上,修复后展出的贴落 《乾隆帝祝母后万寿图》引起海内外关注。在修复过程中,通过高光谱成像技术,修复师意外发现了掩藏在色彩下面的底稿,不仅有线条,还有上色之后肉眼看不到的袖子里的一只手。这对于古代绘画研究而言无疑是有价值的。

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。

再回到前面提到过的辽代金属面具。经过前期检测,高飞和同事发现,此前修复时所用的手法和材料,都有别于传统修复,特别是涂在面具上的胶,是民国前后国外比较流行的一种化学材料。根据这一点,他们推断出这可能是由当时在中国的外国修复师所为。一段尘封的历史就此打开。

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,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。

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。

编辑:考古新闻 本文来源:国家博物馆馆刊2015年第4期,当拉曼光谱走入博物

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