扫描电镜_能谱仪在纺织品文物保护中的应用

中国文物报/2011年/5月/20日/第007版

技术

扫描电镜——能谱仪在纺织品文物保护中的应用

戚军超 兰恩强

1938年德国的阿登纳制成了第一台扫描电子显微镜（以下简称扫描电镜），1965年英国制造出第一台作为商品用的扫描电镜，使扫描电镜进入实用阶段。

近20年来，扫描电镜发展迅速，多功能的分析扫描电镜（即扫描电镜带上能谱仪、波谱仪、荧光仪等）既能做超微结构研究，又能做超微结构分析，既能做定性、定量分析、又能做定位分析，特别是其中的扫描电镜-能谱仪发展比较成熟，应用较广。近年来它在纺织品文物保护研究中得到了一定的应用，本文仅对它在纺织品文物保护方面的应用情况作一初步探讨。

扫描电镜-能谱仪的工作原理

扫描电镜的工作原理是：由电子枪发射出来直径为50μm（微米）的电子束，在加速电压的作用下经过磁透镜系统会聚，形成直径为5nm（纳米）的电子束，聚焦在样品表面上，在第二聚光镜和物镜之间偏转线圈的作用下，电子束在样品上做光栅状扫描，电子和样品相互作用，产生信号电子。这些信号电子经探测器收集并转换为光子，再通过电信号放大器加以放大处理，最终成像在显示系统上。扫描电镜工作原理的特殊之处在于把来自二次电子的图像信号作为时像信号，将一点一点的画面“动态”地形成三维的图像。

能谱仪(即X射线能量色散谱仪)的工作原理是：利用多道脉冲高度分析器把试样所产生的X射线谱按能量的大小顺序排列成特征峰谱，根据每一种特峰（特征峰谱的简称）所对应的能量来鉴定化学元素以及根据特峰的面积来进行元素含量的分析。

扫描电镜-能谱仪在纺织品文物保护中的应用

1.纺织品文物纤维原料的鉴定

扫描电镜可以像普通光学显微镜一样拍摄纺织品文物纤维的照片，根据对要保护的纺织品文物纤维的扫描电镜照片与天然纤维的纵向和横截面形态（图1）进行比对，即可比较准确地鉴定它的材质。

当然，有时对于纺织品材料的鉴定还需要其他方法，但扫描电镜准确快速的观测鉴定有其独到的优点，所以被广泛使用。

2.纺织品文物保护纤维表面形态的观察研究

（1）定性确定纺织品文物的老化程度

张懿华等运用环境扫描电镜对不同丝胶含量的人工老化蚕丝纤维进行了纵横向形貌观察，观察其不同程度的破坏和呈现出各自不同的形态特点，从而判断古代出土丝织品的含胶量。

张晓梅等运用扫描电镜对丝织品老化原因及程度进行了分析研究。得出结论：可根据扫描电镜观察到的裂隙、断口的多少来确定丝织品的相对老化程度，并可对不同的老化因素进行分析。但只是作为定性观察的结果，作为老化程度的定量检测分析尚需做进一步的工作，现在同时结合红外光谱、差热分析等分析手段，通过吸收峰的比例可得到老化程度的量化指标。

（2）确定纺织品文物的实际保护效果

周旸等运用丝蛋白和交联剂对脆弱的黄地飞鹭云团花纹锦进行了加固保护，通过扫描电镜可以观察到文物加固前后形貌的细小变化。图2是文物加固前的状态，纤维表面粗糙并附着有颗粒状污染物，纤维出现裂口，说明文物已经老化；图3是文物加固后的状态，加固后纤维排列得更为紧密，纤维间有黏接和成膜现象，丝蛋白增强了纤维间的结合面积和结合强度，从而提高了文物的整体强度。

吴昊等运用生物技术对糟朽丝织品进行加固保护，同批次加固的残片经扫描电镜观察可看出，细菌纤维素在纤维表面覆盖，从整体上没有对纤维的原有形貌造成明显的影响。

张晓梅等尝试用一种新型有机硅改性的丙烯酸树脂SA-6对严重糟朽的丝织品进行加固保护, 用加固剂加固保护糟朽的丝织品是一种延长丝织品寿命的有效方法。对比加固前后的扫描电镜的形貌图像,加固后的纤维较未加固丝纤维表面略粗糙一些，纤维之间并没有粘连,说明加固剂膜较好地附着于丝纤维上,且没有改变丝纤维的形貌。

KATHRYN A. JAKES等利用冷冻干燥来进行纺织品的保护与修复，为了达到更好的观察效果，运用扫描电镜来观察形貌，得出结论，纺织品经过慢速冷冻之后，虽然纤维有些纠缠，但还清晰可见，脱水效果不错。

（3）观察形貌得到其他的文物信息

郭丹华等运用扫描电镜观察新疆营盘出土丝纤维断口的形貌，从而分析出纺织品纤维老化情况与埋藏环境的关系。

刘秋香等运用扫描电镜对战国时期的丝织品表面纤维进行了形貌分析，从形貌的变化来了解丝织品的降解情况。

龚德才等通过扫描电镜照片可以看出，现代蚕丝样品纤维表面十分光滑，纤维表面未出现任何的毛糙和断裂现象。清洗后的样品，表面则出现一些小颗粒状的突起和轻微的毛刺，表明丝胶层受到一定损伤。

王厉冰等运用扫描电镜观察经过髹漆的丝织物，观察表明，碱性水解导致涂漆丝织物表面出现了裂缝，系因漆膜中网状交联的局部破裂所致。

王芳芳等以市售柞蚕丝织品为研究主体,利用扫描电镜对经过光、热和水解人工老化的丝织品进行微观形貌观察分析,获得了纤维结构有关信息,并进行了老化原因及程度的分析研究。

朱冰等对四川永兴汉墓出土的丝织品电镜照片分析，观察照片上的丝腔可知丝纤维是经过精练的熟丝。

3.用于纺织品文物表面物的表面形态分析和元素分析

因为纺织品文物的制作工艺一般都比较复杂，它的制作历经染色、刺绣、掺杂金属丝线等工艺，另外纺织品文物表面一般附有污染物。因此应用扫描电镜—能谱仪对纺织品文物上表面物的分析研究（例如鉴定染料成分、分析污染物成分等）对纺织品的文物保护具有十分重要的意义。 龚德才运用扫描电镜-能谱仪来分析古代丝织品蛋白质纤维中的铁、铝与硫的比例，可以判断这件丝织品文物的染色是否运用了媒染剂硫酸铝钾。

汪自强等运用扫描电镜-能谱仪来观察出土纺织品上结晶盐的表面形态并分析其元素成分。 周旸等运用扫描电镜-能谱仪对南昌明宁靖王妃墓出土纺织品的平金线进行表面形态分析和表面元素分析，并参照元代平金线的扫描电镜分析测试结果对之进行解释。

几点需要探讨的问题

扫描电镜-能谱仪在纺织品文物保护研究中有一定的应用，但也有很大的局限性。其一，因纺织品文物试样不导电，必须用导体材料（可导电的碳层和金层）涂层使其具有一定的导电性。但是这样可能覆盖某些结构的细部特征或者隐藏某些重要信息，所以可能得到不精确的结论。

其二，扫描电镜通常不能观察湿的试样或在湿润状态下试样的动态过程。由于这一局限性，湿润的纺织品文物试样必须干燥，这将改变试样的原有状态。环境扫描电镜尝试克服改进这个缺点，并取得了一定的进步。

其三，扫描电镜的分析元素范围为B5～U92，可测质量分数在0.01%以上的重元素，对质量分数在0.5%以上的元素有比较准确的结果，主元素（主要元素的简称）的测量相对误差在5%左右。在分析元素范围和测量相对误差这些方面需要进一步改进。

尽管能谱分析技术是一种比较成熟的定量成分分析技术，但这种分析技术应用到轻元素还有一定的困难，如能将扫描电镜-能谱仪与CLS及激光拉曼分析（LRS）等组合起来，构成一个联

合分析系统，不但可以确定纺织品文物的元素组成，又可确定纺织品文物的分子结构；而扫描电镜-能谱仪与二次离子质谱（SIMS）的组合，不但可以分析试样表面和内部成分，分析元素也从轻元素到重元素，应用范围更广、功能也更强大，也必将在纺织品文物保护上发挥更大的作用。