文物檢測中用到的結構分析儀器及其分析方法

秦志芳

摘要：在進行文物保護時，需對文物樣品進行檢測，了解樣品的結構。本文對四種可用于文物樣品結構分析的檢測方法進行了概述，分別是X射線衍射法、紅外光譜法、拉曼光譜法及質譜法，從分析原理、儀器構造和樣品制備幾個方面進行了闡述。

關鍵詞：文物；檢測；結構分析

一、X射線衍射儀

（一）原理

1895年德國物理學家倫琴（W.K.Rontgen）在研究陰極射線時發現了一種未知的射線，由于對其本質和特性不了解，倫琴將其命名為X射線。X射線本質是電磁波，波長出于紫外線的上端，同物質相互作用后會發生反射、投射和衍射的現象。X射線衍射儀正是應用了X射線在晶體上發生衍射這一現象來表征晶體物相結構的。

（二）儀器構造

1.X射線發生器：提供測量所需的X射線。2.衍射測角儀：測定X射線的入射角。3.輻射探測器：檢測衍射強度，同時檢測衍射方向，通過儀器測量記錄系統可以得到多晶衍射圖譜數據。4.測量電路：將光信號轉換成電信號。5.控制操作與數據處理計算機系統：現代X射線衍射儀都附帶安裝有專用的計算機控制系統和衍射圖處理分析軟件系統，它們的特點是自動化和智能化。

（三）樣品制備

通常情況下進行X射線衍射測試時需要的樣品量比較大，一般為幾百毫克，樣品研磨至200目后，壓制在鋁質樣品框或玻璃板樣品槽中，放入衍射儀的樣品架上進行分析。但是，在進行文物分析時，如果取如此大量的樣品將對文物造成永久性的破壞。為此，采用一種單晶硅片樣品板，分析用量少，一般僅需幾毫克，適合微量文物樣品的分析。分析時，將樣品仔細放于單晶硅片中心，滴少量無水酒精，待酒精揮發后樣品就貼附于單晶硅片上。分析結束后，用小刀將樣品小心刮取長期保存。

二、紅外光譜儀

紅外光譜是鑒定化合物分子結構最有效的方法之一，廣泛應用于有機化合物的鑒定，也可應用于無機物分子結構的分析。

（一）原理

紅外光是0.5-1000ηm波長范圍內的電磁輻射。當紅外照射到分子時，分子會吸收特定頻率的紅外光，由較低的能級躍遷到較高的能級，當紅外光的振動頻率和分子中的振動頻率相同時紅外光被分子吸收，振動不相同時紅外光就不被吸收。因此，用連續頻率的紅外光照射樣品時，通過樣品的紅外光在一些區域較弱，在另一些區域較強，把分子吸收紅外光的情況記錄下來，就得到紅外光譜圖。紅外光譜是一種分子譜，也是一種電磁輻射譜，可以定性測定化合物的結構，同時也可以進行定量分析。

（二）儀器構造

1.紅外光源：理想的光源是能連續發射高強度紅外光的物體。自光源發射的紅外光，經過兩個凹面鏡，反射成兩束強度相等的光，分別通過樣品池和參比池到達斬光器。斬光器為具有兩個直角扇形的可旋轉的反射鏡，使測試光束和參比光束交替通過入射狹縫進入單色器。2.單色器：是紅外光譜儀的心臟，把復色的紅外光分為單色光。3.檢測、放大、記錄系統：把照射在檢測器上面的紅外光變為電信號，再經過放大器多級放大，整流后進入記錄儀。

（三）制樣

在進行紅外光譜測定時，樣品應該是單一組分的純物質，純度應大于98%，才便于與純物質的標準光譜進行對照。多組分的試樣應在測定前盡量進行分離提純，否則各組分光譜相互重疊，難于判斷。

固體樣品的制備：將KBr和樣品混合研磨，KBr和樣品的比例為100：1或50：1，研磨顆粒應盡量小。為了防止樣品潮濕情況下有水的紅外吸收峰，樣品研磨要在紅外燈下進行。置于模具中，在油壓機上壓成透明薄片。

液體樣品的制備：取少量KBr研磨，壓成薄片后，在表面均勻滴上一滴待測樣品。

三、拉曼光譜儀

近年來拉曼光譜發展迅速、應用廣泛，具有無損測量，靈敏度高，快速便捷等優點。可用于鑒定無機及有機物的分子結構。拉曼光譜常與紅外光譜共同使用，在有機結構分析中二者可以相互補充。

（一）原理

拉曼光譜是一種散射光譜，也是一種分子光譜。當用一束光照射分子時，在分子上會發生兩種散射。一種散射的頻率和光的入射頻率相同，這種散射叫做瑞利散射；另一種散射的頻率和入射頻率不同，這種散射叫做拉曼散射。

發生拉曼散射時，散射光的頻率可能大于也可能小于入射光的頻率。當 時，稱為拉曼散射的斯托克斯線，當 時，稱為拉曼散射的反斯托克斯線。 和 的差稱為拉曼位移。用不同頻率的光照射分子時，拉曼散射的頻率不同，但是激發頻率和散射頻率之間的差值卻相同，即拉曼位移相同。

（二）儀器構造

1.激光器：用激光作為光源具有譜線窄、亮度高、方向性強等優點，大大提高了測量精度，縮短了攝譜時間。2.外光路系統：在激光器之后、單色器之前，有一整套光線系統，稱為外光路系統，是為了分離出所需要的激光波長，最大限度地收集拉曼散射光。3.單色器：是把拉曼散射光分光并減弱雜散光。拉曼散射的譜線很弱，約為瑞利散射的10-6。很強的瑞利散射光及各種雜散光對拉曼譜線的檢測有很大影響，這就要求單色器的分辨率高而雜散光低。4.檢測、放大和記錄系統：經檢測和放大處理后的拉曼信號，推動外接的電位差計，記錄下清晰的拉曼光譜圖。

四、質譜儀

質譜法是有機化合物的一種有效分離分析方法，特別適用于有機質文物的定性、定量分析。它在文物材料分析中的應用十分廣泛，幾乎所有的文物材料都可應用質譜法進行分析。

（一）原理

質譜分析法是通過對樣品離子的質量和強度測定來進行物質材料成分和結構分析的一種方法。化合物分子在真空條件下受電子流的“轟擊”電離成離子，同時發生某些化學鍵有規律的斷裂，生成具有不同質量的帶正電荷的離子，這些離子按質荷比的大小被收集并記錄。

在質譜圖中，每個質譜峰表示一種質荷比的離子，質譜峰的強度表示該種離子的多少。所以，根據質譜峰的位置可進行定性分析，根據質譜峰的強度可進行定量分析。對于有機化合物的質譜，根據質譜峰的質荷比和相對強度，還可進行有機物結構分析。

（二）儀器構造

1.高真空系統：為避免離子與分子之間的碰撞，質譜計必須是在高真空條件下工作。2.進樣系統：固體和沸點較高的液體樣品可通過進樣推桿送入離子源并在其中加熱汽化，低沸點樣品在貯氣器中汽化后進入離子源，氣體樣品可經貯氣器進入離子源。3.離子源：離子源是樣品分子的離子化場所。4.質量分析器：在離子源中生成的并經加速電壓加速后的各種離子在質量分析器中按其質荷比的大小進行分離并加以聚焦。5.檢測、記錄系統：不同質荷比的離子束，按大小先后通過出口狹縫，到達收集器，它們的信號經放大后用記錄儀記錄在感光紙上或送入數據處理系統，由計算機處理以獲得各種處理結果。endprint