紅外光譜技術(shù)在館藏絲絹文物照明損傷度評價中的應(yīng)用

黨 睿, 高子昂, 張 彤, 王佳星

天津大學(xué)建筑學(xué)院, 天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點實驗室, 天津 300072

引 言

絲絹是東亞地區(qū)古代繪畫、 書籍、 衣物等文物中最常用的材料[1], 其作為最高光敏感等級的藏品極易在博物館光源輻射下產(chǎn)生光損傷[2]。 造成絲絹光損傷的參數(shù)有三種: 光源的光譜功率分布(SPD)、 曝光量Q(照射強度和照射時間的乘積)和絲絹對光子能量的響應(yīng)特性[3]。 鹵素?zé)簟?鈉燈、 熒光燈和LED等光源即因光譜能量差異對絲絹有不同的照明損傷度[4], 因此, 揭示SPD、Q、 材料特性耦合作用下的光損傷規(guī)律并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型, 是對絲絹文物進行有效照明保護的基礎(chǔ)。 光照老化實驗是進行文物照明損傷研究的國際通行方法[5], 其中損傷評價參數(shù)的選取和分析是關(guān)鍵。 色差是一種用于評價文物色彩損傷的有效方法[6], Dang等[3]便基于該法建立了中國書畫顏料的色彩損傷模型。 但色差卻不能評價文物的機械損傷, 而機械損傷恰恰是絲絹文物最主要的光化學(xué)損傷形式。 文物的色彩損傷和機械損傷在本質(zhì)上都是因為內(nèi)部的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變, 因此從微觀上評價絲絹的光致?lián)p傷才是解決問題的根本途徑。

絲心蛋白中發(fā)生肽鍵的斷裂和結(jié)構(gòu)域的轉(zhuǎn)化是絲絹文物光致?lián)p傷的微觀機理, 其中肽鍵的斷裂可以通過高度感光的酪氨酸來評估[7], 結(jié)構(gòu)域的轉(zhuǎn)化可以通過結(jié)晶度來評估[8]。 在測取珍貴絲絹文物的微觀變化時, 無損的光譜分析法明顯優(yōu)于氨基酸水解等破壞性分析方法[9]。 相較于拉曼光譜信號易受到絲絹熒光效應(yīng)的干擾[10], 傅里葉變換紅外(FTIR)光譜法則更適合測取絲絹文物的微觀變化。 因此, 從光老化絲絹樣品的FTIR光譜中找到表征酪氨酸和結(jié)晶度的特征信號, 并驗證兩者是否適合表征絲絹文物的照明損傷是解決問題的關(guān)鍵。 Barth[11]首先發(fā)現(xiàn)了絲絹FTIR光譜中表征酪氨酸的特征峰, Shao等[12-13]則不僅提出了基于絲絹FTIR光譜計算酪氨酸含量的方法, 也證實了酪氨酸能夠表征紫外光對于絲心蛋白表面性質(zhì)的影響。 Takayuki等[14]發(fā)現(xiàn)了絲絹FTIR光譜中表征結(jié)晶度的特征峰, Shao等[12]也提出了基于絲絹FTIR光譜計算結(jié)晶度的峰面積公式, Li等[15]則證實了結(jié)晶度能夠表征紫外光對于絲心蛋白結(jié)構(gòu)域轉(zhuǎn)化的影響。 上述研究表明酪氨酸和結(jié)晶度均是衡量絲絹微觀結(jié)構(gòu)變化的有效方法, 能夠有效表征紫外光對于絲心蛋白結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響, 但是紫外光卻對文物照明沒有貢獻。 實現(xiàn)絲絹文物有效照明保護的關(guān)鍵是得到可見光對于絲心蛋白的影響規(guī)律, 但是酪氨酸和結(jié)晶度是否能夠有效表征絲絹文物對于可見光波長λ和曝光量Q的響應(yīng)特性目前仍有待明確。

本研究擬通過窄帶光源輻照實驗和絲絹樣品的FTIR光譜分析從酪氨酸指數(shù)TFTIR和結(jié)晶度指數(shù)CFTIR中找出更適于評價絲絹照明損傷的方法, 并據(jù)此確定絲絹的光照響應(yīng)度函數(shù), 最終提出并驗證絲絹文物的照明損傷度模型, 技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線Fig.1 Technical route

1 實驗部分

1.1 儀器與參數(shù)

實驗在置放于全暗光學(xué)實驗室的特殊照明實驗箱中進行。 箱內(nèi)的溫度、 相對濕度和通風(fēng)率通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)分別保持在(23±0.5) ℃、 50%和0.5 d-1, 以達到絲綢保存的最佳條件[3]。 實驗箱通過移動分區(qū)系統(tǒng)劃分成10個獨立空間以避免組間干擾。 各空間的內(nèi)壁均貼有黑色天鵝絨以避免樣品反射光的干擾。 選取基于Luxeon C顏色系統(tǒng)的LED芯片制作十種主波長的窄帶光源用于實驗以研究波長λ的影響, 各光源的波譜如圖2所示。

圖2 十種窄帶光源的波譜Fig.2 Spectral curves of ten types of narrow-band light sources

各獨立空間的頂部均裝有一種實驗光源, 并通過調(diào)節(jié)光源的功率輸出將樣品盛放處的輻照度控制在10 W·m-2, 以達到絲絹樣品預(yù)期的照明損傷效果[3]。 在整個實驗過程中, 使用分光輻射計(PR 670)對實驗光源進行監(jiān)測, 以確保沒有發(fā)生衰減。 各光源正下方均裝有自動轉(zhuǎn)盤用于盛放一組樣品, 實驗時轉(zhuǎn)盤在平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)以確保樣品表面的輻照均勻度。

1.2 樣品

選用19世紀末經(jīng)脫膠處理的平紋未染色桑蠶絲絹材料制作實驗樣品。 首先, 將絲絹在陰涼處晾干后, 使之正面朝下; 然后, 用寬毛刷蘸水均勻地倒掃絲絹背面; 接著, 將絲絹鋪平在畫板上并置于陰涼處直至晾干; 最后, 從絲絹上切下11組1 cm×1 cm的正方形材料作為標準實驗樣品。 其中10組樣品用于窄帶光輻照實驗, 1組樣品用于照明損傷度模型的驗證實驗。 各標準樣品均標記有三個與紅外光譜儀ATR附件測試壓頭大小相近的測試點, 測試時對每個標記點進行測量以供后續(xù)分析。

1.3 方法

實驗分為10個照射組同時進行, 每個輻照周期定為240 h(Q=2 400 W·h·m-2), 共設(shè)置六個輻照周期(記為t1-t6), 其中無曝光的初始狀態(tài)記為t0。 使用由金剛石制成的衰減全反射(ATR)晶體在反射模式下對樣品各輻照周期的標記點進行測量, 所使用的FTIR光譜儀型號為BRUKER Invenior R, 光譜分辨率為4 cm-1, 波數(shù)測試范圍為4 000～400 cm-1, 樣品掃描頻率為32次。 實驗過程如圖3所示。

圖3 十種窄帶光源的輻照實驗Fig.3 Irradiation experiment of 10 types of narrow-band light sources

1.4 評價參數(shù)

以高感光性酪氨酸為主的絲心蛋白側(cè)鏈氨基酸在可見光照射下會從主鏈上被切斷。 研究表明: 1 160 cm-1處信號可以反映絲聚合物上酪氨酸殘基中酚基的振動吸收, 1 621 cm-1處相對穩(wěn)定的酰胺Ⅰ帶信號可以作為內(nèi)標峰[12], 兩處信號的峰強比能夠表示酪氨酸的相對含量[12]。 故定義酪氨酸指數(shù)TFTIR如式(1)所示。

TFTIR=I1 160/I1 621

(1)

式(1)中,I1 160和I1 621分別代表1 160和1 621 cm-1處信號的吸收峰強度。TFTIR下降說明絲心蛋白的肽鏈斷裂加劇, 絲絹文物的照明損傷程度加重。

表1 TFTIR和Q的相關(guān)性分析結(jié)果Table 1 Results of the correlation analysis between TFTIR and Q

結(jié)晶區(qū)是維持絲纖維形態(tài)的最重要結(jié)構(gòu), 起著剛性和定向增強的作用, 而非結(jié)晶區(qū)起著柔軟、 柔韌的基體作用[15]。

兩個區(qū)域的降解均可通過結(jié)晶度來反映, 研究表明: 1 263和1 230 cm-1處的信號分別與β-折疊構(gòu)象和無規(guī)卷曲構(gòu)象有關(guān), 兩處信號的峰面積比可用于定量分析絲心蛋白的結(jié)晶度[12]。 故定義結(jié)晶度指數(shù)CFTIR如式(2)所示。

CFTIR=A1 263/(A1 230+A1 263)

(2)

式(2)中,A1 230和A1 263分別代表1 230和1 263 cm-1處信號的吸收峰面積。CFTIR上升說明無規(guī)卷曲構(gòu)象的降解速率快于β-折疊構(gòu)象, 降解主要發(fā)生在非結(jié)晶區(qū), 意味著絲絹壓力傳導(dǎo)和緩沖能力的減弱;CFTIR下降說明β-折疊構(gòu)象的降解速率快于無規(guī)卷曲構(gòu)象, 降解主要發(fā)生在結(jié)晶區(qū), 意味著絲絹承載能力的減弱。

2 結(jié)果與討論

2.1 酪氨酸指數(shù)

首先, 讀取樣品的紅外光譜數(shù)據(jù); 然后, 對數(shù)據(jù)進行自動基線校正; 接著, 分別讀取1 160和1 621 cm-1處信號的吸收峰強度; 最后, 使用式(1)計算各輻照組樣品t0-t6周期的TFTIR如圖4所示。

圖4 各輻照組絲絹從t0至t6的TFTIRFig.4 Silk TFTIR from t0 to t6 in each irradiation group

在圖4中, 各輻照組樣品的TFTIR測試誤差均在合理區(qū)間, 且隨測試周期的增加呈現(xiàn)出振蕩的趨勢。 上述結(jié)果表明, 可見光的照射不會使絲絹的TFTIR單調(diào)下降, 這與光照通過加劇肽鏈斷裂致使TFTIR下降, 從而加重絲絹照明損傷程度的基本事實不符。 進一步對各輻照組樣品的TFTIR和Q進行相關(guān)性分析如表1所示。

表1中, 除595 nm輻照組外(Sig<0.05), 其余輻照組中Q對TFTIR均無顯著影響(Sig>0.05)。 上述結(jié)果表明, 在可見光的照射下, 絲絹的TFTIR與Q沒有顯著相關(guān)關(guān)系, 說明TFTIR不適合表征Q對絲心蛋白的影響。

2.2 結(jié)晶度指數(shù)

首先, 讀取樣品的紅外光譜數(shù)據(jù); 然后, 在最小常數(shù)基線模式下自動減去基線; 接著, 從中分離出1 230和1 263 cm-1兩處特征峰并進行峰擬合; 最后, 從擬合結(jié)果中提取A1 230和A1 263并使用式(2)計算各輻照組樣品t0-t6周期的CFTIR如圖5所示。

圖5 各輻照組絲絹從t0至t6的CFTIRFig.5 Silk CFTIR from t0 to t6 in each irradiation group

在圖5中, 各輻照組樣品的CFTIR測試誤差均在合理區(qū)間, 且隨測試周期的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。 上述結(jié)果表明, 絲心蛋白的非結(jié)晶區(qū)在可見光的照射下會首先發(fā)生降解, 且其中無規(guī)卷曲構(gòu)象的降解速率快于β-折疊構(gòu)象; 從而導(dǎo)致絲絹緩沖能力的下降和CFTIR的上升。 在可見光的進一步作用下, 絲心蛋白非結(jié)晶區(qū)的降解速率逐漸趨緩, 結(jié)晶區(qū)伴隨著β-折疊構(gòu)象的破壞逐步開始降解, 從而導(dǎo)致絲絹承載能力和CFTIR的下降。 同時不同波段的可見光對于絲絹CFTIR的影響有一定的差異性: 例如, 447 nm輻照組樣品的CFTIR在降解的前中期穩(wěn)定不變, 說明近紫外光會以相似的速率同時降解絲心蛋白的結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū); 隨后樣品的CFTIR快速下降, 說明此時非結(jié)晶區(qū)的無規(guī)卷曲構(gòu)象基本降解完成, 而結(jié)晶區(qū)的β-折疊構(gòu)象仍在快速降解; 接著樣品的CFTIR在穩(wěn)定了一個周期后繼續(xù)下降, 說明結(jié)晶區(qū)的β-折疊構(gòu)象在突破瓶頸期后繼續(xù)降解直至穩(wěn)定。 而733 nm輻照組樣品的CFTIR在整個老化過程中以近似線性的趨勢緩慢下降直至穩(wěn)定, 說明近紅外光會以較慢的速率降解絲心蛋白的結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū), 且結(jié)晶區(qū)的β-折疊構(gòu)象的降解速率要快于非結(jié)晶區(qū)的無規(guī)卷曲構(gòu)象。 上述結(jié)果表明, 絲絹文物的照明損傷規(guī)律較為復(fù)雜, 其損傷程度不僅與光子能量有關(guān), 還與材料對各能量光子的吸收特性有關(guān); 而本質(zhì)上是與絲絹的光照響應(yīng)度有關(guān)。 由上述分析可知,CFTIR具有表征在不同波段可見光的作用下絲絹材料的Q響應(yīng)特性的潛力。 進而對各輻照組樣品的CFTIR和Q進行相關(guān)性分析如表2所示。

表2 CFTIR和Q的相關(guān)性分析結(jié)果Table 2 Results of the correlation analysis between CFTIR and Q

由表2可知, 在各輻照組中Q對CFTIR均有顯著影響(Sig<0.01)且相關(guān)性很強(|Pearson|>0.9), 證實了CFTIR表征絲絹材料對于Q響應(yīng)特性的有效性。 進一步對兩者進行線性回歸分析以獲取Q對CFTIR的解釋模型, 如表3所示。

表3 CFTIR和Q的線性回歸分析結(jié)果Table 3 Results of the linear regression analysis between CFTIR and Q

由表3可知, 在各輻照組中Q均可以有效預(yù)測CFTIR(Sig<0.05), 表明Q具備建立CFTIR解釋性模型的能力。 但依據(jù)圖5中的數(shù)據(jù)規(guī)律和表3中541和595 nm輻照組的分析結(jié)果(R2<0.8), 說明兩者間并不適合建立線性回歸模型。 進一步分析表3中各輻照組的斜率K可知, 可見光波長λ對CFTIR的影響有差異但沒有突變, 表明CFTIR也具有表征絲絹材料對于λ響應(yīng)特性的潛力。 因此, 基于CFTIR的絲絹光照響應(yīng)度函數(shù)可記為f(λ,Q)。

2.3 絲絹的光照響應(yīng)度函數(shù)

絲絹的照明損傷度由照明參數(shù)和材料特性共同決定: 其中照明參數(shù)包括光源的SPD和Q, 材料特性指絲絹的光照響應(yīng)度函數(shù)f(λ,Q)。 因此, 絲絹在可見光照射下的照明損傷度模型可定義為式(3)。

(3)

式(3)中,D為照明損傷度,S(λ)為照明光源的SPD,f(λ,Q)為反映λ和Q耦合影響的光照響應(yīng)度函數(shù)。 由于S(λ)可通過專業(yè)設(shè)備測取, 所以準確計算D的關(guān)鍵是確定f(λ,Q)的數(shù)學(xué)表達式。 基于2.2節(jié)的分析結(jié)論, 對圖5中的實驗數(shù)據(jù)進行多項式擬合可得到f(λ,Q)的數(shù)學(xué)表達式如式(4)所示。

f(λ,Q)=0.361 7-0.001 21Q-3.657×10-5λ+2.832×10-6Q2+1.757×10-7Qλ-3.801×10-9λ2-2.015×10-9Q3-1.857×10-10Q2λ+2.907×10-12Qλ2+8.234×10-14λ3

(4)

式(4)的多項式擬合評價參數(shù)為: 確定性系數(shù)R2=0.834 3, 誤差平方和SSE=0.059 3, 均方根誤差RMSE=0.031 4; 符合R2>0.8且SSE和RMSE趨于0的條件, 表明式(4)具有良好的解釋性。 進一步以可見光波長λ為X軸,Q為Y軸, 對基于CFTIR的絲絹光照響應(yīng)度函數(shù)f(λ,Q)進行可視化, 如圖6所示。

圖6 基于CFTIR的絲絹光照響應(yīng)度函數(shù)f(λ, Q)Fig.6 Light responsivity function f(λ, Q) of silk based on CFTIR

2.4 照明損傷度模型的驗證

選取典型展陳照明光源L(參數(shù)如圖7所示)對絲絹文物的照明損傷度模型進行驗證, 實驗裝置和條件與第1章的輻照實驗相同。 使用光源L照射一組新的標準樣品, 樣品表面的輻照度仍設(shè)為10 W·m-2, 共設(shè)置6個輻照周期, 每個周期為48 h(Q=480 W·h·m-2)。 使用FTIR光譜儀測取各輻照周期樣品的光譜數(shù)據(jù), 并按照2.2節(jié)的方法得到樣品的CFTIR測量值; 進一步將光源L的SPD和各輻照周期的Q代入式(3), 可以得到樣品的CFTIR計算值。 各輻照周期樣品的CFTIR測量值和計算值如圖8所示, 進一步通過配對樣本T檢驗對兩者間的差異關(guān)系進行定量分析如表4所示。

表4 CFTIR的配對樣本T檢驗和相對誤差分析結(jié)果Table 4 Results of the paired sample T test and relative error analysis of CFTIR

圖7 驗證實驗的照明光源Fig.7 Light source for verification experiment

圖8 絲絹的CFTIR計算值和測量值Fig.8 Calculated and measured values of silk CFTIR

由表4可知,CFTIR測量值和計算值間沒有顯著差異(Sig>0.05), 說明上述照明損傷度模型能夠準確計算絲絹文物的照明損傷度。

3 結(jié) 論

經(jīng)過十種窄帶光源的長周期輻照實驗, 絲絹樣品的紅外光譜發(fā)生了明顯的變化。 其中, 基于式(1)計算的絲絹TFTIR隨Q的增加呈現(xiàn)出振蕩的趨勢, 說明光照不會持續(xù)破壞肽鏈上高感光性的酪氨酸從而導(dǎo)致TFTIR單調(diào)下降, 這與光照會持續(xù)加重絲絹損傷程度的基本事實不符; 同時TFTIR和Q的相關(guān)性分析結(jié)果也表明兩者間無顯著相關(guān)關(guān)系, 說明TFTIR不適合表征絲絹的光照響應(yīng)度。 基于式(2)計算的絲絹CFTIR隨Q的增加呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢, 說明光照會首先破壞主要位于非結(jié)晶區(qū)的無規(guī)卷曲構(gòu)象, 進而破壞主要位于結(jié)晶區(qū)的β-折疊構(gòu)象, 這與無規(guī)卷曲構(gòu)象相較β-折疊構(gòu)象更易光降解的基本事實相符; 同時CFTIR和Q的相關(guān)性分析結(jié)果也表明兩者間具有顯著相關(guān)關(guān)系, 說明CFTIR能夠表征絲絹材料對于Q的響應(yīng)特性。 通過進一步分析發(fā)現(xiàn)CFTIR與Q線性回歸模型的斜率值有差異但沒有突變, 表明CFTIR具有表征絲絹材料對于λ響應(yīng)特性的潛力, 故通過多項式擬合得到基于CFTIR的絲絹光照響應(yīng)度函數(shù)f(λ,Q), 其擬合評價參數(shù)表明式(4)具有良好的解釋性。 最終選取典型展陳照明光源L對2.3節(jié)提出的照明損傷度模型進行驗證, 通過對絲絹樣品各輻照周期CFTIR測量值和計算值的配對樣本T檢驗發(fā)現(xiàn)兩者沒有顯著差異, 說明式(3)能夠準確計算絲絹文物的照明損傷度。 該研究基于FTIR光譜提出了一種非破壞性的絲絹文物照明損傷評價指標CFTIR, 并通過對窄帶光源輻照實驗結(jié)果的數(shù)據(jù)分析證實了該指標的有效性。 進而通過多項式擬合獲得了基于CFTIR的絲絹光照響應(yīng)度函數(shù)f(λ,Q)的確切表達式, 最終建立了絲絹文物的照明損傷度模型并通過典型展陳照明光源的輻照實驗驗證了該模型的準確性, 從而實現(xiàn)了絲絹文物照明損傷度的準確計算。 也為館藏絲絹文物的照明損傷評價、 光源損傷判定和照明標準制定提供有效的幫助。