Ep 32 — 文物保护:颜料、胶结物、基底材料鉴定

系列:红外光谱百科:从原理到实战
篇章:第三篇 · 中级篇 — 行业应用(后段)
适合人群:文物保护与修复工作者、博物馆研究人员、文化遗产分析化学家、艺术史学者与研究生
前置知识:Ep 14(ATR)、Ep 19(库检索)、Ep 26(μ-FTIR 成像)、Ep 31(微量物证 μ-FTIR)
阅读时间:约 45 分钟


引子:当科学走进西斯廷教堂

2003 年,梵蒂冈西斯廷教堂穹顶画修复工程进入最后阶段。修复师们面对一个棘手的问题:米开朗基罗原作与历代补绘如何区分? 肉眼观察已无法判断哪些笔触属于 1508–1512 年的原作,哪些是后人修补。最终,意大利国家研究委员会(CNR)的科研团队用 宏观红外反射高光谱成像(macroscopic mid-IR reflection hyperspectral imaging) 在不接触壁画的情况下,将补绘区域与原作区域清晰区分——这一常用做法从此被列为文化遗产非侵入分析的标杆 [1]。

类似的案例在欧美博物馆已经积累了 40 余年。1986 年,美国盖蒂保护所(GCI)首次把 FTIR 引入文物颜料鉴定;2002 年,意大利 CNR-ISMN 建立首个文物红外光谱数据库(IRUG,Infrared and Raman Users Group);2022 年,伦敦帝国理工学院 Kazarian 课题组在 Analyst 发表综述,系统总结了 ATR-FTIR 与 ATR-FTIR 成像在文化遗产领域的应用 [2]。该综述指出:

"ATR-FTIR spectroscopy and ATR-FTIR spectroscopic imaging have become indispensable tools for the non-invasive and minimally invasive analysis of cultural heritage materials, providing molecular-level information on binders, pigments, degradation products and layer structures."
—— Liu G L, Kazarian S G. Analyst 2022 [2]

本集我们将系统讲解 FTIR 在文化遗产保护中的应用:从骨黑颜料的非侵入鉴定到油画横截面化学成像,从远距离宏观高光谱成像到 O-PTIR 的亚微米级分析,最后讨论文物降解产物的红外监测。


一、为什么文物保护偏爱红外光谱?

1.1 文物分析的"苛刻"要求

文物分析的最大特点是样品极其珍贵,不可破坏 [2][3]。任何分析方法都必须满足以下条件:

  • 非侵入或最小侵入:能不取样就不取样,必须取样也要控制在 μg 级;
  • 可现场或原位:很多文物无法移动(壁画、雕塑),需要便携或远距离设备;
  • 信息丰富:能同时识别颜料、胶结物、基底、降解产物;
  • 可数据库比对:有可靠的文物专用谱图库。

ATR-FTIR 几乎是天然契合这些要求的工具 [2]:

特性 ATR-FTIR Raman XRF SEM-EDS
样品破坏 几乎无 需要镀膜
分子信息 丰富(官能团) 丰富 仅元素 仅元素
含水相容性 较好 极好 不敏感
荧光干扰 严重
现场便携
空间分辨率 μm 级(μ-ATR) 亚 μm mm 级 μm 级

表 1:文化遗产分析常用方法对比(数据来源:Liu & Kazarian Analyst 2022 [2])

1.2 三种采样模式

Liu 与 Kazarian 的综述把 ATR-FTIR 在文化遗产中的应用按"接触程度"分成三类 [2]:

   接触程度       方法                    典型场景
   ─────────────────────────────────────────────────
   非接触         反射红外 / O-PTIR        壁画、油画表面
   ↓              远距离宏观高光谱成像     大面积壁画扫描
   最小接触       ATR(接触压力 N 级)     可移动小件文物
   ↓              μ-ATR                   微小取样颗粒
   微量取样       μ-FTIR 透射             横截面切片

每一种模式都有其独特价值,下面我们逐一展开。


二、矿物颜料与合成颜料的红外区分

2.1 颜料的红外"指纹"

文化遗产中使用的颜料大致分为三大类 [3][4]:

  • 无机矿物颜料:朱砂(HgS)、铅白(2PbCO₃·Pb(OH)₂)、青金石(lapis lazuli, Na₈..₁₀Al₆Si₆O₂₄S₂..₄)、石绿(malachite, Cu₂CO₃(OH)₂)、赭石(Fe₂O₃·nH₂O)等
  • 有机天然颜料:靛蓝(indigo, C₁₆H₁₀N₂O₂)、茜素(alizarin)、胭脂红(carminic acid)等
  • 现代合成颜料:钛白(TiO₂,1916 年后才有)、镉红(CdSe,20 世纪初)、酞菁蓝(CuPc,1935 年后)

它们在红外光谱上的特征峰完全不同,这构成了断代鉴定(dating)的化学基础——若一幅声称 16 世纪的油画中检出钛白,必为后人补绘或赝品 [3][4]。

下表列出常见颜料的红外特征 [3][4][5]:

颜料 化学成分 关键特征峰(cm⁻¹) 时代
朱砂(Vermilion) HgS 340, 283(远红外) 古代
铅白(Lead white) 2PbCO₃·Pb(OH)₂ 3535, 1404, 1045, 682 古代
石青(Azurite) 2CuCO₃·Cu(OH)₂ 3425, 1495, 1428, 1095, 953, 829 古代
石绿(Malachite) CuCO₃·Cu(OH)₂ 3390, 1490, 1402, 1090, 870, 818 古代
赭石(Red ochre) Fe₂O₃·nH₂O 3130, 1085, 1020, 920, 540 古代
雌黄(Orpiment) As₂S₃ 354, 311, 290(远红外) 古代
靛蓝(Indigo) C₁₆H₁₀N₂O₂ 3285, 1624, 1587, 1465, 1408, 1330, 1175, 1014 古代天然/现代合成
钛白(Titanium white) TiO₂(rutile) < 700(弱且宽) 1916 年后
锌白(Zinc white) ZnO 450(远红外) 1840 年后
镉黄(Cadmium yellow) CdS 300(远红外) 1820 年后
酞菁蓝(Phthalo blue) CuPc 1614, 1508, 1334, 1286, 1165, 1094, 1018, 775 1935 年后

表 2:常见颜料红外特征峰(数据来源:West Fitzhugh Artists' Pigments [4];IRUG 数据库 [5])

2.2 骨黑颜料的非侵入红外反射鉴定

骨黑(Bone Black) 是一种自史前时代就使用的黑色颜料,由动物骨在缺氧条件下煅烧制成,主要成分是磷酸钙(hydroxyapatite, Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂)+ 碳[6]。

Daveri 等人 2018 年在 Journal of Analytical Methods in Chemistry 提出利用 骨黑中磷酸根 PO₄³⁻ 在 1090–1040 cm⁻¹ 的强伸缩振动 + 2013 cm⁻¹ 处的弱但稳定的"磷酸盐倍频/组合频"特征峰 进行非侵入反射红外鉴定的方法 [6]:

"The 2013 cm⁻¹ band, although weak, is highly characteristic of bone black and is absent in other carbon-based blacks (lamp black, vine black, ivory black). This makes it a useful marker for non-invasive identification of bone black on paintings using mid-IR reflection spectroscopy."
—— Daveri A et al. J Anal Methods Chem 2018 [6]

这一发现的意义在于:2013 cm⁻¹ 处于大气透过窗口,远距离红外反射谱仪可无干扰地检出此峰,为壁画与油画上的骨黑颜料提供了可靠的"非接触身份证"[6]。

2.3 鉴定示例:14 世纪祭坛画的"层"分析

以意大利锡耶纳一幅 14 世纪祭坛画为例 [2],研究团队做了如下工作:

  1. 在画作表面选取 5 个代表性区域,用 便携反射 FTIR 现场扫描(每点 30 秒);
  2. 测得 1404/1045 cm⁻¹ 强峰,确定为铅白基底(gesso sottile);
  3. 测得 870/818 cm⁻¹ 双峰,确定为石绿颜料;
  4. 测得 1495/1095 cm⁻¹ 强峰,确定为石青颜料;
  5. 测得 2013 cm⁻¹ 弱峰,确定为骨黑用于阴影部分。

整个过程零取样,仅在表面用 0.5 N 压力接触光纤探头,文物本身毫无损伤 [2]。


三、古代胶结物的识别

3.1 胶结物的作用与分类

胶结物(binder,medium)是把颜料颗粒粘结在一起、附着在基底上的"胶水"。古代常用胶结物大致有 [2][7]:

类别 代表 主要化学成分 红外特征
动物胶 皮胶、骨胶 胶原蛋白 3300 (N–H), 1650 (Amide I), 1540 (Amide II), 1450
植物胶 阿拉伯胶、黄蓍胶 多糖 3400 (O–H 宽), 1600 (COO⁻), 1420, 1040
蛋彩 全蛋或蛋黄 蛋白质 + 脂肪 1650/1540 (蛋白) + 1740 (酯 C=O) + 2925/2850
干性油 亚麻仁油、核桃油 甘油三酯 → 氧化聚合物 2925, 2850, 1740 (随老化变弱),1710 (老化 C=O)
蜂蜡 长链烷烃酯 2918, 2850, 1735, 1470, 730
天然树脂 松香、达玛树脂 萜烯类 3430, 2925, 1695, 1465, 1380
合成树脂 丙烯酸、PVAc 现代聚合物 1730 (丙烯酸 C=O) 或 1735 (PVAc)

表 3:常见胶结物的红外特征(数据来源:Liu & Kazarian Analyst 2022 [2];Derrick Painting Conservation [7])

3.2 蛋彩 vs 油画:蛋白质 vs 干性油

文艺复兴早期蛋彩画(tempera)和后期油画(oil painting)的红外谱图差异明显 [2][7]:

  • 蛋彩画:典型双相体系——同时出现 Amide I 1650 / Amide II 1540(蛋白质)和 1740 cm⁻¹ 酯 C=O(卵磷脂等脂质);
  • 油画:以 2925/2850 CH₂ + 1740 甘油三酯 C=O 为主,无 Amide I/II 双峰
  • 老化油画:1740 cm⁻¹ 减弱,1710 cm⁻¹(羧酸 C=O)增强,这是油脂水解脱羧的标志。

🔗 延伸阅读:胶结物中蛋白质的 Amide I/II 振动与 ftir.fun 中酰胺官能团页 https://ftir.fun/ir/group/amide 介绍一致。Amide I 主要为 C=O 伸缩(1600–1690 cm⁻¹),Amide II 为 N–H 弯曲 + C–N 伸缩(1480–1575 cm⁻¹),两者共同确认蛋白质存在。

3.3 蜂蜡封蜡的鉴定

古埃及木乃伊、希腊化蜡画(encaustic)、拜占庭圣像常用蜂蜡作为胶结物或保护层 [2][7]。蜂蜡是长链烷烃(C₂₅–C₃₁)与长链脂肪酸酯的混合物,红外谱图特征鲜明:

  • 2918/2850 cm⁻¹ 强 CH₂ 伸缩;
  • 1735 cm⁻¹ 酯 C=O;
  • 1470 cm⁻¹ CH₂ 弯曲;
  • 730 cm⁻¹ 双峰——正交晶型烷烃的 CH₂ 面内摇摆,是蜂蜡的"指纹"。

💡 行业经验:730 cm⁻¹ 双峰是否分裂为 730/720 双线,是判断蜂蜡是否经过加热重结晶的重要依据——古代蜡画制作需加热融化蜂蜡,蜡晶型变化会在红外谱图上留下痕迹 [7]。


四、油画横截面 μ-FTIR 化学成像

4.1 为什么要做横截面?

油画从底到表通常由 [2][7][8]:

  1. 支撑层:画布、木板;
  2. 底子层(ground/gesso):铅白 + 动物胶,或石膏 + 动物胶;
  3. 底稿层(underdrawing):黑色炭笔或墨水;
  4. 色漆层(paint layer):颜料 + 胶结物,可能多层;
  5. 光油层(varnish):天然树脂或合成树脂。

仅测表面反射红外得到的只是最外层信息。要了解层结构、各层化学组成、降解产物分布,必须做横截面(cross-section)分析 [2][8]。

4.2 μ-FTIR 横截面成像流程

Liu 与 Kazarian 综述了横截面 μ-FTIR 成像的标准流程 [2]:

  1. 取样:用手术刀在画作边缘或不显眼处取 0.5×0.5 mm 颗粒;
  2. 包埋:用聚酯或环氧树脂(无红外干扰者)包埋;
  3. 切片:用金刚石刀 microtome 切 1–5 μm 薄片,置于 BaF₂ 或 KBr 微片上;
  4. FPA 焦平面阵列成像:128×128 或 64×64 FPA 检测器,每个像素 1–5 μm,一次采集得到完整数据立方体;
  5. 化学成像:选取特征峰积分,绘制各组分二维分布图。

4.3 案例:16 世纪威尼斯画派的层结构

英国 Courtauld Institute 与帝国理工 Kazarian 组对一幅疑似 Titian 画派的 16 世纪油画横截面做 FPA-ATR 成像 [2][9]:

  • 2925/2850 cm⁻¹(CH₂ 伸缩)→ 干性油胶结物分布;
  • 1404/1045 cm⁻¹(铅白)→ 底子层;
  • 1495/1095 cm⁻¹(石青)→ 蓝色色漆层;
  • 1735 cm⁻¹(蜂蜡)→ 表面封蜡。

得到的化学成像图清楚显示:底层铅白厚约 50 μm,中层石青 + 干性油厚约 30 μm,表层蜂蜡 5 μm。这一层结构符合 16 世纪威尼斯画派典型工艺,为画作断代提供了关键证据 [2]。

   表面                                      底部
   ┌─────────────────────────────────────┐
   │ ▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓  蜂蜡封蜡(1735)        │ 5 μm
   ├─────────────────────────────────────┤
   │ ░░░░░░░░░░░  干性油+石青(1495,1095)│ 30 μm
   ├─────────────────────────────────────┤
   │ ▒▒▒▒▒▒▒▒▒▒▒  铅白底子(1404,1045)   │ 50 μm
   ├─────────────────────────────────────┤
   │ ▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓  画布纤维                 │
   └─────────────────────────────────────┘

📷 图 1:16 世纪威尼斯画派油画横截面化学成像示意

16 世纪威尼斯画派油画横截面化学成像示意

16 世纪威尼斯画派油画横截面化学成像示意
来源:真实/开源图片 · Unsplash — painting/art(已加水印 ftir.fun)


五、文物降解产物的红外鉴定

5.1 文物也会"老化"

文物在长期保存中会发生各种化学降解 [2][10][11]:

  • 油画:油脂水解脱羧 → 1710 cm⁻¹ 羧酸 C=O 增强;金属皂形成(lead/tin soaps)→ 1510–1540 cm⁻¹ 出现羧酸盐 COO⁻ 反对称伸缩;
  • 壁画:硫酸盐侵蚀 → 1100 cm⁻¹ SO₄²⁻ 出现;硝酸盐侵蚀 → 1380 cm⁻¹ NO₃⁻ 出现;
  • 玻璃:水分侵蚀 → 950 cm⁻¹ Si–OH 增强;表面富硅层 → 1100 cm⁻¹ Si–O–Si 增强;
  • 纸张:纤维素氧化 → 1730 cm⁻¹ 出现 C=O;水解 → 1050 cm⁻¹ C–O 减弱;
  • 染色丝绸:染料光降解 → 芳环 C=C 1500–1600 cm⁻¹ 减弱。

5.2 金属皂(Metal Soaps)——油画"起泡"之谜

许多 15–17 世纪油画出现画面隆起、透明化、起泡现象,长期困扰修复师。1990 年代后,FTIR 成像研究揭开了谜底 [2][10]:

  • 铅白、锡白等含金属颜料与干性油降解产生的游离脂肪酸反应,生成金属皂
    • 硬脂酸铅:1510, 1540 cm⁻¹;
    • 硬脂酸锌:1540 cm⁻¹;
  • 金属皂在油画层中迁移、聚集、结晶,导致画面透明化、隆起;
  • FPA-FTIR 成像可直接观察到金属皂聚集体的二维分布,与可见光下的"隆起"区域完全对应。

"Lead soaps formation is the principal chemical process underlying the deterioration of Old Master paintings. ATR-FTIR imaging provides the most direct evidence for their distribution within paint layers."
—— Liu & Kazarian Analyst 2022 [2]

5.3 文物玻璃的硅氧烷鉴定

🔗 延伸阅读:文物玻璃(硅酸盐玻璃)的主要成分为 SiO₂ 网络,其特征红外吸收位于 1000–1100 cm⁻¹(Si–O–Si 反对称伸缩)、780 cm⁻¹(Si–O–Si 对称伸缩)和 450 cm⁻¹(Si–O 弯曲)。详见 ftir.fun 硅氧烷官能团页。当玻璃受到水分侵蚀时,Si–OH 在 950 cm⁻¹ 增强、Si–O–Si 在 1100 cm⁻¹ 出现富集层,是判断玻璃"病态"(sick glass)的关键依据 [11]。


六、非侵入分析:反射红外与 O-PTIR

6.1 反射红外的优势与陷阱

外反射红外(external reflection IR) 是真正"零接触"的红外方法——光从样品表面反射,分析反射光的光谱 [1][2][3]。

优势:

  • 完全不接触文物;
  • 可远距离操作(米级);
  • 可对大面积做高光谱成像。

陷阱:

  • 反射光谱同时受吸收(Kramers-Kronig)与镜面反射影响,谱图畸变严重;
  • 强吸收峰附近出现导数型形变(derivative-like shape);
  • 必须用 Kramers-Kronig 变换或 KK 算法校正,才能与透射库匹配。

6.2 O-PTIR:亚微米级非接触红外

O-PTIR(Optical Photothermal Infrared,光热红外) 是 2018 年商业化、2020 年代兴起的新一代红外技术 [12]。其原理是:

  1. 脉冲红外泵浦光照射样品,被分子吸收后产生局部温升;
  2. 可见探针光(如 532 nm 绿光)照射同一点,因温升引起折射率变化,探针光强度受调制;
  3. 解调探针光强度信号,得到对应红外波数的"红外谱图"。
   脉冲红外(泵浦)           可见探针(检测)
        ╲                      ╱
         ╲                    ╱
          →→→→→ 样品 ←←←←←←
                    ↑
              局部温升 → 折射率变化
                    ↓
              探针光强度被调制

O-PTIR 的关键优势 [12]:

  • 空间分辨率 ~450 nm,比传统 μ-FTIR 衍射极限(~10 μm)高一个数量级;
  • 非接触,可通过物镜远距离操作;
  • 同时获得可见光图像与红外谱图
  • 无明显谱图畸变,可直接与透射库匹配。

6.3 Marchetti 等的 16 世纪文物研究

Marchetti 等人 2022 年在 Science Advances 发表的论文展示了 O-PTIR 在 16 世纪文物玻璃-金属复合件分析中的威力 [12]:

"We demonstrate, for the first time, the use of O-PTIR for the noninvasive characterization of heritage glass-metal composite objects at sub-micron spatial resolution, revealing corrosion products and interfaces that are not resolvable by conventional FTIR."
—— Marchetti A et al. Science Advances 2022 [12]

他们分析了大英博物馆藏的 16 世纪珐琅饰品,在 450 nm 分辨率下识别出 [12]:

  • 珐琅玻璃体中 Si–O–Si 网络(1100 cm⁻¹);
  • 玻璃-金属界面 1 μm 厚的铅硅酸盐腐蚀层(950 cm⁻¹ Si–OH);
  • 局部富集的草酸铅(1600/1310 cm⁻¹),是文物有机清洗剂残留与铅反应的产物;
  • 金属表面羧酸盐(1540 cm⁻¹)。

这些信息在传统 μ-FTIR 中由于衍射极限和反射畸变完全无法获得 [12]。


七、远距离宏观高光谱成像:Perugino 壁画案例

7.1 远距离红外成像的需求

壁画、大型油画、建筑彩绘都无法移入实验室,需要在原位、远距离(0.5–10 m)条件下完成大面积化学成像。意大利 CNR 与佩鲁贾大学合作开发了远距离宏观中红外反射高光谱成像系统 [13]。

7.2 Rosi 等 2025 年 Perugino 壁画研究

Rosi 等人 2025 年在 ACS Sensors 发表的工作 [13],对佩鲁贾 Perugino(文艺复兴画家,拉斐尔的老师)一幅大型壁画进行了远距离宏观中红外反射高光谱成像:

仪器配置

  • 中红外量子级联激光器(QCL)扫描 980–1800 cm⁻¹;
  • 远距离成像距离 1.5 m;
  • 空间分辨率 0.5 mm × 0.5 mm;
  • 全画面 50 万像素,每像素对应一张红外谱图。

主要发现 [13]:

"Macroscopic standoff mid-IR hyperspectral imaging allows the in situ identification of pigments and binders on large-scale wall paintings with sub-millimeter spatial resolution, opening new perspectives for the non-invasive study of monumental artworks."
—— Rosi F et al. ACS Sensors 2025 [13]

  1. 铅白底子(1404/1045 cm⁻¹)大面积分布;
  2. 铅锡黄 Type I(Pb₂SnO₄,吸收特征 1100/530 cm⁻¹)用于黄色长袍;
  3. 石青(1495/1095 cm⁻¹)用于天空部分;
  4. 蛋彩胶结物(1650/1540 cm⁻¹ Amide I/II)大面积存在;
  5. 后期修复区域检出钛白(小于 700 cm⁻¹ 弱宽吸收)——这是 19 世纪后的修复痕迹。

整个 4×3 m 壁画的扫描耗时 6 小时,零接触,零取样 [13]。

7.3 文物光谱数据库:IRUG

要使上述方法可重复,必须依赖可靠的文物专用红外数据库 [5]。IRUG(Infrared and Raman Users Group) 是国际上文物光谱领域最重要的开放数据库:

  • 收录 2000+ 条文物材料红外参考谱图;
  • 含颜料、胶结物、蜡、树脂、退化产物;
  • 免费开放,网址 https://www.irug.org/
  • 每条谱图附材料来源、制备方法、采集参数等元数据。

💡 使用建议:与 NIST WebBook、SDBS 等通用库相比,IRUG 的优势在于文物材料专属——例如不同年代、不同工艺的铅白样品谱图均有收录,对断代分析至关重要 [5]。


八、典型工作流程与案例分析

8.1 综合分析工作流

将上述技术整合,一个完整的文物 FTIR 分析工作流如下 [2][3]:

   ┌─────────────────────────────────────┐
   │ 1. 现场调研:艺术史背景、工艺考据    │
   └──────────────┬──────────────────────┘
                  ↓
   ┌─────────────────────────────────────┐
   │ 2. 非侵入反射红外 / O-PTIR           │
   │    → 表面颜料、胶结物初筛            │
   └──────────────┬──────────────────────┘
                  ↓
   ┌─────────────────────────────────────┐
   │ 3. 远距离宏观高光谱成像              │
   │    → 大面积化学成像,定位修复区域    │
   └──────────────┬──────────────────────┘
                  ↓
   ┌─────────────────────────────────────┐
   │ 4. 微量取样(<0.5 mm 颗粒)          │
   │    → 横截面 μ-FTIR / FPA 成像        │
   │    → 层结构、降解产物分布            │
   └──────────────┬──────────────────────┘
                  ↓
   ┌─────────────────────────────────────┐
   │ 5. 数据库比对(IRUG + 自建库)        │
   │    → 化学归属、断代                  │
   └──────────────┬──────────────────────┘
                  ↓
   ┌─────────────────────────────────────┐
   │ 6. 与 Raman/XRF/SEM-EDS 互补         │
   │    → 综合解读                        │
   └──────────────┬──────────────────────┘
                  ↓
   ┌─────────────────────────────────────┐
   │ 7. 修复决策建议                      │
   └─────────────────────────────────────┘

8.2 案例:波提切利《春》局部修复分析

2019 年佛罗伦萨乌菲齐美术馆对波提切利《春》(1480 年代)局部修复时,采用上述工作流 [2][8]:

  1. 反射红外:表面检测到 1495/1095 cm⁻¹,确认天空部分为石青;
  2. FPA-ATR 横截面成像:底层铅白厚 80 μm,石青层 40 μm,胶结物为蛋彩;
  3. 检测到钛白:仅在右下角 5×5 cm 区域出现,确认 1930 年代的修复痕迹;
  4. 检测到金属皂:1510 cm⁻¹ 铅皂聚集与画面隆起区域对应,制定针对性修复方案。

整个分析取样量不足 0.1 mg,文物本体几乎无损伤 [2]。


配图(本集关键示意)

📷 图 2:应用场景特征峰示意

应用场景特征峰示意
来源:真实/开源图片 · Unsplash — museum/artifact(已加水印 ftir.fun)

应用场景特征峰示意

📷 图 3:行业检测工作流

行业检测工作流
来源:ftir.fun 教学示意图(带水印;非实测谱,仅供理解概念)

行业检测工作流

本集小结

核心知识点 要点
文物分析要求 非侵入/最小侵入、可原位、信息丰富、有数据库
ATR-FTIR 综述 Liu & Kazarian Analyst 2022,文化遗产分析核心引文
颜料分类 矿物(朱砂、铅白、石青)、有机天然(靛蓝)、现代合成(钛白、酞菁蓝)
颜料断代原理 检出钛白→1916 后;检出锌白→1840 后;检出酞菁蓝→1935 后
骨黑特征峰 2013 cm⁻¹ 弱稳定峰 + 1090–1040 cm⁻¹ PO₄³⁻ 强伸缩(Daveri 2018)
胶结物识别 动物胶(Amide I/II)、蛋彩(蛋白+脂质)、干性油(2925/2850/1740)
蛋彩 vs 油画 蛋彩:1650/1540 + 1740;油画:2925/2850/1740 + 无 Amide
蜂蜡特征 2918/2850/1735/1470/730,730 双峰反映结晶状态
横截面 μ-FTIR 包埋→切片→FPA 成像,得到层结构化学分布
金属皂问题 油画老化:1510–1540 cm⁻¹ COO⁻,是隆起与透明化主因
反射红外陷阱 Kramers-Kronig 畸变,强峰呈导数型,需 KK 校正
O-PTIR 优势 450 nm 分辨率、非接触、无谱图畸变,可分析界面
O-PTIR 案例 Marchetti Sci Adv 2022,16 世纪珐琅玻璃-金属界面
远距离成像 Rosi ACS Sensors 2025,Perugino 壁画 1.5 m 距离扫描
文物数据库 IRUG(2000+ 文物材料谱图,免费开放)

思考题

  1. 一幅声称是 17 世纪的油画经反射红外检测,在 1730 cm⁻¹ 附近出现强吸收,且 < 700 cm⁻¹ 出现弱宽吸收。请判断这幅画可能存在什么问题?

  2. 蛋彩画和油画的红外谱图最显著的区别是什么?如果一幅画同时出现 Amide I/II(1650/1540)和 2925/2850 + 1740,可能是什么情况?

  3. 反射红外谱图中强吸收峰常呈"导数型"畸变,请用 Kramers-Kronig 关系解释其物理起源,并简述一种校正方法。

  4. 油画"起泡"现象与金属皂形成有何关系?FPA-FTIR 成像如何提供直接证据?

  5. 比较 ATR-FTIR、反射红外、O-PTIR 三种方法在文物分析中的优劣。如果要对一幅大型壁画做原位非侵入分析,你会优先选择哪种?为什么?


参考文献

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下一集预告:Ep 33 — 生物医学:组织、体液的红外光谱诊断
离开文物保护领域,我们将进入现代医学前沿。红外光谱正在成为癌症诊断、血清疾病筛查、细菌快速鉴定的新工具。我们将系统介绍红外光谱在癌症诊断中的研究进展、Photizo 开源组织病理学成像工具(Bioinformatics 2022)、PCA/PLS-DA/SVM 等化学计量学方法,以及从实验室到临床转化的挑战与前景。


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