科学技术在文物保护中的运用研究

边质洁

摘 要：本文基于笔者从事文物保护的相关工作经验，以科学技术在文物保护中的运用为研究对象，笔者在研读大量相关文献的基础上，研究探讨了化学、生物等自然科学专业技术应用到文物保护中的现状和显著成果，笔者认为，现代的文保工作者继承前辈的丰富实践经验，利用现代分析仪器对文物加以检测，获取各项分析数据，通过丰富的经验解读分析数据，从中寻找最佳修复材料和保护方法，可以文物藏品进行更科学有效的保护修复。

关键词：科学技术 仪器 文物保护

中图分类号：G264 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）09（b）-0215-02

随着经济的发展和科技的进步，国家在文物保护方面的物质、技术投入逐年增加。化学、生物等自然学科的专业技术人才不断涌人文物保护领域，现代仪器分析在文物保护中的应用越来越广泛，文物保护正向跨学科、跨领域的综合交叉性学科迈进。文物保护工作者大胆实践、勇于攻关，现代科学技术在针对文物保存、维护和修复的过程中得以广泛应用，产生了一批优秀的技术成果；用扫描电镜、光电子能谱仪、X射线衍射仪、电子探针等现代仪器设备用于文物病害的分析检测等，都为解决文物保护问题提供了重要的技术支撑。

1 现代科学技术分析方法在文物保护中的应用现状

随着国家在文物保护方面资金的大量投入，故宫博物院、首都博物馆、国家博物馆、上海博物馆等大型博物馆均购置了无机矿物颜料分析用的拉曼光谱仪、文物内部损害分析用的X射线探伤仪、无机物质组分分析用的X射线衍射仪、X射线荧光光谱仪等大型分析仪器。

目前现代仪器在文物保护中的应用概括起来主要表现在文物组分分析和真伪鉴定两个方面。通过采用各种仪器，通过定性或定量的测定方法，对文物不同部位的物质组成成分进行检测，再通过分析各种仪器检测出来的数据，获知各种如瓷器胎体釉色的组成、青铜器的锈蚀产物组分、壁画颜料的成分、物质内部裂隙程度等肉眼无法观测到的文物讯息，以便选取合适的文物保护材料，制定合理的保护修复方案，对文物进行最有效的保护，延长文物寿命。既达到了解文物的总体情况，又能区分真品与赝品。以操作手段分析而言，目前获取文物藏品各

项有效数据的方式主要分以下两种。

（1）化学分析。通过拉曼光谱、红外光谱、高光谱、多光谱、X射线衍射仪、核磁共振波普仪等仪器检测物质的组成；通过X射线荧光光谱仪、电感耦合等离子体光谱仪、高效液相色谱-质谱联用、原子吸收光谱仪、原子发射光谱仪等仪器检测物质元素组成。

（2）物理特性分析。通过密度计、显微硬度测定仪、表面张力仪、三维显微形貌仪、各种显微镜、色差仪、超声波探伤仪、X射线探伤仪、CT扫描仪等仪器检测物质的密度、孔隙率、强度、表面能、表面粗糙度、微观形貌、色差、内部结构等等。下面就目前文博界在分析检测文物藏品各项指标中常用的几种分析方法作个概括说明：

2 拉曼光谱应用

2.1 拉曼光谱的介绍

拉曼光谱（Raman spectra），是一种散射光谱，对与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息，并应用于分子结构研究的一种分析方法。

2.2 拉曼光谱在考古研究中应用

拉曼技术能对金属艺术品上的腐蚀层、铜绿层等做出较好的鉴定，有利于我们认识古代各国的合金技术及处理工艺，研究其腐蚀机理，从而探讨对这些古代金属器物的保护方案。杨群，王怡林等人对云南楚雄万家坝古墓群中出土的古青铜矛中部的浅绿色腐蚀区数点进行测试，发现其主要腐蚀产物为CuCO3·Cu（OH）2，矛尖黑色区域内则含有Cu2O和SnO2，由于Cu2O和SnO2具有较好的抗腐蚀性，所以矛身腐蚀较矛尖厉害 。

文物中颜料由于受环境和气候的影响而发生退化脱落，有些新出土文物的颜料非常潮湿，有些颜料是混合颜料或多个颜料层叠加，这给颜料的分析带来了困难 。拉曼光谱作为现代技术对古颜料进行分析研究，是以光子为探针，可进行原位的无损检测，同时它对样品的结构和成分极为敏感，各种物质的拉曼谱都有自己的特征。

王晓琪，王昌燧等人对古颜料进行了较为深入的分析，在X射线衍射和拉曼光谱分析的基础上，借助高分辨率电镜，对五代冯晖墓壁画不同颜料的结构和成分进行了研究，成功地测得红色、黄色、黑色颜料的主要呈色物相，拉曼光谱方法可以尽可能的降低对待测样品的要求，同时能够有效地分析颜料样品中呈色相且分析结果较为准确。

显微拉曼光谱已被用于鉴定来自意大利南部的红描陶器，确认了红色着色剂的主要成份，并根据颜料混合比例的不同确定了制陶中心位置。

经过拉曼光谱技术鉴定，在5000年前，我国河南制造的无釉质着色陶器中已经使用了矾土和磁铁矿作为白色和黑色的着色剂，这是非常特殊的，因为当时的白色着色剂一般用硫酸盐、碳酸盐和高岭土作原料。

由于二氧化硅的弱拉曼散射和因埋藏环境与艺术品处理而引起的二氧化硅的强荧光效应，人们在早期对玻璃艺术品研究持犹豫态度，故很少有早期的玻璃艺术品拉曼研究报告。一位研究l8—20世纪的玻璃艺术品的专家巧妙地利用这个现象来分析鉴定玻璃制品的年代。为人们提供了一个与荧光和拉曼光谱有关的，可以显示玻璃艺术品年代的量，引起了人们的注意。对来自古老的Nimrud的公元前6世纪到5世纪的不透明红色玻璃上的风化物进行研究，确认赤铜矿（Cu2O）就是玻璃的红色着色剂。通过对中古时期的壁画和维多利亚女王时代的英国教会的窗户玻璃研究，发现没有任何添加剂的赤铁矿被用作暗红一褐色颜料。

3 ×射线衍射应用

3.1 X射线衍射介绍

X射线衍射分析（X—ray difraction，简称XRD），是利用晶体形成的X射线衍射，对物质内部原子在空问分布状况的结构进行分析的方法。

3.2 X射线衍射技术的应用endprint

X射线衍射方法具有不损伤样品、无污染、快捷、测量精度高、能得到有关晶体完整性的大量信息等优点。

郭振琪等对秦俑一号铜车马残件X射线衍射分析，比较青铜器和银器锈蚀机理，通过揭示青铜器从里到外自发锈蚀的实验规律和反应热力学的研究，推出了青铜器主要锈蚀途径（Cu2O途径）的反应过程方程式，并通过和银器的锈蚀比较，提出了青铜器文物保护的侧重点在于防潮。对马身白色涂层羟基磷灰石的来源提出了新的看法。陈璋如等应用X射线衍射和其它分析技术，在青铜文物腐蚀层中观察到次生矿物赤铜矿、孔雀石、蓝铜矿、白铅矿和锡石，并且提出由上述矿物组成的腐蚀层在青铜器表面形成保护层。

李宏松以洛阳龙门石窟和北京西黄寺清净化城塔塔基砂岩条石为研究对象，采用全岩化学全分析和X射线衍射测试技术对两类结垢物质的成分和形成过程进行了系统分析和研究。研究结果表明，龙门石窟的结垢物是在水长期渗漏过程中对碳酸盐岩溶蚀改造沉淀后而形成的；而西黄寺清净化城塔塔基砂岩条石上的结垢物来源于砌筑砂浆（其主要物质成分为方解石），白色结垢物的形成机理为，砌缝砂浆在水渗流作用下发生溶蚀，溶蚀形成的溶液流至其下砂岩条石上经沉淀及重结晶形成结垢物。

严静等利用X射线衍射（XRD）和其它技术结合，对取自北京颐和园古建筑上的13个样品的23个红色颜料点进行了分析测试。研究结果表明：红色颜料大多为赤铁矿，有少量是铅丹，朱砂仅见于一个文物样品上，另有一部分是有机染料。赤铁矿和有机染料多存在于表层颜料中，而铅丹都作打底之用。该工作提供了古代建筑油饰彩画颜料分析的技术方法，对了解中国古代建筑彩画特别是官式彩画的材料组成、制作工艺和修复保护具有重要意义。

4 ×射线荧光应用

X射线荧光分析技术在冶金、地质、化工等很多领域都有广泛应用。文物保护同样也离不开X射线荧光分析：首先要分析文物成分，确定文物材质；在查明文物损坏过程和机理时，要分析质变产物成分；研究保护环境，要用荧光分析技术分析文物周围大气的气溶胶和化学污染物；判别保护是否得当，也要靠X射线荧光分析保护前后的成分有无变化。X射线荧光分析是文物保护中一种极为重要，不可或缺的手段。

5 扫描电镜一能谱应用

5.1 扫描电镜的介绍

扫描电镜的T作原理可以简单地归纳为“光栅扫描，逐点成像”。最常使用的是二次电子信号和背散射电子信号，前者用于显示表面形貌衬度，后者用于显示原子序数衬度。

5.2 X射线显微能谱分析（EDS）

能谱仪（EDS）工作原理利用样品被激发出来的特征—— X射线的能量，确定样品中所含元素。

5.3 扫描电镜-能谱在文物保护中的应用

扫描电镜-能谱在文物保护中的应用主要体现在以下几个方面：文物本体材料的认识、微观形貌分析（组织结构、晶体形态、尺寸测量）成分分析、文物病害的分析、病害特征、病害产物的分析、文物保护中材料学研究、保护材料的选择和评价、金属质文物微观形貌及病害分析。扫描电镜-能谱仪在纺织品文物保护研究中也有一定的应用，但南于纺织品文物试样不导电必须用导体材料，可能覆盖某些结构的细部特征或者隐藏某些重要信息，所以可能得到不精确的结论。也有很大的局限性。

6 科学技术分析方法与文物保护工作结合的前景

过去文物部门设备缺乏简陋，文保研究步履艰难，文保工作者往往用肉眼评判文物的受损程度，无法通过分析仪器获取客观的数据，只能做些定性而非定量分析，这给制定文物藏品的保护修复方案带来很大难度。近年来，随着国家对文物保护科研投入力度的加大，有更多的大型精密分析仪器投入到文物

保护科研项目中，现代的文保工作者继承前辈的丰富实践经验，利用现代分析仪器对文物加以检测，获取各项分析数据，通过丰富的经验解读分析数据，从中寻找最佳修复材料和保护方法，进而对文物藏品进行更科学有效的保护修复。当同类别的文物藏品信息获取至相当数量，通过统计学可制定出这一类别的文物各类标准，这些标准的建立不但成为当下文物工作的有力支撑，也将成为未来文物保护工作者的理论研究基础。所有这些努力，对于改善我国文物保护科研分析检测手段较为落后的现状，必将起到极大的推动作用。此外，现代技术与文物保护传统工艺的相互融合、相互促进，将使文物保护传统工艺不断完善，进一步焕发出新的活力。

参考文献

[1] 王东遥.科学技术与文物保护的结合研究[J].科技资讯，2014（5）.

[2] 李响.现代科学技术背景下的文物保护思路研究[J].科技创新导报，2014（6）.

[3] 刘文元.文物保护的管理制度分析[J].科技资讯，2014（6）.endprint

X射线衍射方法具有不损伤样品、无污染、快捷、测量精度高、能得到有关晶体完整性的大量信息等优点。

郭振琪等对秦俑一号铜车马残件X射线衍射分析，比较青铜器和银器锈蚀机理，通过揭示青铜器从里到外自发锈蚀的实验规律和反应热力学的研究，推出了青铜器主要锈蚀途径（Cu2O途径）的反应过程方程式，并通过和银器的锈蚀比较，提出了青铜器文物保护的侧重点在于防潮。对马身白色涂层羟基磷灰石的来源提出了新的看法。陈璋如等应用X射线衍射和其它分析技术，在青铜文物腐蚀层中观察到次生矿物赤铜矿、孔雀石、蓝铜矿、白铅矿和锡石，并且提出由上述矿物组成的腐蚀层在青铜器表面形成保护层。

李宏松以洛阳龙门石窟和北京西黄寺清净化城塔塔基砂岩条石为研究对象，采用全岩化学全分析和X射线衍射测试技术对两类结垢物质的成分和形成过程进行了系统分析和研究。研究结果表明，龙门石窟的结垢物是在水长期渗漏过程中对碳酸盐岩溶蚀改造沉淀后而形成的；而西黄寺清净化城塔塔基砂岩条石上的结垢物来源于砌筑砂浆（其主要物质成分为方解石），白色结垢物的形成机理为，砌缝砂浆在水渗流作用下发生溶蚀，溶蚀形成的溶液流至其下砂岩条石上经沉淀及重结晶形成结垢物。

严静等利用X射线衍射（XRD）和其它技术结合，对取自北京颐和园古建筑上的13个样品的23个红色颜料点进行了分析测试。研究结果表明：红色颜料大多为赤铁矿，有少量是铅丹，朱砂仅见于一个文物样品上，另有一部分是有机染料。赤铁矿和有机染料多存在于表层颜料中，而铅丹都作打底之用。该工作提供了古代建筑油饰彩画颜料分析的技术方法，对了解中国古代建筑彩画特别是官式彩画的材料组成、制作工艺和修复保护具有重要意义。

4 ×射线荧光应用

X射线荧光分析技术在冶金、地质、化工等很多领域都有广泛应用。文物保护同样也离不开X射线荧光分析：首先要分析文物成分，确定文物材质；在查明文物损坏过程和机理时，要分析质变产物成分；研究保护环境，要用荧光分析技术分析文物周围大气的气溶胶和化学污染物；判别保护是否得当，也要靠X射线荧光分析保护前后的成分有无变化。X射线荧光分析是文物保护中一种极为重要，不可或缺的手段。

5 扫描电镜一能谱应用

5.1 扫描电镜的介绍

扫描电镜的T作原理可以简单地归纳为“光栅扫描，逐点成像”。最常使用的是二次电子信号和背散射电子信号，前者用于显示表面形貌衬度，后者用于显示原子序数衬度。

5.2 X射线显微能谱分析（EDS）

能谱仪（EDS）工作原理利用样品被激发出来的特征—— X射线的能量，确定样品中所含元素。

5.3 扫描电镜-能谱在文物保护中的应用

扫描电镜-能谱在文物保护中的应用主要体现在以下几个方面：文物本体材料的认识、微观形貌分析（组织结构、晶体形态、尺寸测量）成分分析、文物病害的分析、病害特征、病害产物的分析、文物保护中材料学研究、保护材料的选择和评价、金属质文物微观形貌及病害分析。扫描电镜-能谱仪在纺织品文物保护研究中也有一定的应用，但南于纺织品文物试样不导电必须用导体材料，可能覆盖某些结构的细部特征或者隐藏某些重要信息，所以可能得到不精确的结论。也有很大的局限性。

6 科学技术分析方法与文物保护工作结合的前景

过去文物部门设备缺乏简陋，文保研究步履艰难，文保工作者往往用肉眼评判文物的受损程度，无法通过分析仪器获取客观的数据，只能做些定性而非定量分析，这给制定文物藏品的保护修复方案带来很大难度。近年来，随着国家对文物保护科研投入力度的加大，有更多的大型精密分析仪器投入到文物

保护科研项目中，现代的文保工作者继承前辈的丰富实践经验，利用现代分析仪器对文物加以检测，获取各项分析数据，通过丰富的经验解读分析数据，从中寻找最佳修复材料和保护方法，进而对文物藏品进行更科学有效的保护修复。当同类别的文物藏品信息获取至相当数量，通过统计学可制定出这一类别的文物各类标准，这些标准的建立不但成为当下文物工作的有力支撑，也将成为未来文物保护工作者的理论研究基础。所有这些努力，对于改善我国文物保护科研分析检测手段较为落后的现状，必将起到极大的推动作用。此外，现代技术与文物保护传统工艺的相互融合、相互促进，将使文物保护传统工艺不断完善，进一步焕发出新的活力。

参考文献

[1] 王东遥.科学技术与文物保护的结合研究[J].科技资讯，2014（5）.

[2] 李响.现代科学技术背景下的文物保护思路研究[J].科技创新导报，2014（6）.

[3] 刘文元.文物保护的管理制度分析[J].科技资讯，2014（6）.endprint

X射线衍射方法具有不损伤样品、无污染、快捷、测量精度高、能得到有关晶体完整性的大量信息等优点。

郭振琪等对秦俑一号铜车马残件X射线衍射分析，比较青铜器和银器锈蚀机理，通过揭示青铜器从里到外自发锈蚀的实验规律和反应热力学的研究，推出了青铜器主要锈蚀途径（Cu2O途径）的反应过程方程式，并通过和银器的锈蚀比较，提出了青铜器文物保护的侧重点在于防潮。对马身白色涂层羟基磷灰石的来源提出了新的看法。陈璋如等应用X射线衍射和其它分析技术，在青铜文物腐蚀层中观察到次生矿物赤铜矿、孔雀石、蓝铜矿、白铅矿和锡石，并且提出由上述矿物组成的腐蚀层在青铜器表面形成保护层。

李宏松以洛阳龙门石窟和北京西黄寺清净化城塔塔基砂岩条石为研究对象，采用全岩化学全分析和X射线衍射测试技术对两类结垢物质的成分和形成过程进行了系统分析和研究。研究结果表明，龙门石窟的结垢物是在水长期渗漏过程中对碳酸盐岩溶蚀改造沉淀后而形成的；而西黄寺清净化城塔塔基砂岩条石上的结垢物来源于砌筑砂浆（其主要物质成分为方解石），白色结垢物的形成机理为，砌缝砂浆在水渗流作用下发生溶蚀，溶蚀形成的溶液流至其下砂岩条石上经沉淀及重结晶形成结垢物。

严静等利用X射线衍射（XRD）和其它技术结合，对取自北京颐和园古建筑上的13个样品的23个红色颜料点进行了分析测试。研究结果表明：红色颜料大多为赤铁矿，有少量是铅丹，朱砂仅见于一个文物样品上，另有一部分是有机染料。赤铁矿和有机染料多存在于表层颜料中，而铅丹都作打底之用。该工作提供了古代建筑油饰彩画颜料分析的技术方法，对了解中国古代建筑彩画特别是官式彩画的材料组成、制作工艺和修复保护具有重要意义。

4 ×射线荧光应用

X射线荧光分析技术在冶金、地质、化工等很多领域都有广泛应用。文物保护同样也离不开X射线荧光分析：首先要分析文物成分，确定文物材质；在查明文物损坏过程和机理时，要分析质变产物成分；研究保护环境，要用荧光分析技术分析文物周围大气的气溶胶和化学污染物；判别保护是否得当，也要靠X射线荧光分析保护前后的成分有无变化。X射线荧光分析是文物保护中一种极为重要，不可或缺的手段。

5 扫描电镜一能谱应用

5.1 扫描电镜的介绍

扫描电镜的T作原理可以简单地归纳为“光栅扫描，逐点成像”。最常使用的是二次电子信号和背散射电子信号，前者用于显示表面形貌衬度，后者用于显示原子序数衬度。

5.2 X射线显微能谱分析（EDS）

能谱仪（EDS）工作原理利用样品被激发出来的特征—— X射线的能量，确定样品中所含元素。

5.3 扫描电镜-能谱在文物保护中的应用

扫描电镜-能谱在文物保护中的应用主要体现在以下几个方面：文物本体材料的认识、微观形貌分析（组织结构、晶体形态、尺寸测量）成分分析、文物病害的分析、病害特征、病害产物的分析、文物保护中材料学研究、保护材料的选择和评价、金属质文物微观形貌及病害分析。扫描电镜-能谱仪在纺织品文物保护研究中也有一定的应用，但南于纺织品文物试样不导电必须用导体材料，可能覆盖某些结构的细部特征或者隐藏某些重要信息，所以可能得到不精确的结论。也有很大的局限性。

6 科学技术分析方法与文物保护工作结合的前景

过去文物部门设备缺乏简陋，文保研究步履艰难，文保工作者往往用肉眼评判文物的受损程度，无法通过分析仪器获取客观的数据，只能做些定性而非定量分析，这给制定文物藏品的保护修复方案带来很大难度。近年来，随着国家对文物保护科研投入力度的加大，有更多的大型精密分析仪器投入到文物

保护科研项目中，现代的文保工作者继承前辈的丰富实践经验，利用现代分析仪器对文物加以检测，获取各项分析数据，通过丰富的经验解读分析数据，从中寻找最佳修复材料和保护方法，进而对文物藏品进行更科学有效的保护修复。当同类别的文物藏品信息获取至相当数量，通过统计学可制定出这一类别的文物各类标准，这些标准的建立不但成为当下文物工作的有力支撑，也将成为未来文物保护工作者的理论研究基础。所有这些努力，对于改善我国文物保护科研分析检测手段较为落后的现状，必将起到极大的推动作用。此外，现代技术与文物保护传统工艺的相互融合、相互促进，将使文物保护传统工艺不断完善，进一步焕发出新的活力。

参考文献

[1] 王东遥.科学技术与文物保护的结合研究[J].科技资讯，2014（5）.

[2] 李响.现代科学技术背景下的文物保护思路研究[J].科技创新导报，2014（6）.

[3] 刘文元.文物保护的管理制度分析[J].科技资讯，2014（6）.endprint