偏振光显微镜在木斯塘档案纸张纤维检测中的运用

蔡梦玲

(中国人民大学，北京 100872)

0 引 言

纸质档案作为一部分收藏在档案馆中、一部分散存于民间的数量最为庞大、内容价值最为丰富的一类现存历史档案，其载体材料的寿命直接影响着这些珍贵档案的保存与利用，因此对作为载体材料的纸张的分析研究，一直受到极大的关注。随着近年来无损或微损检测技术的发展与应用，对纸质档案所用纸张的种类和老化情况的分析，已经越来越多地被运用于对纸质档案的真伪鉴定和为纸质档案科学地选配修复用纸、其他修复材料及进行适宜的修复操作中。

从现代检测分析技术的发展来看，目前主要用于纸张原料分析的方法是显微观察法，所用的仪器主要包括传统光学显微镜、偏光显微镜、扫描电镜、原子力显微镜等，其中最常使用的是通过普通光学显微镜搭配专业的图像分析软件，对造纸纤维进行染色观察、拍照和对纤维的长度、宽度、配比等进行定量测定。然而，利用光学显微镜在图像分析软件中所呈现出的一般为平面效果的纸张纤维，而且纤维染色观察法对染色剂的质量有很强的依赖性，纤维染色后呈现的颜色会在很大程度上影响对纤维种类的判断，不利于从纤维本身的形态角度做出鉴别。偏光显微法则提供了一种无需对纤维进行染色处理的方法。因为利用该方法观察纸张纤维形态时，偏振光显微镜可以通过双光干涉使纤维结构的扭曲性转换为彩色干涉条纹的变化，随着偏振角度的变化，纤维的色彩会更加丰富，色反差会提高，并表现出很强的立体感[1]。本研究通过阐述偏振光显微镜在纸张检测分析中的应用现状，并利用偏振光显微镜对尼泊尔的木斯塘地区的一批档案所用纸张的纤维形态和其他成分进行观察，说明偏光显微法运用于档案纸张纤维分析中的有效性。

1 偏振光显微镜用于纸张检测分析中的研究现状

偏振光显微镜对物体的检测依赖于这些物体的材质，根据不同材料微粒的物理特征和光学特征，可以区别判断不同材质的成分，该方法被广泛用于对矿物的鉴别[2]。由于偏光显微法所需的仪器价格低廉，测试需要的样品量极小，而且分析速度快，因此在我国的文物保护领域，主要被用于对壁画[3-4]、器物[5-6]、唐卡[7]等表面矿物颜料的晶体形态、折射率、消光性等特征的观察与测试，并且经常与拉曼光谱技术及其他检测分析技术配合使用，以分析颜料的成分信息。

从国内现有的研究来看，偏振光显微镜在纸张纤维鉴定方面的应用较少。黄群等[1]提出利用偏振光显微镜观察纸张纤维时，在晶体薄片固定、材料不变、偏振角度不变的前提下，纤维上的彩色干涉条纹是基本稳定的，由此可以通过比对来鉴定纸张的成分，确定纸张的产地和来源；郭金龙等[8]利用偏光显微镜对新疆维吾尔自治区博物馆于2009年征集到的纸质文书中的5件文物进行了观察，发现其中1件样品的纸浆中存在很多呈十字消光特性的淀粉粒，并且大多边缘已经模糊，推断在造纸过程中进行了淀粉施胶；常晓丽等[9]同样在甘肃省泾川县博物馆所藏的清代草帖行书和清代工笔人物故事纸质屏风的纸张中，经偏光显微镜观察到了呈十字消光特性的淀粉粒，由此判断这两张纸在涂布过程中可能使用了淀粉胶黏剂；另外，陈春霞等[10]通过探讨非偏振光法和偏振光法对纸浆纤维形态的测量原理和特点，比较了两者的差异。除了对纸张纤维形态和成分的研究，张光霞等[11]还使用纤维细度仪和偏振光显微镜对5种常见的麻纤维的横纵截面的形态和偏振光下的颜色变化进行了观察与分析，为其定性鉴别提供了依据。

国外利用偏光显微镜对纸张纤维进行观察与分析的研究相对较多。Quattrini等[12]对佛罗伦萨Stibbert博物馆中一幅17世纪的日本画进行了纸张和颜料的检测，利用偏振光显微镜对绘画作品所用纸张的纤维形态进行了观察，进而鉴别出纤维的种类；van Schaik等[13]对收藏于大英图书馆中的13份敦煌文献进行了纸张、颜料的检测，偏振光显微镜被用于对纸张纤维形态的观察和在必要时对纤维长度、宽度的测量，从而判断纤维的种类；Stanley[14]对收藏于普林斯顿大学东亚图书馆中的7—14世纪的敦煌和吐鲁番馆藏文献进行了检测，通过偏光显微镜对这批文献的纸张纤维成分进行了分析。

由此可见，使用偏振光显微镜来鉴别纸张的纤维种类，在国外已有一定的研究与实践经验。相比之下，目前在国内，相关的研究还停留在理论层次的可行性论证上，缺少实际的运用研究。

2 偏振光显微镜在档案纸张纤维分析中的应用

2．1 实验对象

2．2 实验仪器与操作

观察纸张样品所用的仪器为带有偏振光的Olympus BX51透反两用光学显微镜，配有可放大5倍、10倍、20倍和50倍的物镜镜头和10倍的目镜镜头，并配备了Olympus UC30相机用于图片记录。另外，Olympus Stream软件用于观察过程中的图像分析。

首先将收集到的纸张样品浸入装有蒸馏水的小烧杯中，并保持煮沸的状态10～15 min。然后倒出水，将样品晾至半干。接着取约0.2 g的纸样放在显微镜载玻片上，滴1～2滴蒸馏水将其分离成纤维均匀分散的悬浮液。盖上盖玻片后及时使用偏振光观察水溶液中的纤维形态和纸浆中的其他成分。样品如需长期放置，其中的水分蒸发后，可以揭开盖玻片滴1～2滴蒸馏水重复观察使用。

2．3 参考纤维图谱来源

2．4 实验结果与分析

图1 尼泊尔木斯塘的Gelung地区所形成的档案Fig.1 Gelung archives from Mustang， Nepal

图2 20倍物镜下Gelung 2中纤维壁上的横节纹Fig.2 Cross-markings (at the red arrow) on thefiber walls from Gelung 2 under the 20×objective lens

图3 20倍物镜下Gelung 12中的纤维弯折Fig.3 Fiber bending (at the red arrow) from Gelung 12under the 20× objective lens

图4 20倍物镜下部分样品的纤维端部Fig.4 Fiber ends of some Gelung samples under the 20× objective lens

图5 20倍物镜下Gelung 5中纤维内腔明显变宽(红色箭头处)Fig.5 Broad central portion (at the red arrow) fromGelung 5 under the 20× objective lens

图6 10倍物镜下藏东瑞香纤维形态Fig.6 Fiber morphology of Daphne bholua under the10×objective lens

图7 20物镜下Gelung 79中纤维中部呈树杈状Fig.7 Fork-shaped fiber wall (in the red circle) fromGelung 79 under the 20× objective lens

在这82份主要原料为瑞香/结香属植物的纸张中，有47份纸张的原料中还添加了在尼泊尔地区经常用于造纸的瑞香狼毒草纤维，但是其含量较少，应该是作为瑞香/结香属植物的补充原料加入到造纸浆料中的。通过与由瑞香狼毒草制成纸样的纤维形态(图8)进行比较可知，尽管瑞香狼毒草仍属于瑞香科，拥有与瑞香属、结香属的植物纤维相似的形态特征，即内腔存在明显变宽的现象，但是通过调整偏振光的角度可以发现该种纤维的纤维壁很薄、纤维宽度不均匀，整体呈带状(图9红色箭头处)。由于纤维比较柔软，因此在显微镜下经常观察到“双内腔”的现象(图10a红色箭头处)，即纤维受两侧挤压，导致内腔中部的重叠。其他的纤维折叠(图10b红色箭头处)或翻转(图10c红色箭头处)的现象也十分常见。瑞香狼毒草纤维的端部大多呈现钝尖或圆形，纤维中部也会呈现出树杈状的形态(图11红色圆圈处)。

图8 20倍物镜下瑞香狼毒草纤维的形态Fig.8 Fiber morphology of Stellera chamaejasme L．under the 20× objective lens

图9 20倍物镜下Gelung 47中的瑞香狼毒草纤维Fig.9 Stellera fiber (at the red arrow) from Gelung 47under the 20× objective lens

图10 20倍物镜下部分样品中的瑞香狼毒草纤维Fig.10 Stellera fibers of some Gelung samples under the 20× objective lens

图11 20倍物镜下Gelung 76中纤维中部呈树杈状Fig.11 Fork-shaped fiber wall (in the red circle) fromGelung 76 under the 20× objective lens

2．4．2其他成分 除了对上述造纸原料的纤维进行观察以外，在偏振光下还观察到了形状较大、呈现闪光、颜色不同于纤维的物质。由于除了植物纤维以外，植物中的导管、石细胞等也会产生双折射现象而导致这些细胞或组织呈现闪光[19]。因此，根据该物质的形态特征，排除其为导管的可能，推测它应属于植物中的石细胞。该种细胞具有不同的形态特征：既有纤维壁很厚、内腔很小、表面横节纹十分明显的(图12d)，也有纤维壁很薄、内腔很大的(图12e)；既有细长型的(图12b)，也有短宽型的(图12b)，还有哑铃型的(图12c)，它们唯一的共同点在于细胞两端逐渐呈尖状。这些石细胞在6份以瑞香/结香属植物为原料的单料纸和5份以瑞香/结香属、瑞香狼毒草为原料的混料纸中都有发现，因此仅能确定瑞香/结香属植物的韧皮纤维中肯定存在这种石细胞，但不排除瑞香狼毒草的根部纤维中也存在。

图12 部分样品中的石细胞Fig.12 Sclereid cells of some Gelung samples

此外，在82份纸张样品中都观察到了数量或多或少的颗粒状物质。通过比较单偏光和正交偏光下的显微图像，发现正交偏光下的颗粒状物质具有闪亮的外观特征(图13)，表明其是一种矿物质。瑞香科植物中，有的植物内的薄壁细胞含有草酸钙簇晶[20]。运用常规的普通光学显微镜来观察该晶体时，在低倍镜下由于体积小，常常容易被忽视或者与其他物质相混淆，在高倍镜下寻找又比较费时、费力[21]。现有的一些研究已经表明，用偏振光显微镜的正交偏光可以使植物中的草酸钙晶体呈现出闪光的现象，其他大多数的组织则处于无光线的较暗状态，导管、石细胞等虽然也呈现闪光，但它们的颜色一般较深、形状也较大，由此可以比较快速地识别出该晶体[22-23]。因此，对于图13中在正交偏光下呈黄色或彩色闪光、可见其形态轮廓的物质(红色箭头处)，初步推断其为瑞香/结香属植物或瑞香狼毒草的纤维中含有的草酸钙晶体，当然也有可能是造纸过程中所添加的其他填料物质，具体成分有待进一步检测确定。

图13 10倍物镜下Gelung 14中的晶体Fig.13 Crystals of Gelung 14 under the 10× objective lens

3 结 论

通过利用偏振光显微镜对一批木斯塘档案所用纸张的原料进行观察与分析可知，偏光显微技术能够为档案所用纸张的纤维分析提供一种高效、便捷的观察方法。这种方法的优势在于，通过调整偏振光的角度改变纤维的色反差，可以营造出更好的立体感，有利于更加快速地区分纤维与纸浆中的其他细胞、晶体等，而且制样时无需对纤维进行染色处理，从而能帮助研究者更好地从档案纸张纤维的外观、纤维壁、内腔等方面的特征出发来鉴别纤维的种类，可以作为目前常用的光学显微镜染色观察法的一种有效的补充方式。此外，该方法在使用过程中制得的样品可以重复使用和反复对其进行检验，这也增加了实验操作的便利性和科学性。无需反复取样的特点也使其在对档案所用纸张进行纤维分析时具有更大的优势。