现代仪器分析技术在皮质文物保护中的应用

张 杨，龚德才

（1.中国科学技术大学，安徽合肥 230026；2.荆州文物保护中心，湖北荆州 434020）

0 引 言

人类对动物皮资源的开发和利用有着悠久的历史。皮革制作是人类最古老的传统手工业之一。皮革制品被广泛用于人类生产和生活中，其在人类服饰中的应用比丝、棉、麻更早[1]。早在40万年前，北京人就使用打制石器狩猎，“食其肉而用其皮”。3万多年前的山顶洞人使用磨制的骨针对兽皮进行缝制加工[2]。近东1万年前的新石器时代，先民对猪、牛、羊等野生动物进行驯养，并对动物皮开始加以利用[3]。我国考古发掘出土了大量皮服、皮靴、皮手套、皮带、皮囊、皮甲胄等古代皮革制品，分布在全国大部分省市[4-9]。这些珍贵的出土皮革文物是人类在认识和改造自然过程中留下的宝贵财富，记载着人类历史的发展，见证了社会文明的进步，与人类生活息息相关。它们对于古代皮革制作工艺、历史自然环境、贸易交流、年代鉴定以及文化发展水平的研究有着重要意义，因此具有很高的历史、艺术和文化价值。

皮革是一种天然高分子材料，在墓葬埋藏环境或自然环境影响下，其主要成分胶原蛋白变性，制作时使用的植物鞣剂、脂类等物质降解和流失，导致皮革的热稳定性、柔韧性、抗张强度等物理机械性能降低。这些留存于世的皮革文物从外观形貌到内部结构都发生了巨大变化，物理化学性质也发生了改变，存在许多病害，于是如何科学识别这些病害成为了保护修复人员所面临的首要问题。

随着现代科学技术的不断发展，越来越多的仪器分析技术和方法被应用到皮质文物保护领域。将现代仪器分析技术用于皮质文物的检测，可以评估文物保存状况、界定文物损坏类型、表征文物损坏及缺陷的程度和范围、分析确认文物损坏原因，为文物保护修复提供科学依据，对于文物保护的安全性、可靠性具有重要意义。本研究介绍了现代仪器分析技术在皮质文物保护研究方面的应用情况以及未来发展趋势。

1 皮质文物常用分析技术和方法

随着现代科学技术的不断发展，仪器分析技术和方法被广泛用于研究皮质文物的制作工艺、理化性质、劣化机理等几个方面。常用的仪器分析技术和方法有：

1）表面分析。光学显微镜法（optical microscopy，OM）、扫描电子显微镜法（scanning electron microscopy，SEM）、透射电子显微镜法（transmission electron microscopy，TEM）、原子力显微镜法（atomic force microscopy，AFM）；

2）光谱分析和波谱分析。红外光谱法（Fourier transform infrared spectrometer，FTIR）、质谱法（mass spectrometry，MS）、紫外 -可见分光光度法（ultravioletvisible spectrophotometry，UV-Vis）、核磁共振波谱法（nuclear magnetic resonance，NMR）；

3）色谱分析。气相色谱法（gas chromatography，GC）、液相色谱法（liquid chromatography，LC）；

4）热分析。差式扫描量热法（differential scanning calorimetry，DSC）、热重法（thermo gravimetry，TG）、热失重法（thermo gravimetric analysis，TGA）、显微热台法（micro hot table，MHT）；

5）联用技术。

更多的分析方法及其用途如图1所示。

图1 皮质文物保护研究常用的分析方法Fig.1 Analysis methods used for the conservation of leather cultural relics

2 光学显微镜和扫描电子显微镜

光学显微镜（OM）和扫描电子显微镜（SEM）具有无损、方便、快捷等特点，常被用于观察皮质文物的表面形貌和组织结构，在皮质文物的种类鉴别、病害情况调查以及保护效果评估等方面得到了广泛应用。

皮革是由动物皮制作而成，不同动物皮的表面形貌、显微组织结构特征明显，且存在着明显的差异，比如：猪皮粒面毛孔大，三个一组，呈品字形排列；牛皮粒面毛孔小，分布均匀；羊皮粒面毛孔成组成排分布。因此，通过观察皮革的粒面、肉面，以及胶原纤维的形貌特征，可以对皮革文物的种类进行鉴别。BERNATH等[10]通过显微图像推测出皮革藏品的材质种类有牛皮、山羊皮、绵羊皮等。张杨等[6]利用扫描电镜将出土战国皮革的粒面、肉面和横断面与现代皮革进行了对比，鉴别出战国皮革制品是由羊皮制作而成。SPANGENBERG等[11]通过光学、电子显微镜对四千多年前新石器时期皮革毛发的结构特征进行了观察，认为其特征与现代山羊皮毛发的结构特征类似，从而推断此动物皮为山羊皮。

劣化皮质文物在外观形貌上发生了明显变化，其颜色变暗、表面开裂、胶原纤维板结，通过观察这些表面形貌特征可以分析皮质文物的病害情况，评估保护修复效果。BADEA等[12]根据胶原纤维在显微镜下呈现出的不同形貌特点，将古代羊皮纸典型病害分为磨损、松散、变平、开裂、脆裂、收缩、变束状、类凝胶、解散等9种。AXELSSON等[13]通过羊皮纸胶原纤维的形态以及长度和宽度的变化来表征皮革的劣化程度，蝴蝶状胶原纤维束的出现意味着羊皮纸胶原蛋白的明胶化已接近最后转换阶段。PUCHINGER等[14]观察发现胶原蛋白在老化和降解过程中明胶层厚度增加，胶原纤维交叉条带减少。KAUTEK等[15]观察了羊皮纸在不同能量激光照射下胶原纤维形貌结构上的变化，发现当激光能量密度达到1.2 J/cm2时，胶原纤维发生了急剧融化。VORNICU等[16]利用SEM对18～19世纪书面革的降解程度进行了定量分析，为定性皮革降解机理类型提供了信息。FACCHINI等[17]利用SEM对保护处理前后羊皮纸的粒面和肉面进行了观察，发现火灾损坏过的羊皮纸表面粗糙，纤维束变大，经修复处理后基本恢复了原有形貌。

生物病害是导致皮质文物降解劣变的主要原因之一，其中以真菌最为常见[18]。真菌可以造成皮质文物的腐败，甚至直接导致皮质文物的损毁。因此，真菌的检测和鉴别在皮质文物生物病害的防治中显得尤为重要。目前，真菌的检测和鉴别主要利用光学显微镜和扫描电子显微镜，通过观察真菌的形态特征来实现。MANSOUR等[19]利用SEM对书面革上的真菌菌落进行了观察，根据真菌的形态特征，鉴别出枝孢菌、溜曲霉、谢瓦散囊菌、烟曲霉等6种真菌。KOOCHAKZAEI等[20]在研究11～13世纪塞尔柱王朝皮革制品的赤变病害时，利用SEM观察发现皮革表面有枝孢菌、青霉菌和毛癣菌，并且带有螺旋菌丝结构的毛癣菌已深入到皮革里面，认为毛癣菌是造成皮革腐蚀的主要真菌。

3 红外光谱法

傅里叶变换红外光谱（FTIR）是一种光谱学技术，其原理是利用不同官能团的特征吸收峰来分析化合物分子的组成和结构，主要通过蛋白质分子中官能团的振动模式来分析蛋白质和多肽的结构[21-22]。红外光谱技术具有分辨率高、波长精度高、灵敏度高、无损等优点，可用于研究胶原蛋白的微观结构以及制作皮革时使用的植物鞣剂，在皮革文物和羊皮纸劣化特性的表征、劣化机理分析、保存状况评估、保护修复及保护效果评价等方面起到了重要作用。

红外光谱研究胶原蛋白二级结构的方法主要有两种[23]：一是借助重水、采用去卷积和二阶导数技术对胶原蛋白的酰胺Ⅰ带进行处理，获取α螺旋、β折叠及无规卷曲等二级结构信息；二是直接采用去卷积和二阶导数技术对胶原蛋白的酰胺Ⅲ带的二级结构进行分析。BRIDELLI等[24]研究了埃及木乃伊皮肤胶原蛋白酰胺Ⅰ带的二级结构，根据α螺旋与β折叠的含量评估了木乃伊的保存完好程度。ZHANG等[25]对胶原蛋白酰胺Ⅲ带二级结构进行了量化分析，发现相对于现代植鞣革，人工老化皮革和古代皮革胶原蛋白的α螺旋含量大幅降低，无规卷曲含量大幅增加，认为皮革发生劣化的根本原因是其微观结构发生了变化，胶原蛋白分子有序结构逐渐向无序结构转化。BOYATZIS等[26]利用红外光谱技术研究了墨水对羊皮纸劣化的影响，发现随着老化时间的增加，羊皮纸上无墨水区域在1 135 cm-1处的吸收峰峰宽也在增加，表明硫酸盐离子由墨点位置向周边无墨水区域不断迁移。此外，羊皮纸胶原蛋白凝胶化，胶原蛋白酰胺Ⅰ带1 650 cm-1处螺旋结构含量减少，1 629 cm-1处无规卷曲含量增加。RABEE等[27]使用丁苯橡胶对古代皮革进行了加固处理，并对比分析了加固前后皮革的红外光谱图，发现古代皮革加固后在2 924 cm-1处出现了一个新的吸收峰，归属为丁苯橡胶的特征吸收峰，结果证明加固材料没有改变古代皮革胶原蛋白微观结构，也没有与古代皮革发生化学反应产生新的红外吸收峰。

由于不同种类单宁具有不同的红外光谱特征[28]，因此，有学者通过单宁的红外特征吸收峰来研究皮革制作时使用的鞣剂种类。PUICÃ等[29]鉴别了书面革上使用的单宁种类，发现其红外光谱特征吸收峰与橡木一致，从而推断该书面革使用了橡木作为鞣剂。FALCÃO等[30]将多种19世纪流行使用的植物鞣剂与古代皮革鞣剂的红外光谱图进行了比对，通过单宁特征吸收峰鉴定古代皮革为摩洛哥革。

4 核磁共振波谱法

核磁共振波谱法（NMR）非常适用于材料微观结构的研究，能够提供丰富细致的结构信息，是研究高分子材料微观结构的有力手段。它可以通过建立化学环境和化学位移之间的关联来获取化合物结构方面的信息。核磁提供了两个方面的参数：一个是吸收峰面积范围；一个是吸收频率，即化学位移。固体核磁是核磁共振波谱学的重要组成部分，它具有以下优点：

1）可直接检测不易溶解的固体样品，也可检测溶解后性状和结构遭到破坏或改变的高分子物质；

2）固体核磁通过采用魔角旋转和交叉极化技术提高谱图分辨率和增加信号强度；

3）大部分生物材料中的水和蛋白质分子具有不同的弛豫时间T2，易于将两者区分开来；

4）测试对样品无损，并且用量少，达到毫克级，目前条件下样品只需大约5～10 mg。因此，固体核磁能满足文物样品分析检测微量和无损的要求，非常适宜于文物样品的检测，在研究皮质文物的结构、性能、劣化特性、制作工艺等方面得到了广泛应用。

ALIEV[31]在利用固体核磁共振氢谱研究羊皮纸和明胶中的水时发现，束缚水对胶原蛋白的结构稳定性起重要作用。羊皮纸的相对含水量与C-4羟脯氨酸谱线宽度呈线性关系，水的减少伴随着羊皮纸的劣化。MASIC等[32]在研究羊皮纸时发现，纵向弛豫时间T1的变化与水和胶原蛋白之间的相互作用有关，这种作用使得羊皮纸的结构发生改变。脂类物质碳谱信号减弱说明羊皮纸中的脂类物质在劣化过程中发生了降解。SENDREA等[33]将单边核磁共振技术用于评估植鞣革病害程度及其热性能，弛豫时间和收缩温度作为评价胶原与单宁相互作用，以及劣化皮革结构稳定性的指标。研究结果表明弛豫时间受动物种类和鞣剂类型的影响，收缩温度随着老化时间的延长而明显降低。BARDET等[34]对现代植鞣革、古代皮革以及纯胶原蛋白的碳谱信号进行了对比分析，发现古代皮革中没有检测出单宁和脂类物质，推测可能原因是单宁和脂类物质在埋藏过程中被降解而流失掉了。

由于单宁和氨基酸在碳谱中各自有不同化学位移信号，两者很容易区别开来。因此，固体核磁波谱技术也被用于检测古代皮革中的鞣剂单宁，主要是分析皮革的鞣制工艺，解答古代皮革是否经过鞣制，使用的植物鞣剂种类等问题。ZHU等[35]通过弛豫行为研究了多种经不同植物鞣剂、油类和脂类制作的鹿皮。ROMER[36]除了对水解型和缩合型单宁进行区分以外，还对用含羞草、白坚木、栗木等不同种类鞣剂鞣制的皮革进行了鉴别。

5 热分析

热稳定性是皮革物理性能中非常重要的一项性能，是衡量皮革质量优劣的重要参数，也是评判鞣制工艺好坏的标准之一。皮革在使用和保存过程中，如果热稳定性不好，就容易受温度影响发生硬化、收缩变形。热分析常被用于测试皮质文物热稳定性，评估皮质文物的劣化程度，表征皮质文物劣化特性[37-39]。差示扫描量热法（DSC）是通过样品的吸热和放热来获取与材料热变性有关的信息。热重分析（TG）是通过样品质量与温度的变化关系研究材料的热稳定性。显微热台收缩温度仪（MHT）是专门用于测试皮革收缩温度的仪器。

CARSOTE等[40]利用DSC曲线图对比研究了现代皮革、羊皮纸和古代皮革的变性温度：将温度范围介于65～85℃之间归于古代皮革中变性胶原蛋白的变性区域；将温度范围介于45～65℃之间归于古代皮革中未变性胶原蛋白的变性区域；将小于45℃归于古代皮革中凝胶状态胶原蛋白热转变区域。然后根据3个区域不同类型胶原蛋白所占百分比对古代皮革的劣化程度进量化评估。BADEA等[41]通过热力学参数研究发现，温度对于羊皮纸热稳定性的影响大于湿度和光照。BUDRUGEAC等[42]采用TG、DSC、MHT等热分析方法测试了16～17世纪皮革大衣，对其热氧化性能、湿热稳定性和结晶区劣化情况进行了分析，并对其劣化程度进行了评估。将显微热台收缩温度仪与热重分析、差示扫描量热法相结合可以获取羊皮纸和皮革热性能方面的丰富信息，有助于解答关于皮质文物稳定性等方面的重要问题[12，43-45]。

6 联用技术

虽然每一类检测仪器都有其独特的功能，但是会受到一定条件的限制。而联用技术可以取长补短，同时获得两种设备各自单独使用时所不具备的某些功能。因此，联用分析技术，如热重红外联用（TG-FTIR）、热裂解气相色谱质谱联用（Py-GCMS）、热重质谱红外联用（TG-MS-FTIR）等，已成为当前非常热门的技术。

TG-FTIR联用技术是通过吹扫气将物质热分解过程中产生的挥发物引入到红外光谱仪的光路中来分析判断逸出气体的组分结构。该技术是研究分子结构的有力手段，可实时检测有机材料受热分解过程中的挥发产物以及生成温度起始点和温度范围，完整了解材料的热分解过程和热分解产物。TG能给出热分解温度、热失重百分含量，IR能给出挥发气体确切的组分结构，该联用技术被广泛应用到高分子材料的热稳定性和热降解机理的研究中[46-48]。CUCOS等[49]对牛跟腱中提取的Ⅰ型胶原蛋白的热性能进行了研究。发现氮气条件下胶原蛋白的热裂解过程首先是脱水，然后发生裂解。红外光谱图证明逸出气体有二氧化碳、氨气、水、异氰酸、甲烷、一氧化碳等，并释放有氮氧化合物。YANG等[50]通过对逸出气体研究发现牛皮胶原纤维的热分解经历了融化、氧化和分解三个过程，氨气、二氧化碳、一氧化碳同时产生表明胶原蛋白的热降解首先是分子中碳氧双键（C=O）、碳硫键（C=S）、碳氮键（C=N）遭到破坏。

Py-GC-MS是利用材料在高温条件下分子链发生断裂，短时间内生成的分子碎片或小分子物质来研究材料分子结构组成以及发生的化学变化过程，是一种研究高分子材料热分解产物的有效手段。具有分离效能好、灵敏度高、样品用量少、分析速度快等优点，可分析复杂的有机材料[51-53]。目前，该联用技术在皮革文物和羊皮纸的性能、结构和成分研究中也得到了应用。SEBESTYÉN等[54]采用TG-MS、Py-GC-MS两种联用技术对现代、古代、人工老化植鞣革和羊皮纸的热性能进行了研究，分析了皮革和羊皮纸老化过程中的结构和化学变化。研究结果表明，经酸、碱和热脱水处理后的现代皮革和羊皮纸的成分和结构与自然老化的古代样品相似。老化皮革和羊皮纸的热分解最大速率明显降低。在自然老化和碱处理过程中，皮革中单宁的含量比多肽链主结构更易受到影响。MARCILLA等[55]采用Py-GC-MS联用技术对经过氢氧化钠处理和未处理过的皮革进行了对比研究。研究结果表明，鞣剂会对皮革分解温度产生影响，经碱处理后，皮革最高分解温度下降。

7 结 语

皮质文物本身蕴含着大量丰富的信息。对皮质文物开展系统全面分析研究，从宏观和微观等不同层面定性和定量研究环境因素对皮质文物物理、化学性质以及微观结构的影响，建立皮质文物检测结果数据库和皮质文物病害标准图库，以及构建皮质文物劣化和病害防治保护效果评价体系是未来研究的主要发展方向和趋势。只有经过系统、全面的分析，才能对文物有足够的了解，充分挖掘其中所蕴含的价值和信息。随着科学技术的不断发展，现代分析检测技术不断更新，无损、简便、快捷的检测手段在皮质文物保护中有着非常广泛的应用前景。