偏振光顯微鏡在木斯塘檔案紙張纖維檢測中的運用

蔡夢玲

(中國人民大學，北京 100872)

0 引 言

紙質檔案作為一部分收藏在檔案館中、一部分散存于民間的數量最為龐大、內容價值最為豐富的一類現存歷史檔案，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，因此對作為載體材料的紙張的分析研究，一直受到極大的關注。隨著近年來無損或微損檢測技術的發展與應用，對紙質檔案所用紙張的種類和老化情況的分析，已經越來越多地被運用于對紙質檔案的真偽鑒定和為紙質檔案科學地選配修復用紙、其他修復材料及進行適宜的修復操作中。

從現代檢測分析技術的發展來看，目前主要用于紙張原料分析的方法是顯微觀察法，所用的儀器主要包括傳統光學顯微鏡、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顯微鏡搭配專業的圖像分析軟件，對造紙纖維進行染色觀察、拍照和對纖維的長度、寬度、配比等進行定量測定。然而，利用光學顯微鏡在圖像分析軟件中所呈現出的一般為平面效果的紙張纖維，而且纖維染色觀察法對染色劑的質量有很強的依賴性，纖維染色后呈現的顏色會在很大程度上影響對纖維種類的判斷，不利于從纖維本身的形態角度做出鑒別。偏光顯微法則提供了一種無需對纖維進行染色處理的方法。因為利用該方法觀察紙張纖維形態時，偏振光顯微鏡可以通過雙光干涉使纖維結構的扭曲性轉換為彩色干涉條紋的變化，隨著偏振角度的變化，纖維的色彩會更加豐富，色反差會提高，并表現出很強的立體感[1]。本研究通過闡述偏振光顯微鏡在紙張檢測分析中的應用現狀，并利用偏振光顯微鏡對尼泊爾的木斯塘地區的一批檔案所用紙張的纖維形態和其他成分進行觀察，說明偏光顯微法運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分析中的研究現狀

偏振光顯微鏡對物體的檢測依賴于這些物體的材質，根據不同材料微粒的物理特征和光學特征，可以區別判斷不同材質的成分，該方法被廣泛用于對礦物的鑒別[2]。由于偏光顯微法所需的儀器價格低廉，測試需要的樣品量極小，而且分析速度快，因此在我國的文物保護領域，主要被用于對壁畫[3-4]、器物[5-6]、唐卡[7]等表面礦物顏料的晶體形態、折射率、消光性等特征的觀察與測試，并且經常與拉曼光譜技術及其他檢測分析技術配合使用，以分析顏料的成分信息。

從國內現有的研究來看，偏振光顯微鏡在紙張纖維鑒定方面的應用較少。黃群等[1]提出利用偏振光顯微鏡觀察紙張纖維時，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定的，由此可以通過比對來鑒定紙張的成分，確定紙張的產地和來源；郭金龍等[8]利用偏光顯微鏡對新疆維吾爾自治區博物館于2009年征集到的紙質文書中的5件文物進行了觀察，發現其中1件樣品的紙漿中存在很多呈十字消光特性的淀粉粒，并且大多邊緣已經模糊，推斷在造紙過程中進行了淀粉施膠；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屏風的紙張中，經偏光顯微鏡觀察到了呈十字消光特性的淀粉粒，由此判斷這兩張紙在涂布過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紙漿纖維形態的測量原理和特點，比較了兩者的差異。除了對紙張纖維形態和成分的研究，張光霞等[11]還使用纖維細度儀和偏振光顯微鏡對5種常見的麻纖維的橫縱截面的形態和偏振光下的顏色變化進行了觀察與分析，為其定性鑒別提供了依據。

國外利用偏光顯微鏡對紙張纖維進行觀察與分析的研究相對較多。Quattrini等[12]對佛羅倫薩Stibbert博物館中一幅17世紀的日本畫進行了紙張和顏料的檢測，利用偏振光顯微鏡對繪畫作品所用紙張的纖維形態進行了觀察，進而鑒別出纖維的種類；van Schaik等[13]對收藏于大英圖書館中的13份敦煌文獻進行了紙張、顏料的檢測，偏振光顯微鏡被用于對紙張纖維形態的觀察和在必要時對纖維長度、寬度的測量，從而判斷纖維的種類；Stanley[14]對收藏于普林斯頓大學東亞圖書館中的7—14世紀的敦煌和吐魯番館藏文獻進行了檢測，通過偏光顯微鏡對這批文獻的紙張纖維成分進行了分析。

由此可見，使用偏振光顯微鏡來鑒別紙張的纖維種類，在國外已有一定的研究與實踐經驗。相比之下，目前在國內，相關的研究還停留在理論層次的可行性論證上，缺少實際的運用研究。

2 偏振光顯微鏡在檔案紙張纖維分析中的應用

2．1 實驗對象

2．2 實驗儀器與操作

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。蓋上蓋玻片后及時使用偏振光觀察水溶液中的纖維形態和紙漿中的其他成分。樣品如需長期放置，其中的水分蒸發后，可以揭開蓋玻片滴1～2滴蒸餾水重復觀察使用。

2．3 參考纖維圖譜來源

2．4 實驗結果與分析

圖1 尼泊爾木斯塘的Gelung地區所形成的檔案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經常用于造紙的瑞香狼毒草纖維，但是其含量較少，應該是作為瑞香/結香屬植物的補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(圖8)進行比較可知，盡管瑞香狼毒草仍屬于瑞香科，擁有與瑞香屬、結香屬的植物纖維相似的形態特征，即內腔存在明顯變寬的現象，但是通過調整偏振光的角度可以發現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，因此在顯微鏡下經常觀察到“雙內腔”的現象(圖10a紅色箭頭處)，即纖維受兩側擠壓，導致內腔中部的重疊。其他的纖維折疊(圖10b紅色箭頭處)或翻轉(圖10c紅色箭頭處)的現象也十分常見。瑞香狼毒草纖維的端部大多呈現鈍尖或圓形，纖維中部也會呈現出樹杈狀的形態(圖11紅色圓圈處)。

圖8 20倍物鏡下瑞香狼毒草纖維的形態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 除了對上述造紙原料的纖維進行觀察以外，在偏振光下還觀察到了形狀較大、呈現閃光、顏色不同于纖維的物質。由于除了植物纖維以外，植物中的導管、石細胞等也會產生雙折射現象而導致這些細胞或組織呈現閃光[19]。因此，根據該物質的形態特征，排除其為導管的可能，推測它應屬于植物中的石細胞。該種細胞具有不同的形態特征：既有纖維壁很厚、內腔很小、表面橫節紋十分明顯的(圖12d)，也有纖維壁很薄、內腔很大的(圖12e)；既有細長型的(圖12b)，也有短寬型的(圖12b)，還有啞鈴型的(圖12c)，它們唯一的共同點在于細胞兩端逐漸呈尖狀。這些石細胞在6份以瑞香/結香屬植物為原料的單料紙和5份以瑞香/結香屬、瑞香狼毒草為原料的混料紙中都有發現，因此僅能確定瑞香/結香屬植物的韌皮纖維中肯定存在這種石細胞，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量或多或少的顆粒狀物質。通過比較單偏光和正交偏光下的顯微圖像，發現正交偏光下的顆粒狀物質具有閃亮的外觀特征(圖13)，表明其是一種礦物質。瑞香科植物中，有的植物內的薄壁細胞含有草酸鈣簇晶[20]。運用常規的普通光學顯微鏡來觀察該晶體時，在低倍鏡下由于體積小，常常容易被忽視或者與其他物質相混淆，在高倍鏡下尋找又比較費時、費力[21]。現有的一些研究已經表明，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出閃光的現象，其他大多數的組織則處于無光線的較暗狀態，導管、石細胞等雖然也呈現閃光，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別出該晶體[22-23]。因此，對于圖13中在正交偏光下呈黃色或彩色閃光、可見其形態輪廓的物質(紅色箭頭處)，初步推斷其為瑞香/結香屬植物或瑞香狼毒草的纖維中含有的草酸鈣晶體，當然也有可能是造紙過程中所添加的其他填料物質，具體成分有待進一步檢測確定。

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 論

通過利用偏振光顯微鏡對一批木斯塘檔案所用紙張的原料進行觀察與分析可知，偏光顯微技術能夠為檔案所用紙張的纖維分析提供一種高效、便捷的觀察方法。這種方法的優勢在于，通過調整偏振光的角度改變纖維的色反差，可以營造出更好的立體感，有利于更加快速地區分纖維與紙漿中的其他細胞、晶體等，而且制樣時無需對纖維進行染色處理，從而能幫助研究者更好地從檔案紙張纖維的外觀、纖維壁、內腔等方面的特征出發來鑒別纖維的種類，可以作為目前常用的光學顯微鏡染色觀察法的一種有效的補充方式。此外，該方法在使用過程中制得的樣品可以重復使用和反復對其進行檢驗，這也增加了實驗操作的便利性和科學性。無需反復取樣的特點也使其在對檔案所用紙張進行纖維分析時具有更大的優勢。