核磁共振技术对敦煌壁画起到的保护作用及其研究价值

吕洁勤（福建中医药大学，福建 福州 350122）

1.前言

敦煌壁画泛指在敦煌石窟中的壁画，它是敦煌艺术的主要组成部分，其规模巨大，内容丰富多彩，以精湛的技艺，高超的表现手法展现出工匠们巧夺天工的手艺。敦煌佛教艺术始于公元365年，终于1368年，延绵了整整一千多年。印度佛教艺术经中亚传至敦煌，南朝汉化的佛教艺术也沿着“丝绸之路”传至敦煌，中西方文化在此交融，逐步形成敦煌壮美的敦煌壁画。敦煌壁画是中华民族古老文明的象征，是人类文化中的一大瑰宝。它所展现的佛教艺术是东传佛教在成熟的封建文化下的特有产物，也是传统民族文化与外来文化交汇融合而产生的新产物。它不仅对中国佛教文化艺术作出了巨大的贡献，也对世界佛教文化艺术产生了深远的影响。

2.核磁共振（MRS）技术的基本原理

核磁共振主要是由原子核的自旋运动引起的。不同的原子核，其自旋运动也不相同。核磁共振技术的唯一条件是所研究的物质其原子核的磁矩不为零。通常只有自旋量子数等于1/2的原子核，其核磁共振信号能够被人们利用，能被人们应用的原子核有、、、、、等，其中最经常运用的是和。当携带有电荷的原子核发生自旋时，会产生一个磁矩，此磁矩的方向与原子核的自旋方向相同，其大小与原子核的自旋角动量成正比。当加入外加磁场后，原子核磁矩会绕着外加磁场方向进行运动，此运动类似于陀螺的旋转过程，称之为进动。原子核的进动频率由外加的磁场强度和原子核本身的性质所决定，当在一定强度的外加磁场中，对于某一特定的原子核，其自旋频率是相同的，对于不同的原子核，它们的自旋频率就不相同。

那我们该如何产生核磁共振信号呢？当原子核在外加磁场中接受其他能量（此能量通常以频率的方式来表示）的输入时，会产生能级的跃迁。当外加射频场的频率和原子核自旋的进动频率相同时，射频场的能量才能有效的被原子核吸收，使原子核发生能级的跃迁。因此，对于某种特定的原子核，在一定的强度外加磁场中，只吸收某一特定频率（此频率称为拉莫频率）射频场提供的能量，因此形成了核磁共振信号。当停止外加射频场频率的供应后，氢原子核就会释放能量，回到最初的能级状态（即基态）。

3.核磁共振技术对敦煌壁画的保护作用

敦煌壁画位于敦煌盆地南缘，地处河西走廊，其所在环境气候干燥，地质结构复杂。目前敦煌壁画所面临的问题中，除了难以改变的环境因素外，还有日益增长的游客数量，随着敦煌壁画的声名远扬，越来越多的人们都慕名而来，据资料统计，每年7、8、9月及“十一”黄金周 ，敦煌壁画景点接待游客日均人次5000，为了保护敦煌壁画，有关部门对参观活动进行了严格的限制，单日最大游客承载量控制在6000人次，但即便如此，景区的门票还是供不应求，常常一个月前，景区的门票就被提前售罄。人数的增多，相对而言会带来了较多的湿气，这会破坏了窑洞里面的环境平衡。同时，由于窑洞数量多，分布广，因此对窑洞的监测和管理就更加困难。

在水中主要的原子为氢原子，因此我们可以利用产生的共振来监测窑洞中水的含量。水中氢原子核具有顺磁性，它的磁矩不为零，并且在窑洞的石壁中，氢原子核的丰度最高、磁旋比最大。在稳定的地磁场作用下，我们施加具有拉莫频率的外加磁场，使氢原子核产生能级的跃迁，产生核磁共振。

在2002年，中国地质大学（武汉）核磁共振科研组曾利用核磁共振技术对秦始皇陵有无渗水进行勘察，其效果显著。在对敦煌壁画的水含量侦测中，我们也可以借鉴此法。在窑洞中铺上线圈（此线圈同时具有发射作用和接收作用），并提供频率等于拉莫频率的交变电流脉冲，在交变电流形成的交变磁场的激发下，使窑洞中水的氢原子核形成宏观磁矩，在地磁场的作用下，产生进动，在停止激发电流的供应后，利用接收线圈，来接收氢原子核产生的共振信号。通过接收的氢原子核共振信号的强弱，来判断水含量的多少，其中，共振信号的大小和水的含量成正比。

借由核磁共振技术，我们就可以探测出窑洞中水含量的多少，倘若窑洞中的水含量超出或少于正常范围后，可以及时被侦测到，以便于采取措施，维持窑洞中正常的湿度，给壁画提供一个良好的环境，减少它的损坏。

4.核磁共振成像技术对敦煌壁画的研究的辅助作用

众所周知，敦煌壁画色彩绚丽，人物栩栩如生，壁画是由多彩斑斓的颜色经过工匠之手而形成。那么对壁画中颜料的研究，则是对敦煌艺术价值研究中必不可少的环节，通过对颜料的成分研究，可以帮助我们破解这一长串的文化密码，甚至通过颜料这一枢纽，映射古代敦煌地区的商品交流，可以让我们了解古代中西文化的交流状况。如果我们能够完全清楚敦煌壁画中，每一幅画上，甚至每一条线段所使用的颜料成分，那么这对敦煌壁画的修复工作具有极大的意义，我们就可以尽最大的可能来复原壁画。

敦煌壁画的颜料可分为：无机颜料、有机颜料和非颜料物质三类。在古代，为了制作某种颜料，工匠们常常需要到处挑选材料，经过磨粉等过程，才可以用于绘画。如何还原这些材料，首先就要了解它们的“身份”，我们可以通过核磁共振技术来揭开它的真实面目。

核磁共振技术被称为“化学家的第四只眼睛”，前面已经和大家叙诉了核磁共振技术的原理，现在，我向大家介绍核磁共振技术在化学领域的作用时，要提到一个名词——核磁共振波谱。核磁共振波谱是将核磁共振现象应用于测定分子结构的一种谱学技术，当具有核磁性的原子核，在高强度磁场的作用下，吸收射频辐射，引起核自旋能级的跃迁所产生的波谱。

核磁共振波谱已经从一维谱发展到了四维谱，通过核磁共振波谱我们可以得到物质的化学位移和偶合常数，这两个常数与化合物的结构有着密切的关系，同时，通过核磁共振波谱可以计算核的弛豫时间，这对研究化合物的立体构象和运动性质有着重要的作用。

核磁共振在有机化学的结构研究中，是现今应用得最多最广的领域之一。目前已经积累了大量已知化合物的化学位移数据，只要通过测定化合物的谱和谱，便可快速的确定化合物的结构，就可知道化合物是由何种成分构成，从而明确知道化合物为何种物质。核磁共振虽然在无机化学的应用相对较少，但对目前已知具有共振现象的核都进行过研究。所以，相对而言，核磁共振技术是现今对化学物质的分析中最常用，最准确的方法之一了。

利用核磁共振技术分析出构成颜料的物质，通过这些物质，我们可以重新还原出沉淀千年的颜料，重新在壁画上染上那远古的韵味，让壁画的生命重焕光彩，如那涓涓细流般源远流长。

5.结语

科技的发展不当当只是用来服务于社会、服务于人类，在对于我们文化瑰宝的抢救中，科技的作用显得更加重要。核磁共振技术最被人们熟知的应用是在医学领域，核磁共振技术能帮助医生更加明确的诊断出病灶。但我们要明白的是，技术并不仅仅局限于一方面的作用。核磁共振技术可以测量水的含量，以此判断壁画所处的环境是否合适；核磁共振技术也可以分析颜料的成分，从而对壁画起到保护和修复作用。虽然核磁共振技术并非是对敦煌壁画的保护及研究中起唯一作用的方法，现今，有越来越多的科技应用在敦煌壁画的研究中，核磁共振技术只是提供一种方法，或者可以说是一种新的思路，来研究敦煌壁画。核磁共振技术不仅仅是在这两方面对敦煌壁画起作用，它还会有其他重要的作用，正在等我们去探讨和发现。