红外光谱与木质文物
2021年11月1日 信息来源:李梅英 目前浏览:862次


一、红外吸收光谱的历史

太阳光透过三棱镜时,能够分解成红、橙、黄、绿、蓝、紫的光谱带。1800年,发现在红光的外面,温度会升高。这样就发现了具有热效应的红外线。红外线和可见光一样,具有反射、色散、衍射、干涉、偏振等性质;它的传播速度和可见光一样,只是波长不同,是电磁波总谱中的一部分,波长范围在0.7微米到大约1000微米左右。红外区又可进一步划分为近红外区(0.7到2微米),基频红外区(也称指纹区,2至25微米)和远红外区(25微米至1000微米)。


图一  红外线波长范围


1881年以后,人们发现了物质对不同波长的红外线具有不同程度的吸收。二十世纪初,测量了各种无机物和有机物对红外辐射的吸收情况,并提出了物质吸收的辐射波长与化学结构的关系,逐渐积累了大量的资料。与此同时,分子的振动-转动光谱的研究逐步深入,确立了物质分子对红外光吸收的基本理论,为红外光谱学奠定了基础。1940年以后,红外光谱成为化学和物理研究的重要工具,尤其是当干涉仪、计算机、激光光源和红外光谱相结合之后,诞生了计算机-红外分光光度计、傅里叶红外光谱仪和激光红外光谱仪,开创了崭新的红外光谱领域,促进了红外理论的发展和红外光谱的应用。


图二  我所购置的红外光谱仪


二、红外吸收的本质

物质处于不停的运动状态之中,分子经光照射后,就吸收了光能,运动状态从基态跃迁到高能态的激发态。分子的运动能量是量子化的,它不能占有任意的能量。正如图2所示,只有能量等于分子动能的两种能量级之差的光子才能被吸收,大于或小于都不能被吸收。红外光源的照射,可以引起分子转动、振动能级的跃迁,又称为振-转光谱。分子的振动、转动与分子结构息息相关,因此,检测物质的红外光谱可以得到分子结构信息。


图三  分子振动-转动光谱能级示意图


如果分子由n个原子组成,理论上能观察到3n-6个谱带(直线形分子3n-5个),但实际观察中由于合频、泛频、差频以及其它各种因素,使得谱带数目增加或减少。对于一个中等分子量的有机物,可观察到的谱带数目约有5-30个。其中,每个谱带对应着某种化学键或者某种官能团结构,辨识出一张红外光谱图中所有的谱带信息,即可确定对应物质的分子结构。同时,不同化合物的同一基团的红外吸收谱带总是出现在某一特定范围之内,称为特征吸收峰。对于结构已知的物质,则可以通过研究特征吸收峰的变化来了解物质的结构变化。

三、红外光谱与木质文物

木材主要由纤维素、半纤维素和木质素组成,其红外光谱特征吸收峰的研究已经比较成熟。在木质文物的研究上,红外光谱法具有不可替代的作用。举例来说,对比新木(图4)和古木(图5)的红外光谱图,可以看到谱峰发生了明显的变化。与新木相比,古木中的纤维素和半纤维素的特征吸收峰明显减弱,而木质素的特征吸收峰显著增强。这是由于,木材的三种主要成分中,纤维素和半纤维素更容易发生降解,而木质素的化学性质相对稳定,因此,当古木中的纤维素和半纤维素降解流失后,木质素的相对含量升高,从而造成了古木的红外光谱图中木质素的特征吸收峰强度增强的现象。可以看出,红外光谱对木质文物成分的变化十分敏感,同时还具有取样量少、样品处理简单、测试快捷的优点,因此,红外光谱在木质文物保护和研究中得到了十分广泛的应用。


图四  新木的红外光谱图


图五  古木的红外光谱图

主办单位:湖南省文物考古研究所 地址:湖南省长沙市东风2村巷18号 邮箱:hnkgs0731@126.com  湘ICP备08104019号-1