偏振光顯微鏡在木斯塘檔案紙張纖維檢測(cè)中的運(yùn)用

蔡夢(mèng)玲

(中國(guó)人民大學(xué)，北京 100872)

0 引 言

紙質(zhì)檔案作為一部分收藏在檔案館中、一部分散存于民間的數(shù)量最為龐大、內(nèi)容價(jià)值最為豐富的一類現(xiàn)存歷史檔案，其載體材料的壽命直接影響著這些珍貴檔案的保存與利用，因此對(duì)作為載體材料的紙張的分析研究，一直受到極大的關(guān)注。隨著近年來無損或微損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，對(duì)紙質(zhì)檔案所用紙張的種類和老化情況的分析，已經(jīng)越來越多地被運(yùn)用于對(duì)紙質(zhì)檔案的真?zhèn)舞b定和為紙質(zhì)檔案科學(xué)地選配修復(fù)用紙、其他修復(fù)材料及進(jìn)行適宜的修復(fù)操作中。

從現(xiàn)代檢測(cè)分析技術(shù)的發(fā)展來看，目前主要用于紙張?jiān)戏治龅姆椒ㄊ秋@微觀察法，所用的儀器主要包括傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡、偏光顯微鏡、掃描電鏡、原子力顯微鏡等，其中最常使用的是通過普通光學(xué)顯微鏡搭配專業(yè)的圖像分析軟件，對(duì)造紙纖維進(jìn)行染色觀察、拍照和對(duì)纖維的長(zhǎng)度、寬度、配比等進(jìn)行定量測(cè)定。然而，利用光學(xué)顯微鏡在圖像分析軟件中所呈現(xiàn)出的一般為平面效果的紙張纖維，而且纖維染色觀察法對(duì)染色劑的質(zhì)量有很強(qiáng)的依賴性，纖維染色后呈現(xiàn)的顏色會(huì)在很大程度上影響對(duì)纖維種類的判斷，不利于從纖維本身的形態(tài)角度做出鑒別。偏光顯微法則提供了一種無需對(duì)纖維進(jìn)行染色處理的方法。因?yàn)槔迷摲椒ㄓ^察紙張纖維形態(tài)時(shí)，偏振光顯微鏡可以通過雙光干涉使纖維結(jié)構(gòu)的扭曲性轉(zhuǎn)換為彩色干涉條紋的變化，隨著偏振角度的變化，纖維的色彩會(huì)更加豐富，色反差會(huì)提高，并表現(xiàn)出很強(qiáng)的立體感[1]。本研究通過闡述偏振光顯微鏡在紙張檢測(cè)分析中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并利用偏振光顯微鏡對(duì)尼泊爾的木斯塘地區(qū)的一批檔案所用紙張的纖維形態(tài)和其他成分進(jìn)行觀察，說明偏光顯微法運(yùn)用于檔案紙張纖維分析中的有效性。

1 偏振光顯微鏡用于紙張檢測(cè)分析中的研究現(xiàn)狀

偏振光顯微鏡對(duì)物體的檢測(cè)依賴于這些物體的材質(zhì)，根據(jù)不同材料微粒的物理特征和光學(xué)特征，可以區(qū)別判斷不同材質(zhì)的成分，該方法被廣泛用于對(duì)礦物的鑒別[2]。由于偏光顯微法所需的儀器價(jià)格低廉，測(cè)試需要的樣品量極小，而且分析速度快，因此在我國(guó)的文物保護(hù)領(lǐng)域，主要被用于對(duì)壁畫[3-4]、器物[5-6]、唐卡[7]等表面礦物顏料的晶體形態(tài)、折射率、消光性等特征的觀察與測(cè)試，并且經(jīng)常與拉曼光譜技術(shù)及其他檢測(cè)分析技術(shù)配合使用，以分析顏料的成分信息。

從國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的研究來看，偏振光顯微鏡在紙張纖維鑒定方面的應(yīng)用較少。黃群等[1]提出利用偏振光顯微鏡觀察紙張纖維時(shí)，在晶體薄片固定、材料不變、偏振角度不變的前提下，纖維上的彩色干涉條紋是基本穩(wěn)定的，由此可以通過比對(duì)來鑒定紙張的成分，確定紙張的產(chǎn)地和來源；郭金龍等[8]利用偏光顯微鏡對(duì)新疆維吾爾自治區(qū)博物館于2009年征集到的紙質(zhì)文書中的5件文物進(jìn)行了觀察，發(fā)現(xiàn)其中1件樣品的紙漿中存在很多呈十字消光特性的淀粉粒，并且大多邊緣已經(jīng)模糊，推斷在造紙過程中進(jìn)行了淀粉施膠；常曉麗等[9]同樣在甘肅省涇川縣博物館所藏的清代草帖行書和清代工筆人物故事紙質(zhì)屏風(fēng)的紙張中，經(jīng)偏光顯微鏡觀察到了呈十字消光特性的淀粉粒，由此判斷這兩張紙?jiān)谕坎歼^程中可能使用了淀粉膠黏劑；另外，陳春霞等[10]通過探討非偏振光法和偏振光法對(duì)紙漿纖維形態(tài)的測(cè)量原理和特點(diǎn)，比較了兩者的差異。除了對(duì)紙張纖維形態(tài)和成分的研究，張光霞等[11]還使用纖維細(xì)度儀和偏振光顯微鏡對(duì)5種常見的麻纖維的橫縱截面的形態(tài)和偏振光下的顏色變化進(jìn)行了觀察與分析，為其定性鑒別提供了依據(jù)。

國(guó)外利用偏光顯微鏡對(duì)紙張纖維進(jìn)行觀察與分析的研究相對(duì)較多。Quattrini等[12]對(duì)佛羅倫薩Stibbert博物館中一幅17世紀(jì)的日本畫進(jìn)行了紙張和顏料的檢測(cè)，利用偏振光顯微鏡對(duì)繪畫作品所用紙張的纖維形態(tài)進(jìn)行了觀察，進(jìn)而鑒別出纖維的種類；van Schaik等[13]對(duì)收藏于大英圖書館中的13份敦煌文獻(xiàn)進(jìn)行了紙張、顏料的檢測(cè)，偏振光顯微鏡被用于對(duì)紙張纖維形態(tài)的觀察和在必要時(shí)對(duì)纖維長(zhǎng)度、寬度的測(cè)量，從而判斷纖維的種類；Stanley[14]對(duì)收藏于普林斯頓大學(xué)東亞圖書館中的7—14世紀(jì)的敦煌和吐魯番館藏文獻(xiàn)進(jìn)行了檢測(cè)，通過偏光顯微鏡對(duì)這批文獻(xiàn)的紙張纖維成分進(jìn)行了分析。

由此可見，使用偏振光顯微鏡來鑒別紙張的纖維種類，在國(guó)外已有一定的研究與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。相比之下，目前在國(guó)內(nèi)，相關(guān)的研究還停留在理論層次的可行性論證上，缺少實(shí)際的運(yùn)用研究。

2 偏振光顯微鏡在檔案紙張纖維分析中的應(yīng)用

2．1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

2．2 實(shí)驗(yàn)儀器與操作

觀察紙張樣品所用的儀器為帶有偏振光的Olympus BX51透反兩用光學(xué)顯微鏡，配有可放大5倍、10倍、20倍和50倍的物鏡鏡頭和10倍的目鏡鏡頭，并配備了Olympus UC30相機(jī)用于圖片記錄。另外，Olympus Stream軟件用于觀察過程中的圖像分析。

首先將收集到的紙張樣品浸入裝有蒸餾水的小燒杯中，并保持煮沸的狀態(tài)10～15 min。然后倒出水，將樣品晾至半干。接著取約0.2 g的紙樣放在顯微鏡載玻片上，滴1～2滴蒸餾水將其分離成纖維均勻分散的懸浮液。蓋上蓋玻片后及時(shí)使用偏振光觀察水溶液中的纖維形態(tài)和紙漿中的其他成分。樣品如需長(zhǎng)期放置，其中的水分蒸發(fā)后，可以揭開蓋玻片滴1～2滴蒸餾水重復(fù)觀察使用。

2．3 參考纖維圖譜來源

2．4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖1 尼泊爾木斯塘的Gelung地區(qū)所形成的檔案Fig.1 Gelung archives from Mustang， Nepal

圖2 20倍物鏡下Gelung 2中纖維壁上的橫節(jié)紋Fig.2 Cross-markings (at the red arrow) on thefiber walls from Gelung 2 under the 20×objective lens

圖3 20倍物鏡下Gelung 12中的纖維彎折Fig.3 Fiber bending (at the red arrow) from Gelung 12under the 20× objective lens

圖4 20倍物鏡下部分樣品的纖維端部Fig.4 Fiber ends of some Gelung samples under the 20× objective lens

圖5 20倍物鏡下Gelung 5中纖維內(nèi)腔明顯變寬(紅色箭頭處)Fig.5 Broad central portion (at the red arrow) fromGelung 5 under the 20× objective lens

圖6 10倍物鏡下藏東瑞香纖維形態(tài)Fig.6 Fiber morphology of Daphne bholua under the10×objective lens

圖7 20物鏡下Gelung 79中纖維中部呈樹杈狀Fig.7 Fork-shaped fiber wall (in the red circle) fromGelung 79 under the 20× objective lens

在這82份主要原料為瑞香/結(jié)香屬植物的紙張中，有47份紙張的原料中還添加了在尼泊爾地區(qū)經(jīng)常用于造紙的瑞香狼毒草纖維，但是其含量較少，應(yīng)該是作為瑞香/結(jié)香屬植物的補(bǔ)充原料加入到造紙漿料中的。通過與由瑞香狼毒草制成紙樣的纖維形態(tài)(圖8)進(jìn)行比較可知，盡管瑞香狼毒草仍屬于瑞香科，擁有與瑞香屬、結(jié)香屬的植物纖維相似的形態(tài)特征，即內(nèi)腔存在明顯變寬的現(xiàn)象，但是通過調(diào)整偏振光的角度可以發(fā)現(xiàn)該種纖維的纖維壁很薄、纖維寬度不均勻，整體呈帶狀(圖9紅色箭頭處)。由于纖維比較柔軟，因此在顯微鏡下經(jīng)常觀察到“雙內(nèi)腔”的現(xiàn)象(圖10a紅色箭頭處)，即纖維受兩側(cè)擠壓，導(dǎo)致內(nèi)腔中部的重疊。其他的纖維折疊(圖10b紅色箭頭處)或翻轉(zhuǎn)(圖10c紅色箭頭處)的現(xiàn)象也十分常見。瑞香狼毒草纖維的端部大多呈現(xiàn)鈍尖或圓形，纖維中部也會(huì)呈現(xiàn)出樹杈狀的形態(tài)(圖11紅色圓圈處)。

圖8 20倍物鏡下瑞香狼毒草纖維的形態(tài)Fig.8 Fiber morphology of Stellera chamaejasme L．under the 20× objective lens

圖9 20倍物鏡下Gelung 47中的瑞香狼毒草纖維Fig.9 Stellera fiber (at the red arrow) from Gelung 47under the 20× objective lens

圖10 20倍物鏡下部分樣品中的瑞香狼毒草纖維Fig.10 Stellera fibers of some Gelung samples under the 20× objective lens

圖11 20倍物鏡下Gelung 76中纖維中部呈樹杈狀Fig.11 Fork-shaped fiber wall (in the red circle) fromGelung 76 under the 20× objective lens

2．4．2其他成分 除了對(duì)上述造紙?jiān)系睦w維進(jìn)行觀察以外，在偏振光下還觀察到了形狀較大、呈現(xiàn)閃光、顏色不同于纖維的物質(zhì)。由于除了植物纖維以外，植物中的導(dǎo)管、石細(xì)胞等也會(huì)產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象而導(dǎo)致這些細(xì)胞或組織呈現(xiàn)閃光[19]。因此，根據(jù)該物質(zhì)的形態(tài)特征，排除其為導(dǎo)管的可能，推測(cè)它應(yīng)屬于植物中的石細(xì)胞。該種細(xì)胞具有不同的形態(tài)特征：既有纖維壁很厚、內(nèi)腔很小、表面橫節(jié)紋十分明顯的(圖12d)，也有纖維壁很薄、內(nèi)腔很大的(圖12e)；既有細(xì)長(zhǎng)型的(圖12b)，也有短寬型的(圖12b)，還有啞鈴型的(圖12c)，它們唯一的共同點(diǎn)在于細(xì)胞兩端逐漸呈尖狀。這些石細(xì)胞在6份以瑞香/結(jié)香屬植物為原料的單料紙和5份以瑞香/結(jié)香屬、瑞香狼毒草為原料的混料紙中都有發(fā)現(xiàn)，因此僅能確定瑞香/結(jié)香屬植物的韌皮纖維中肯定存在這種石細(xì)胞，但不排除瑞香狼毒草的根部纖維中也存在。

圖12 部分樣品中的石細(xì)胞Fig.12 Sclereid cells of some Gelung samples

此外，在82份紙張樣品中都觀察到了數(shù)量或多或少的顆粒狀物質(zhì)。通過比較單偏光和正交偏光下的顯微圖像，發(fā)現(xiàn)正交偏光下的顆粒狀物質(zhì)具有閃亮的外觀特征(圖13)，表明其是一種礦物質(zhì)。瑞香科植物中，有的植物內(nèi)的薄壁細(xì)胞含有草酸鈣簇晶[20]。運(yùn)用常規(guī)的普通光學(xué)顯微鏡來觀察該晶體時(shí)，在低倍鏡下由于體積小，常常容易被忽視或者與其他物質(zhì)相混淆，在高倍鏡下尋找又比較費(fèi)時(shí)、費(fèi)力[21]?，F(xiàn)有的一些研究已經(jīng)表明，用偏振光顯微鏡的正交偏光可以使植物中的草酸鈣晶體呈現(xiàn)出閃光的現(xiàn)象，其他大多數(shù)的組織則處于無光線的較暗狀態(tài)，導(dǎo)管、石細(xì)胞等雖然也呈現(xiàn)閃光，但它們的顏色一般較深、形狀也較大，由此可以比較快速地識(shí)別出該晶體[22-23]。因此，對(duì)于圖13中在正交偏光下呈黃色或彩色閃光、可見其形態(tài)輪廓的物質(zhì)(紅色箭頭處)，初步推斷其為瑞香/結(jié)香屬植物或瑞香狼毒草的纖維中含有的草酸鈣晶體，當(dāng)然也有可能是造紙過程中所添加的其他填料物質(zhì)，具體成分有待進(jìn)一步檢測(cè)確定。

圖13 10倍物鏡下Gelung 14中的晶體Fig.13 Crystals of Gelung 14 under the 10× objective lens

3 結(jié) 論

通過利用偏振光顯微鏡對(duì)一批木斯塘檔案所用紙張的原料進(jìn)行觀察與分析可知，偏光顯微技術(shù)能夠?yàn)闄n案所用紙張的纖維分析提供一種高效、便捷的觀察方法。這種方法的優(yōu)勢(shì)在于，通過調(diào)整偏振光的角度改變纖維的色反差，可以營(yíng)造出更好的立體感，有利于更加快速地區(qū)分纖維與紙漿中的其他細(xì)胞、晶體等，而且制樣時(shí)無需對(duì)纖維進(jìn)行染色處理，從而能幫助研究者更好地從檔案紙張纖維的外觀、纖維壁、內(nèi)腔等方面的特征出發(fā)來鑒別纖維的種類，可以作為目前常用的光學(xué)顯微鏡染色觀察法的一種有效的補(bǔ)充方式。此外，該方法在使用過程中制得的樣品可以重復(fù)使用和反復(fù)對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)，這也增加了實(shí)驗(yàn)操作的便利性和科學(xué)性。無需反復(fù)取樣的特點(diǎn)也使其在對(duì)檔案所用紙張進(jìn)行纖維分析時(shí)具有更大的優(yōu)勢(shì)。