Analytical Spectral Devices FieldSpec FR Pro 3高光谱感应器可在0.2 s内获得包括可见光(VIS)、 近红外(VNIR)和短波红外(SWIR)在内的全波段连续反射光谱。 其中, VNIR和SWIR光谱区域的采样间隔分别为1.4和2 nm。 该仪器自带的接触式探头(1.5 cm²的固定照明几何形状和点分析区域)用以提供光源。 所有光谱的测量均采用手持探头直接接触样品表面完成, 之后使用ASD的RS3和ViewSpec Pro 6.0软件进行数据处理和解读。

由于特氟龙在350~2 500 nm光谱范围内没有吸收峰, 单组分样品光谱的采集都在特氟龙载物盒上进行。 单组分样品为三种胶结物, 即兔皮胶、 蛋黄和亚麻籽油。 胶结物的光谱采集方法如下: 将配制好的浓度为10% W/W兔皮胶溶液转移至特氟龙载物盒上形成薄膜, 待完全干燥后采集光谱; 将蛋黄在培养皿中自然干燥, 然后以薄层形式放置在特氟龙载物盒上进行光谱采集。 而亚麻籽油样品是2010年制得后, 于意大利佛罗伦萨国家研究委员会文物保护专业实验室干燥6年后在特氟龙载物盒上进行采集。 试验中还获取了在世界范围内使用最为广泛的红、 蓝、 黄四种颜料样品(朱砂、 石青、 青金石、 铁黄)的全波段反射光谱, 光谱的采集方法和胶结物的方法相同。

颜料和胶结物的混合物样品根据意大利传统木架画绘制方法在10 cm× 10 cm的帆布表面绘制得到, 使用的帆布采购于意大利佛罗伦萨。 由于帆布表面已覆盖一层石膏和亚麻籽油的地仗层, 因此先采集了帆布的原始光谱数据。 将上述三种胶结物与四种颜料分别混合后, 按照Cennino Cennini描述的比例与方法用刷子在帆布表面均匀地涂刷。 对于蛋彩画样品, 颜料和蛋黄的用量大致相同, 并滴加少量去离子水。 而当颜料和兔皮胶或亚麻籽油混合时, 颜料的平均使用量约为胶结物用量的两倍。 绘制完成后将所有样品放置于实验室环境中自然干燥。

光谱采集后使用该仪配备的ViewSpec Pro 6.0软件进行光谱收集和原始数据处理。 原始光谱处理包括: 光谱背景消除、 求光谱平均值、 求光谱的一阶导数等。 为了减少误差, 原始光谱是同一位置采集10次后得到的平均光谱。 原始光谱的最重要参数是最大反射率/最大吸收率和拐点, 即在一阶导数光谱中的最大值或最小值^{[13, 14]}。

图1(a)是三种胶结物的全波段反射光谱。 三种物质在波长1 100~2 400 nm之间的吸收峰差异最为显著[图1(b)]。 由于蛋黄中除了白蛋白还含有约30%的脂质, 因此其谱图同时具有蛋白质和脂质的特征。 利用图1(b)中三个灰色区域(C— H键的合频和倍频峰区域, 即1 150~1 250, 1 650~1 800和2 250~2 400 nm)和四条虚线位置的光谱特征可以有效鉴别三种物质, 同时这些特征也为其在混合物中的鉴定提供了理论依据。

如图1(b), 含有脂质成分的蛋黄和亚麻籽油在1 100~2 400 nm波段范围的谱图较相似, 尤其是在约1 200, 1 700和2 300 nm附近都有吸收峰, 但它们的峰强差异明显, 吸收峰在蛋黄中比在油中更尖锐、 更强。 例如, 蛋黄谱图中1 730 nm处CH₂伸展模式的一级倍频峰峰强明显强于亚麻籽油。 相较这两种胶结物, 蛋白质类的兔皮胶光谱中C— H的合频和倍频峰的位置与峰强差别更大。 例如, CH₂伸展模式的二级倍频峰在蛋黄中位于1 210 nm处, 在亚麻籽油中位于约1 203 nm, 而在兔皮胶中则偏移至1 182 nm左右。

图1(b)中四条虚线标记出了三种胶结物其他差别明显的特征吸收峰位置。 在约1 507 nm处, 可以观察到蛋黄和兔皮胶谱图中的N— H伸展模式的一级倍频峰, 而在亚麻籽油谱图中则不存在。 在约2 050 nm处, 出现了这两种含蛋白质胶结物的另一个重要的特征信号, 即N— H伸展和弯曲的合频峰。 此外, 在2 177 nm附近也观察到这两种胶结物的C=O伸展模式的一级倍频峰(酰胺Ⅰ +酰胺Ⅱ)。 在这两种蛋白质的谱图中, 所有动物胶的吸收峰都强于蛋黄。 在脂质胶结物亚麻籽油的谱图中, 在约2 132 nm 处出现了C— O伸展和C— H伸展的合频峰, 且峰呈肩状。 尽管在位于1 950 nm的虚线处这三种胶结物都有较强的吸收峰, 但亚麻籽油的峰稍微偏左。 另外, 脂质中C=O伸展模式的二级倍频峰出现在1 932 nm处, 而蛋白质中O— H伸展和弯曲的合频峰出现在约1 945 nm处。

图1

Fig.1

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	图1 三种胶结物的全波段(350~2 500 nm, a)和(1 100~2 400 nm, b)反射光谱谱图 蓝色曲线为蛋黄; 红色曲线为兔皮胶; 绿色曲线为亚麻籽油Fig.1 The full band reflectance spectra (350~2 500 nm, a) and selected region spectra (1 100~2 400 nm, b) of three binders Blue=egg yolk; red=rabbit glue; green=linseed oil

当胶结物与颜料混合时, 也可以利用上述鉴定单组分样品的特征吸收峰位置和峰强等特征, 在明确定义的光谱范围内鉴别各类结物。 然而, 加入颜料后单组分物质的特征峰信号可能会发生偏移或强度改变, 具体情况将在下节详细讨论。

由于朱砂在近红外-短波红外区域内没有吸收峰, 更容易观察有机物在混合无机颜料后光谱的变化, 因此首先分析朱砂与胶结物混合物的光谱。 图2是蛋黄与朱砂的混合物在波长1 100~2 400 nm范围内的反射光谱。 蛋黄能够通过标准谱图比对识别出来, 除了三处波峰的变化: (1)1 507 nm附近的N— H伸展模式的一级倍频峰消失; (2)蛋黄单组分谱图中原波长约1 945 nm的O— H伸展和弯曲的合频峰偏移到约1 922 nm处, 同时变宽; (3)原本在约2 050 nm处的N— H伸展和弯曲合频峰位置向右移动了20 nm。 事实上, 当颜料在近红外-短波红外区域具有吸收峰时, 混合物谱图中也出现了这三种变化, 例如图3中蛋黄与两种蓝色颜料(石青和青金石)的混合物谱图。

图2

Fig.2

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	图2 朱砂与蛋黄混合物的1 100~2 400 nm波段 反射光谱谱图 蓝色曲线为混合物; 红色色曲线为蛋黄; 绿色曲线为朱砂Fig.2 The reflectance spectra of egg yolk mixed with cinnabar in the range from 1 100~2 400 nm Blue=egg yolk+cinnabar; red=egg yolk; green=cinnabar

图3

Fig.3

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	图3 石青(a)与青金石(b)蛋黄混合物的1 100~2 400 nm波段反射光谱谱图 蓝色曲线为混合物; 红色曲线为蛋黄; 绿色曲线(a)为石青, (b)为青金石Fig.3 The reflectance spectra of egg yolk mixed with azurite (a) and lapis lazuli (b) in the range from 1 100~2 400 nm Blue=egg yolk+ azurite (a)/lapis lazuli (b); red=egg yolk; green= azurite (a)/lapis lazuli (b)

当不同胶结物与同一颜料混合时(如图4), 只通过比对原始谱图就能够鉴别胶结物种类。 然而, 当颜料在近红外-短波红外的特征吸收峰与胶结物重叠时, 仅通过几个特定位置分析胶结物种类就变得困难。 如当分子内含有— OH或者H₂O的颜料与有机物混合时, 波长1 450和1 945 nm处的吸收峰则不能区分有机物。 但C— H键的合频峰和倍频峰不受影响, 因此它们的位置和峰强对于有机材料的分析更为重要。

图4

Fig.4

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	图4 铁黄与三种胶结物的1 100~2 400 nm波段 反射光谱谱图 蓝色曲线为蛋黄混合物; 红色曲线为兔皮胶混合物; 绿色曲线为亚麻籽油混合物; 黑色曲线为铁黄Fig.4 The reflectance spectra of three binders mixed with yellow ochre in the range from 1 100~2 400 nm Blue=egg yolk+yellow ochre; red=rabbit glue+yellow ochre; green=linseed oil+yellow ochre; black=yellow ochre

除了原始反射光谱外一阶导数光谱也能够协助准确表征有机材料。 从图5(a)中可以看出, 三种单组分有机物的特征峰在一阶导数光谱比原始光谱[图1(b)]更加显著。 如1 150~1 250 nm区域中[图5(b)], 兔皮胶在一阶导数谱图中1 165和1 200 nm处的拐点对应了原始谱图中位于约1 182 nm的弱吸收峰, 蛋黄和亚麻籽油的拐点和波形差别变大; 1 650~1 800 nm区域中[图5(c)], 三者的波形、 拐点位置、 峰强比等差异增大。

图5

Fig.5

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	图5 三种胶结物1 100~2 400 nm(a), 1 150~1 250 nm(b)和1 650~1 800 nm(c)波段反射光谱一阶导数谱图 蓝色曲线为蛋白质; 红色曲线为兔皮胶; 绿色曲线为亚麻籽油Fig.5 The first derivative spectra of three binders in the range from 1 100~2 400 nm (a), 1 150~1 250 nm (b) and 1 650~1 800 nm (c) Blue=egg yolk; red=rabbit glue; green=linseed oil

图6是当三种胶结物分别与青金石[图6(a)]和铁黄[图6(b)]混合后的一阶导数光谱。 显然, 当胶结物中混入颜料时, 原本单组分一阶导数光谱中的波形特征在混合物谱图中也可以清楚辨识。 因此, 一阶导数光谱也能够辅助有机胶料快速、 无损地鉴定。

图6

Fig.6

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	图6 青金石(a)和铁黄(b)与三种胶结物混合后1 100~2 400 nm波段反射光谱一阶导数谱图 蓝色曲线代表兔皮胶+青金石/铁黄; 绿色曲线代表蛋黄+青金石/铁黄; 红色曲线代表亚麻籽油+青金石/铁黄Fig.6 The first derivative spectra of three binders mixed with lapis lazuli (a) and yellow ochre (b) in the range from 1 100~2 400 nm (a) Blue= rabbit glue+lapis lazuli (a)/yellow ochre (b); green=egg yolk+lapis lazuli (a)/yellow ochre (b); red=linseed oil+lapis lazuli (a)/yellow ochre (b)