紅外光譜技術(shù)在館藏絲絹文物照明損傷度評(píng)價(jià)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jí)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(qiáng)度和照射時(shí)間的乘積)和絲絹對(duì)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(duì)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(duì)絲絹文物進(jìn)行有效照明保護(hù)的基礎(chǔ)。 光照老化實(shí)驗(yàn)是進(jìn)行文物照明損傷研究的國際通行方法[5], 其中損傷評(píng)價(jià)參數(shù)的選取和分析是關(guān)鍵。 色差是一種用于評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)文物的機(jī)械損傷, 而機(jī)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(jī)械損傷在本質(zhì)上都是因?yàn)閮?nèi)部的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變, 因此從微觀上評(píng)價(jià)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(jī)理, 其中肽鍵的斷裂可以通過高度感光的酪氨酸來評(píng)估[7], 結(jié)構(gòu)域的轉(zhuǎn)化可以通過結(jié)晶度來評(píng)估[8]。 在測(cè)取珍貴絲絹文物的微觀變化時(shí), 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(hào)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(cè)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(hào), 并驗(yàn)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(jì)算酪氨酸含量的方法, 也證實(shí)了酪氨酸能夠表征紫外光對(duì)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(jì)算結(jié)晶度的峰面積公式, Li等[15]則證實(shí)了結(jié)晶度能夠表征紫外光對(duì)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(duì)于絲心蛋白結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響, 但是紫外光卻對(duì)文物照明沒有貢獻(xiàn)。 實(shí)現(xiàn)絲絹文物有效照明保護(hù)的關(guān)鍵是得到可見光對(duì)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(duì)于可見光波長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)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(píng)價(jià)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(yàn)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(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與參數(shù)

實(shí)驗(yàn)在置放于全暗光學(xué)實(shí)驗(yàn)室的特殊照明實(shí)驗(yàn)箱中進(jìn)行。 箱內(nèi)的溫度、 相對(duì)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(dá)到絲綢保存的最佳條件[3]。 實(shí)驗(yàn)箱通過移動(dòng)分區(qū)系統(tǒng)劃分成10個(gè)獨(dú)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(zhǎng)的窄帶光源用于實(shí)驗(yàn)以研究波長(zhǎng)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(dú)立空間的頂部均裝有一種實(shí)驗(yàn)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(dá)到絲絹樣品預(yù)期的照明損傷效果[3]。 在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中, 使用分光輻射計(jì)(PR 670)對(duì)實(shí)驗(yàn)光源進(jìn)行監(jiān)測(cè), 以確保沒有發(fā)生衰減。 各光源正下方均裝有自動(dòng)轉(zhuǎn)盤用于盛放一組樣品, 實(shí)驗(yàn)時(shí)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(jì)末經(jīng)脫膠處理的平紋未染色桑蠶絲絹材料制作實(shí)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)樣品。 其中10組樣品用于窄帶光輻照實(shí)驗(yàn), 1組樣品用于照明損傷度模型的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。 各標(biāo)準(zhǔn)樣品均標(biāo)記有三個(gè)與紅外光譜儀ATR附件測(cè)試壓頭大小相近的測(cè)試點(diǎn), 測(cè)試時(shí)對(duì)每個(gè)標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量以供后續(xù)分析。

1.3 方法

實(shí)驗(yàn)分為10個(gè)照射組同時(shí)進(jìn)行, 每個(gè)輻照周期定為240 h(Q=2 400 W·h·m-2), 共設(shè)置六個(gè)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(duì)樣品各輻照周期的標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量, 所使用的FTIR光譜儀型號(hào)為BRUKER Invenior R, 光譜分辨率為4 cm-1, 波數(shù)測(cè)試范圍為4 000～400 cm-1, 樣品掃描頻率為32次。 實(shí)驗(yàn)過程如圖3所示。

圖3 十種窄帶光源的輻照實(shí)驗(yàn)Fig.3 Irradiation experiment of 10 types of narrow-band light sources

1.4 評(píng)價(jià)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(huì)從主鏈上被切斷。 研究表明: 1 160 cm-1處信號(hào)可以反映絲聚合物上酪氨酸殘基中酚基的振動(dòng)吸收, 1 621 cm-1處相對(duì)穩(wěn)定的酰胺Ⅰ帶信號(hào)可以作為內(nèi)標(biāo)峰[12], 兩處信號(hào)的峰強(qiáng)比能夠表示酪氨酸的相對(duì)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(hào)的吸收峰強(qiáng)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(qiáng)的作用, 而非結(jié)晶區(qū)起著柔軟、 柔韌的基體作用[15]。

兩個(gè)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(hào)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(hào)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(hào)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)基線校正; 接著, 分別讀取1 160和1 621 cm-1處信號(hào)的吸收峰強(qiáng)度; 最后, 使用式(1)計(jì)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(cè)試誤差均在合理區(qū)間, 且隨測(cè)試周期的增加呈現(xiàn)出振蕩的趨勢(shì)。 上述結(jié)果表明, 可見光的照射不會(huì)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(shí)不符。 進(jìn)一步對(duì)各輻照組樣品的TFTIR和Q進(jìn)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(duì)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(duì)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(dòng)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(jìn)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(jì)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(cè)試誤差均在合理區(qū)間, 且隨測(cè)試周期的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。 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(huì)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(jìn)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(shí)不同波段的可見光對(duì)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(huì)以相似的速率同時(shí)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(shí)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(gè)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(gè)老化過程中以近似線性的趨勢(shì)緩慢下降直至穩(wěn)定, 說明近紅外光會(huì)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(duì)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(jìn)而對(duì)各輻照組樣品的CFTIR和Q進(jìn)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(duì)CFTIR均有顯著影響(Sig<0.01)且相關(guān)性很強(qiáng)(|Pearson|>0.9), 證實(shí)了CFTIR表征絲絹材料對(duì)于Q響應(yīng)特性的有效性。 進(jìn)一步對(duì)兩者進(jìn)行線性回歸分析以獲取Q對(duì)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(cè)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(jìn)一步分析表3中各輻照組的斜率K可知, 可見光波長(zhǎng)λ對(duì)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(duì)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(cè)取, 所以準(zhǔn)確計(jì)算D的關(guān)鍵是確定f(λ,Q)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。 基于2.2節(jié)的分析結(jié)論, 對(duì)圖5中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合可得到f(λ,Q)的數(shù)學(xué)表達(dá)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(xiàng)式擬合評(píng)價(jià)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(jìn)一步以可見光波長(zhǎng)λ為X軸,Q為Y軸, 對(duì)基于CFTIR的絲絹光照響應(yīng)度函數(shù)f(λ,Q)進(jìn)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(yàn)證

選取典型展陳照明光源L(參數(shù)如圖7所示)對(duì)絲絹文物的照明損傷度模型進(jìn)行驗(yàn)證, 實(shí)驗(yàn)裝置和條件與第1章的輻照實(shí)驗(yàn)相同。 使用光源L照射一組新的標(biāo)準(zhǔn)樣品, 樣品表面的輻照度仍設(shè)為10 W·m-2, 共設(shè)置6個(gè)輻照周期, 每個(gè)周期為48 h(Q=480 W·h·m-2)。 使用FTIR光譜儀測(cè)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(cè)量值; 進(jìn)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(jì)算值。 各輻照周期樣品的CFTIR測(cè)量值和計(jì)算值如圖8所示, 進(jìn)一步通過配對(duì)樣本T檢驗(yàn)對(duì)兩者間的差異關(guān)系進(jìn)行定量分析如表4所示。

表4 CFTIR的配對(duì)樣本T檢驗(yàn)和相對(duì)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(yàn)證實(shí)驗(yàn)的照明光源Fig.7 Light source for verification experiment

圖8 絲絹的CFTIR計(jì)算值和測(cè)量值Fig.8 Calculated and measured values of silk CFTIR

由表4可知,CFTIR測(cè)量值和計(jì)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(zhǔn)確計(jì)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(zhǎng)周期輻照實(shí)驗(yàn), 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(jì)算的絲絹TFTIR隨Q的增加呈現(xiàn)出振蕩的趨勢(shì), 說明光照不會(huì)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(huì)持續(xù)加重絲絹損傷程度的基本事實(shí)不符; 同時(shí)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(jì)算的絲絹CFTIR隨Q的增加呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì), 說明光照會(huì)首先破壞主要位于非結(jié)晶區(qū)的無規(guī)卷曲構(gòu)象, 進(jìn)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(shí)相符; 同時(shí)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(duì)于Q的響應(yīng)特性。 通過進(jìn)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(duì)于λ響應(yīng)特性的潛力, 故通過多項(xiàng)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(píng)價(jià)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(duì)2.3節(jié)提出的照明損傷度模型進(jìn)行驗(yàn)證, 通過對(duì)絲絹樣品各輻照周期CFTIR測(cè)量值和計(jì)算值的配對(duì)樣本T檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)兩者沒有顯著差異, 說明式(3)能夠準(zhǔn)確計(jì)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(píng)價(jià)指標(biāo)CFTIR, 并通過對(duì)窄帶光源輻照實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)分析證實(shí)了該指標(biāo)的有效性。 進(jìn)而通過多項(xiàng)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(dá)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性, 從而實(shí)現(xiàn)了絲絹文物照明損傷度的準(zhǔn)確計(jì)算。 也為館藏絲絹文物的照明損傷評(píng)價(jià)、 光源損傷判定和照明標(biāo)準(zhǔn)制定提供有效的幫助。