红外光谱技术在馆藏丝绢文物照明损伤度评价中的应用

党 睿, 高子昂, 张 彤, 王佳星

天津大学建筑学院, 天津市建筑物理环境与生态技术重点实验室, 天津 300072

引 言

丝绢是东亚地区古代绘画、 书籍、 衣物等文物中最常用的材料[1], 其作为最高光敏感等级的藏品极易在博物馆光源辐射下产生光损伤[2]。 造成丝绢光损伤的参数有三种: 光源的光谱功率分布(SPD)、 曝光量Q(照射强度和照射时间的乘积)和丝绢对光子能量的响应特性[3]。 卤素灯、 钠灯、 荧光灯和LED等光源即因光谱能量差异对丝绢有不同的照明损伤度[4], 因此, 揭示SPD、Q、 材料特性耦合作用下的光损伤规律并建立相应的数学模型, 是对丝绢文物进行有效照明保护的基础。 光照老化实验是进行文物照明损伤研究的国际通行方法[5], 其中损伤评价参数的选取和分析是关键。 色差是一种用于评价文物色彩损伤的有效方法[6], Dang等[3]便基于该法建立了中国书画颜料的色彩损伤模型。 但色差却不能评价文物的机械损伤, 而机械损伤恰恰是丝绢文物最主要的光化学损伤形式。 文物的色彩损伤和机械损伤在本质上都是因为内部的分子结构发生了改变, 因此从微观上评价丝绢的光致损伤才是解决问题的根本途径。

丝心蛋白中发生肽键的断裂和结构域的转化是丝绢文物光致损伤的微观机理, 其中肽键的断裂可以通过高度感光的酪氨酸来评估[7], 结构域的转化可以通过结晶度来评估[8]。 在测取珍贵丝绢文物的微观变化时, 无损的光谱分析法明显优于氨基酸水解等破坏性分析方法[9]。 相较于拉曼光谱信号易受到丝绢荧光效应的干扰[10], 傅里叶变换红外(FTIR)光谱法则更适合测取丝绢文物的微观变化。 因此, 从光老化丝绢样品的FTIR光谱中找到表征酪氨酸和结晶度的特征信号, 并验证两者是否适合表征丝绢文物的照明损伤是解决问题的关键。 Barth[11]首先发现了丝绢FTIR光谱中表征酪氨酸的特征峰, Shao等[12-13]则不仅提出了基于丝绢FTIR光谱计算酪氨酸含量的方法, 也证实了酪氨酸能够表征紫外光对于丝心蛋白表面性质的影响。 Takayuki等[14]发现了丝绢FTIR光谱中表征结晶度的特征峰, Shao等[12]也提出了基于丝绢FTIR光谱计算结晶度的峰面积公式, Li等[15]则证实了结晶度能够表征紫外光对于丝心蛋白结构域转化的影响。 上述研究表明酪氨酸和结晶度均是衡量丝绢微观结构变化的有效方法, 能够有效表征紫外光对于丝心蛋白结构和性质的影响, 但是紫外光却对文物照明没有贡献。 实现丝绢文物有效照明保护的关键是得到可见光对于丝心蛋白的影响规律, 但是酪氨酸和结晶度是否能够有效表征丝绢文物对于可见光波长λ和曝光量Q的响应特性目前仍有待明确。

本研究拟通过窄带光源辐照实验和丝绢样品的FTIR光谱分析从酪氨酸指数TFTIR和结晶度指数CFTIR中找出更适于评价丝绢照明损伤的方法, 并据此确定丝绢的光照响应度函数, 最终提出并验证丝绢文物的照明损伤度模型, 技术路线如图1所示。

图1 技术路线Fig.1 Technical route

1 实验部分

1.1 仪器与参数

实验在置放于全暗光学实验室的特殊照明实验箱中进行。 箱内的温度、 相对湿度和通风率通过调节系统分别保持在(23±0.5) ℃、 50%和0.5 d-1, 以达到丝绸保存的最佳条件[3]。 实验箱通过移动分区系统划分成10个独立空间以避免组间干扰。 各空间的内壁均贴有黑色天鹅绒以避免样品反射光的干扰。 选取基于Luxeon C颜色系统的LED芯片制作十种主波长的窄带光源用于实验以研究波长λ的影响, 各光源的波谱如图2所示。

图2 十种窄带光源的波谱Fig.2 Spectral curves of ten types of narrow-band light sources

各独立空间的顶部均装有一种实验光源, 并通过调节光源的功率输出将样品盛放处的辐照度控制在10 W·m-2, 以达到丝绢样品预期的照明损伤效果[3]。 在整个实验过程中, 使用分光辐射计(PR 670)对实验光源进行监测, 以确保没有发生衰减。 各光源正下方均装有自动转盘用于盛放一组样品, 实验时转盘在平面内旋转以确保样品表面的辐照均匀度。

1.2 样品

选用19世纪末经脱胶处理的平纹未染色桑蚕丝绢材料制作实验样品。 首先, 将丝绢在阴凉处晾干后, 使之正面朝下; 然后, 用宽毛刷蘸水均匀地倒扫丝绢背面; 接着, 将丝绢铺平在画板上并置于阴凉处直至晾干; 最后, 从丝绢上切下11组1 cm×1 cm的正方形材料作为标准实验样品。 其中10组样品用于窄带光辐照实验, 1组样品用于照明损伤度模型的验证实验。 各标准样品均标记有三个与红外光谱仪ATR附件测试压头大小相近的测试点, 测试时对每个标记点进行测量以供后续分析。

1.3 方法

实验分为10个照射组同时进行, 每个辐照周期定为240 h(Q=2 400 W·h·m-2), 共设置六个辐照周期(记为t1-t6), 其中无曝光的初始状态记为t0。 使用由金刚石制成的衰减全反射(ATR)晶体在反射模式下对样品各辐照周期的标记点进行测量, 所使用的FTIR光谱仪型号为BRUKER Invenior R, 光谱分辨率为4 cm-1, 波数测试范围为4 000～400 cm-1, 样品扫描频率为32次。 实验过程如图3所示。

图3 十种窄带光源的辐照实验Fig.3 Irradiation experiment of 10 types of narrow-band light sources

1.4 评价参数

以高感光性酪氨酸为主的丝心蛋白侧链氨基酸在可见光照射下会从主链上被切断。 研究表明: 1 160 cm-1处信号可以反映丝聚合物上酪氨酸残基中酚基的振动吸收, 1 621 cm-1处相对稳定的酰胺Ⅰ带信号可以作为内标峰[12], 两处信号的峰强比能够表示酪氨酸的相对含量[12]。 故定义酪氨酸指数TFTIR如式(1)所示。

TFTIR=I1 160/I1 621

(1)

式(1)中,I1 160和I1 621分别代表1 160和1 621 cm-1处信号的吸收峰强度。TFTIR下降说明丝心蛋白的肽链断裂加剧, 丝绢文物的照明损伤程度加重。

表1 TFTIR和Q的相关性分析结果Table 1 Results of the correlation analysis between TFTIR and Q

结晶区是维持丝纤维形态的最重要结构, 起着刚性和定向增强的作用, 而非结晶区起着柔软、 柔韧的基体作用[15]。

两个区域的降解均可通过结晶度来反映, 研究表明: 1 263和1 230 cm-1处的信号分别与β-折叠构象和无规卷曲构象有关, 两处信号的峰面积比可用于定量分析丝心蛋白的结晶度[12]。 故定义结晶度指数CFTIR如式(2)所示。

CFTIR=A1 263/(A1 230+A1 263)

(2)

式(2)中,A1 230和A1 263分别代表1 230和1 263 cm-1处信号的吸收峰面积。CFTIR上升说明无规卷曲构象的降解速率快于β-折叠构象, 降解主要发生在非结晶区, 意味着丝绢压力传导和缓冲能力的减弱;CFTIR下降说明β-折叠构象的降解速率快于无规卷曲构象, 降解主要发生在结晶区, 意味着丝绢承载能力的减弱。

2 结果与讨论

2.1 酪氨酸指数

首先, 读取样品的红外光谱数据; 然后, 对数据进行自动基线校正; 接着, 分别读取1 160和1 621 cm-1处信号的吸收峰强度; 最后, 使用式(1)计算各辐照组样品t0-t6周期的TFTIR如图4所示。

图4 各辐照组丝绢从t0至t6的TFTIRFig.4 Silk TFTIR from t0 to t6 in each irradiation group

在图4中, 各辐照组样品的TFTIR测试误差均在合理区间, 且随测试周期的增加呈现出振荡的趋势。 上述结果表明, 可见光的照射不会使丝绢的TFTIR单调下降, 这与光照通过加剧肽链断裂致使TFTIR下降, 从而加重丝绢照明损伤程度的基本事实不符。 进一步对各辐照组样品的TFTIR和Q进行相关性分析如表1所示。

表1中, 除595 nm辐照组外(Sig<0.05), 其余辐照组中Q对TFTIR均无显著影响(Sig>0.05)。 上述结果表明, 在可见光的照射下, 丝绢的TFTIR与Q没有显著相关关系, 说明TFTIR不适合表征Q对丝心蛋白的影响。

2.2 结晶度指数

首先, 读取样品的红外光谱数据; 然后, 在最小常数基线模式下自动减去基线; 接着, 从中分离出1 230和1 263 cm-1两处特征峰并进行峰拟合; 最后, 从拟合结果中提取A1 230和A1 263并使用式(2)计算各辐照组样品t0-t6周期的CFTIR如图5所示。

图5 各辐照组丝绢从t0至t6的CFTIRFig.5 Silk CFTIR from t0 to t6 in each irradiation group

在图5中, 各辐照组样品的CFTIR测试误差均在合理区间, 且随测试周期的增加呈现先上升后下降的趋势。 上述结果表明, 丝心蛋白的非结晶区在可见光的照射下会首先发生降解, 且其中无规卷曲构象的降解速率快于β-折叠构象; 从而导致丝绢缓冲能力的下降和CFTIR的上升。 在可见光的进一步作用下, 丝心蛋白非结晶区的降解速率逐渐趋缓, 结晶区伴随着β-折叠构象的破坏逐步开始降解, 从而导致丝绢承载能力和CFTIR的下降。 同时不同波段的可见光对于丝绢CFTIR的影响有一定的差异性: 例如, 447 nm辐照组样品的CFTIR在降解的前中期稳定不变, 说明近紫外光会以相似的速率同时降解丝心蛋白的结晶区和非结晶区; 随后样品的CFTIR快速下降, 说明此时非结晶区的无规卷曲构象基本降解完成, 而结晶区的β-折叠构象仍在快速降解; 接着样品的CFTIR在稳定了一个周期后继续下降, 说明结晶区的β-折叠构象在突破瓶颈期后继续降解直至稳定。 而733 nm辐照组样品的CFTIR在整个老化过程中以近似线性的趋势缓慢下降直至稳定, 说明近红外光会以较慢的速率降解丝心蛋白的结晶区和非结晶区, 且结晶区的β-折叠构象的降解速率要快于非结晶区的无规卷曲构象。 上述结果表明, 丝绢文物的照明损伤规律较为复杂, 其损伤程度不仅与光子能量有关, 还与材料对各能量光子的吸收特性有关; 而本质上是与丝绢的光照响应度有关。 由上述分析可知,CFTIR具有表征在不同波段可见光的作用下丝绢材料的Q响应特性的潜力。 进而对各辐照组样品的CFTIR和Q进行相关性分析如表2所示。

表2 CFTIR和Q的相关性分析结果Table 2 Results of the correlation analysis between CFTIR and Q

由表2可知, 在各辐照组中Q对CFTIR均有显著影响(Sig<0.01)且相关性很强(|Pearson|>0.9), 证实了CFTIR表征丝绢材料对于Q响应特性的有效性。 进一步对两者进行线性回归分析以获取Q对CFTIR的解释模型, 如表3所示。

表3 CFTIR和Q的线性回归分析结果Table 3 Results of the linear regression analysis between CFTIR and Q

由表3可知, 在各辐照组中Q均可以有效预测CFTIR(Sig<0.05), 表明Q具备建立CFTIR解释性模型的能力。 但依据图5中的数据规律和表3中541和595 nm辐照组的分析结果(R2<0.8), 说明两者间并不适合建立线性回归模型。 进一步分析表3中各辐照组的斜率K可知, 可见光波长λ对CFTIR的影响有差异但没有突变, 表明CFTIR也具有表征丝绢材料对于λ响应特性的潜力。 因此, 基于CFTIR的丝绢光照响应度函数可记为f(λ,Q)。

2.3 丝绢的光照响应度函数

丝绢的照明损伤度由照明参数和材料特性共同决定: 其中照明参数包括光源的SPD和Q, 材料特性指丝绢的光照响应度函数f(λ,Q)。 因此, 丝绢在可见光照射下的照明损伤度模型可定义为式(3)。

(3)

式(3)中,D为照明损伤度,S(λ)为照明光源的SPD,f(λ,Q)为反映λ和Q耦合影响的光照响应度函数。 由于S(λ)可通过专业设备测取, 所以准确计算D的关键是确定f(λ,Q)的数学表达式。 基于2.2节的分析结论, 对图5中的实验数据进行多项式拟合可得到f(λ,Q)的数学表达式如式(4)所示。

f(λ,Q)=0.361 7-0.001 21Q-3.657×10-5λ+2.832×10-6Q2+1.757×10-7Qλ-3.801×10-9λ2-2.015×10-9Q3-1.857×10-10Q2λ+2.907×10-12Qλ2+8.234×10-14λ3

(4)

式(4)的多项式拟合评价参数为: 确定性系数R2=0.834 3, 误差平方和SSE=0.059 3, 均方根误差RMSE=0.031 4; 符合R2>0.8且SSE和RMSE趋于0的条件, 表明式(4)具有良好的解释性。 进一步以可见光波长λ为X轴,Q为Y轴, 对基于CFTIR的丝绢光照响应度函数f(λ,Q)进行可视化, 如图6所示。

图6 基于CFTIR的丝绢光照响应度函数f(λ, Q)Fig.6 Light responsivity function f(λ, Q) of silk based on CFTIR

2.4 照明损伤度模型的验证

选取典型展陈照明光源L(参数如图7所示)对丝绢文物的照明损伤度模型进行验证, 实验装置和条件与第1章的辐照实验相同。 使用光源L照射一组新的标准样品, 样品表面的辐照度仍设为10 W·m-2, 共设置6个辐照周期, 每个周期为48 h(Q=480 W·h·m-2)。 使用FTIR光谱仪测取各辐照周期样品的光谱数据, 并按照2.2节的方法得到样品的CFTIR测量值; 进一步将光源L的SPD和各辐照周期的Q代入式(3), 可以得到样品的CFTIR计算值。 各辐照周期样品的CFTIR测量值和计算值如图8所示, 进一步通过配对样本T检验对两者间的差异关系进行定量分析如表4所示。

表4 CFTIR的配对样本T检验和相对误差分析结果Table 4 Results of the paired sample T test and relative error analysis of CFTIR

图7 验证实验的照明光源Fig.7 Light source for verification experiment

图8 丝绢的CFTIR计算值和测量值Fig.8 Calculated and measured values of silk CFTIR

由表4可知,CFTIR测量值和计算值间没有显著差异(Sig>0.05), 说明上述照明损伤度模型能够准确计算丝绢文物的照明损伤度。

3 结 论

经过十种窄带光源的长周期辐照实验, 丝绢样品的红外光谱发生了明显的变化。 其中, 基于式(1)计算的丝绢TFTIR随Q的增加呈现出振荡的趋势, 说明光照不会持续破坏肽链上高感光性的酪氨酸从而导致TFTIR单调下降, 这与光照会持续加重丝绢损伤程度的基本事实不符; 同时TFTIR和Q的相关性分析结果也表明两者间无显著相关关系, 说明TFTIR不适合表征丝绢的光照响应度。 基于式(2)计算的丝绢CFTIR随Q的增加呈现出先上升后下降的趋势, 说明光照会首先破坏主要位于非结晶区的无规卷曲构象, 进而破坏主要位于结晶区的β-折叠构象, 这与无规卷曲构象相较β-折叠构象更易光降解的基本事实相符; 同时CFTIR和Q的相关性分析结果也表明两者间具有显著相关关系, 说明CFTIR能够表征丝绢材料对于Q的响应特性。 通过进一步分析发现CFTIR与Q线性回归模型的斜率值有差异但没有突变, 表明CFTIR具有表征丝绢材料对于λ响应特性的潜力, 故通过多项式拟合得到基于CFTIR的丝绢光照响应度函数f(λ,Q), 其拟合评价参数表明式(4)具有良好的解释性。 最终选取典型展陈照明光源L对2.3节提出的照明损伤度模型进行验证, 通过对丝绢样品各辐照周期CFTIR测量值和计算值的配对样本T检验发现两者没有显著差异, 说明式(3)能够准确计算丝绢文物的照明损伤度。 该研究基于FTIR光谱提出了一种非破坏性的丝绢文物照明损伤评价指标CFTIR, 并通过对窄带光源辐照实验结果的数据分析证实了该指标的有效性。 进而通过多项式拟合获得了基于CFTIR的丝绢光照响应度函数f(λ,Q)的确切表达式, 最终建立了丝绢文物的照明损伤度模型并通过典型展陈照明光源的辐照实验验证了该模型的准确性, 从而实现了丝绢文物照明损伤度的准确计算。 也为馆藏丝绢文物的照明损伤评价、 光源损伤判定和照明标准制定提供有效的帮助。