摘要：隨著科學技術的不斷發(fā)展，科技賦能文物保護與考古研究工作。文章基于微區(qū)線掃描和面掃描分析技術的特點，介紹微區(qū)XRF、同步輻射X射線熒光、掃描電子顯微鏡能譜法、電子探針分析法、激光剝蝕ICPMS等常見的儀器設備在文物保護和考古領域中的應用，分析其優(yōu)缺點及未來發(fā)展方向，以期微區(qū)線掃描和面掃描分析技術在文物保護與科技考古工作中有更廣闊的應用前景。

關鍵詞：線掃描；面掃描；文物保護；考古

文物承載燦爛文明，是中華文明源遠流長和生生不息的實物見證，文物保護和研究對于考證人類歷史文化具有重要意義。隨著科學技術的進一步發(fā)展以及文物保護和考古研究需求的提升，研究者開始探索微區(qū)線、面掃描分析技術在文物保護和考古中的應用。線掃描分析技術適用于有分層結構的文物樣品，能夠呈現(xiàn)各個元素隨著線掃描路徑的變化；面掃描分析技術可以獲得文物微區(qū)整體的元素分布圖，直觀顯示元素的種類和含量。目前，在文物保護和科技考古領域常見的微區(qū)線掃描和面掃描技術，主要有微區(qū)XRF、同步輻射X射線熒光、掃描電子顯微鏡能譜法、電子探針分析法、激光剝蝕ICPMS等儀器。筆者查閱文獻，總結線、面掃描分析技術研究文物保護和考古應用現(xiàn)狀，針對現(xiàn)狀提出常見設備的微區(qū)線掃描和面掃描技術的不足及展望，以期促進微區(qū)線、面掃描技術在文物保護與科技考古工作中得到更好的應用。

一、微區(qū)線掃描和面掃描技術儀器

1.微區(qū)XRF技術

X射線熒光光譜（XRF）自1960年開始在中國應用，如今經(jīng)歷了60多年的發(fā)展，相關文獻數(shù)量已過萬[1]。20世紀90年代初，陶光儀、毛振偉等學者介紹X射線熒光光譜法應用至考古研究領域，因XRF具有無損分析、制樣簡單、分析速度快且可以測多種元素等特點而迅速地受到從業(yè)者的廣泛關注，在文物研究與保護中的應用進展非常顯著。

20世紀80年代以來，隨著微區(qū)XRF技術的成熟，光斑直徑可以提供低至微米級的光斑尺寸，使樣品微區(qū)的二維元素分布和三維成像成為可能，幾乎可以對實現(xiàn)各種材料的微區(qū)、微量元素的無損分析（圖1）。北京師范大學團隊程琳等[2]將他們研制的X射線透鏡應用到微束XRF分析中，并將此微束系統(tǒng)應用于考古學領域。

2.同步輻射Ｘ射線熒光光譜

同步輻射X射線熒光分析（SR-XRF）于1974年在美國初次應用，被廣泛應用于生物醫(yī)藥、地質(zhì)、考古等領域，相較于傳統(tǒng)X射線熒光技術具有激發(fā)源能量較大（圖2）、靈敏度高、分析速度快等特點。與微束XRF相比，該技術的分辨率更高，可達到納米級，對微量元素和痕量元素的分析具有明顯優(yōu)勢。該儀器的面掃描和線掃描能在很小的區(qū)域內(nèi)觀察元素豐度的變化，并給出樣品的多尺度二維和三維形貌結構、元素分布等信息。

3.掃描電子顯微鏡能譜儀

掃描電子顯微鏡能譜儀（SEM）（圖3）從20世紀60年代開始在國內(nèi)出現(xiàn)，實現(xiàn)對樣品中元素組成及含量的定性半定量分析，還能以感興趣的能量區(qū)按面分布或線分布進行樣品微區(qū)元素分析[3]。SEM-EDS是文物研究中微區(qū)線掃描和面掃描應用比較廣泛的儀器，該設備微區(qū)技術最大的優(yōu)勢是超高的分辨率，線掃描能直觀地表達文物樣品某條線上各元素含量的變化，面掃描則反映樣品中各元素在某區(qū)域內(nèi)的分布。

4.電子探針

電子探針（圖4）是在X射線熒光分析和電子顯微鏡的基礎上發(fā)展起來的，1956年鄧卡姆制成了第一臺掃描式電子探針，1958年第一臺商品儀器問世[4]。據(jù)報道電子探針在20世紀80年代國內(nèi)已經(jīng)應用在曾侯乙編鐘的檢測復制[5]和石質(zhì)文物化學成分分析[6]上。經(jīng)過幾十年的快速發(fā)展，電子探針微束技術也有了長足的進步，微區(qū)線分析和面分析技術已是電子探針的常用分析手段。

5.激光剝蝕—電感耦合等離子體質(zhì)譜儀

1985年，Gray首次將激光剝蝕技術（LA）與電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）（圖5）聯(lián)用，因其具有較高的靈敏度、測定元素范圍寬，尤其是可檢測痕量元素和稀土元素，這是多數(shù)微區(qū)技術無法做到的。其近些年來在文物保護與考古領域的應用逐漸增多，李曼采用LA-ICP-MS對鄭州地區(qū)出土戰(zhàn)國蜻蜓眼珠飾樣品的主量、次量和微量元素進行成分分析，而線掃描剝蝕可進行深度剝蝕揭示古代材料從表層至內(nèi)部的成分差異。

二、微區(qū)線掃描和面掃描技術在文物保護與科技考古中的應用

進入21世紀，隨著科學技術以及多學科的融合發(fā)展，微區(qū)線掃描和面掃描技術在文物保護與考古工作中得到了國內(nèi)較多學者的關注。查閱文獻資料可知，目前其已在陶瓷、金屬、玉石玻璃以及有機物等文物保護與科技考古中得到了一定的應用。

1.陶瓷文物方面

在陶瓷文物方面，利用微區(qū)線掃描技術可以深入開展分析古窯胎釉所用材料的種類和配比，以及中間層、化妝土問題的研究。朱劍等在用實體顯微鏡觀察汝瓷的胎釉結合處發(fā)現(xiàn)了一個明顯的中間層，但是用偏光顯微鏡和掃描電鏡卻看不到，因此采用SRXRF對斷面進行線掃描分析研究。同樣的現(xiàn)象，梁寶鎏等使用能量色散X射線探針線掃描技術對汝瓷殘片的剖面進行分析。實踐證明，線掃描技術為研究汝瓷乃至古陶瓷的微結構和燒制工藝提供了一個新的思路?；瘖y土是我國古代陶瓷工匠特意用來掩蓋瓷胎表面粗糙狀態(tài)所使用的，也可以減弱深色瓷胎對瓷器表面顏色的影響，Leung、朱鐵權、李清林、朱守梅等學者相繼應用線掃描技術分析古代瓷器的化妝土、中間層、析晶層等結構及機理，開展相關研究。

彩繪技法是考古學家十分關注的問題。欒天等采用SRXRF對邛崍窯殘片進行線掃描分析，根據(jù)釉料在釉層中的位置，探討釉上彩和釉下彩的問題。孫瑩等利用EDXRF探針線掃描技術對我國唐宋時期的5塊長沙窯彩瓷樣品的彩繪工藝進行研究，根據(jù)所測得的從釉到胎中著色元素銅或鐵的含量變化判斷釉彩工藝。管理等采用SRXRF技術對長沙窯釉里紅彩瓷片的呈色部分剖面進行線掃描分析，獲取了深淺顏色變化區(qū)域的化學成分種類和含量相對變化情況，結果表明，釉里紅彩料中含有As、Pb等元素，不同呈色部位在Cu和As含量上有明顯差別。資明等用同步輻射共聚焦X射線方法沿垂直于北京故宮博物院收藏的乾隆時期斗彩樣品表面的法線方向進行深度掃描，得到元素強度隨深度的變化曲線，分析其制作工藝及層狀結構。SRXRF線掃描分析技術為研究彩瓷的工藝配方和呈色機理提供了有力手段。張興國等通過電鏡線掃描技術進行分析，得出人物花鳥類的精細彩繪瓷也屬于釉上彩制品的結論。

微區(qū)面掃描技術能夠很好地反映元素的分布模式以及不同元素其成分變化的關聯(lián)性，在分析古瓷釉彩的元素分布以及呈色機理方面有著良好的效果。楊益民等首次嘗試SRXRF面掃描技術對宣德時期官窯青花瓷上的瓷彩進行研究，得出與黃斑、青花濃淡相關的“指紋元素”，起到較好的指示作用。馬燕瑩等利用能譜儀對廣東“南澳Ⅰ號”出水明代景德鎮(zhèn)青花瓷標本斷面進行面掃描分析，研究青花碎片釉層和色料層形態(tài)與組成。劉震利用SR-μXRF面掃描研究明清時期紫金釉瓷器，對釉層剖面元素分布特征進行研究，結果顯示Fe元素在釉層深度方向上存在分層現(xiàn)象。張鋆采用SR-μXRF線掃描和面掃描技術分析研究唐三彩與青花瓷中“藍彩”的成分特征、呈色機理以及施彩方法。

彩繪層的保護工作，一直以來也是文物保護工作者關注的重點。荊海燕研究西安東郊唐墓出土彩繪陶俑表面顏料的微觀結構和元素成分時，微區(qū)線掃描和面掃描分析技術得到應用。梁家祥等使用微區(qū)XRF面掃描技術分析顏料元素的分布特征，獲得天王俑彩繪層工藝，為天王俑的保護和修復工作提供了科學支持。

微區(qū)線掃描和面掃描方法在陶瓷文物保護與科技考古主要應用在幾個方面：一是觀察古陶瓷剖面的胎釉分層結構及成分變化；二是探討制作工藝，尤其是解決考古學者較為關注的彩瓷釉上彩、釉下彩問題；三是對分析古瓷釉彩的元素分布及呈色機理有著良好的效果；此外，在彩繪文物保護工作中，應用微區(qū)線掃描和面掃描技術厘清樣品的彩繪層工藝、表面顏料微觀結構和元素分布等，也是為文物保護修復提供了科學技術支撐。

2.金屬文物方面

在金屬文物方面，微區(qū)線掃描和面掃描技術的重要應用是分析青銅器的銹蝕產(chǎn)物，研究銹蝕機理。李艷萍等應用掃描電鏡能譜對綠銹斷面進行線掃描分析，可以看出Sn元素在綠銹內(nèi)層分布較密集，銅氧碳元素從綠銹內(nèi)層到外表面均分布密集，揭示各元素綠銹的分布規(guī)律，為研究腐蝕機理提供了支持。穆藝等應用掃描電鏡能譜面掃描分析湖北隨州葉家山西周墓地出土6件典型青銅器殘片的銹層結構，得到了直觀的富銅層與銹蝕層的分區(qū)圖像。賀源使用掃描電鏡能譜對68個青銅樣品斷面分區(qū)域展開面掃描分析，以獲取目標元素的分布及其相對含量信息。實踐證明，該技術在金屬銹蝕結構研究方面具有一定的應用前景。

微區(qū)線掃描和面掃描技術對金屬文物表面進行分析，確定金屬文物合金成分及含量，為研究制作工藝提供證據(jù)。姚智輝在研究河南寶豐小店唐墓出土金飾的金珠的連接方式時，為更好地了解元素在不同位置的變化與分布，應用SEM-EDS線掃描技術對該金飾的金珠與金珠連接處、金珠與金絲連接處進行分析，為金珠工藝研究提供了新的思路和方法。王穎琛等再次對三門峽虢國墓地M2009出土鐵刃銅器進行科學檢測分析，經(jīng)SEM-EDS面掃描技術分析，確定了SGT001樣品是人工冶制的；線掃描分析顯示SGT002樣品中存在Ni和Co偏聚現(xiàn)象，判斷其材質(zhì)為隕石，為研究中國鐵冶金技術史提供了重要佐證。凡小盼等利用同步輻射光源微束X射線熒光面掃描技術對陜西省出土的姜寨黃銅進行分析，得到了鋅、鉛元素的面分布信息，進而推測該樣品的制作工藝。李曼等在鄭州商城書院街商代貴族墓地2號墓中對出土金覆面等金器進行微束XRF面掃描技術分析，探究了金器的合金配比、制作工藝、喪葬儀式等相關問題。

從以上學者使用微區(qū)線掃描和面掃描技術在金屬文物上的應用不難看出，該技術方法不僅可以確定金屬文物合金成分及含量，還可以探究古代合金的制作工藝、分析青銅器銹蝕產(chǎn)物、銹層結構和機理，為金屬文物的研究和保護提供科學依據(jù)。

3.玉石玻璃文物方面

微區(qū)線掃描和面掃描技術可以研究玉石玻璃文物顏色成因。郭宏等采用電子探針面分析技術確定花山巖畫顏料的成分。金莉莉利用電子探針線掃描技術研究湖北竹山綠松石顏色成因，探討呈色機理。汪海港等利用同步輻射X射線熒光對禹會遺址出土“紅—黃”彩石表層及內(nèi)部不同顯色部位的線掃描，從線掃描的元素分布模式來看，紅色區(qū)域質(zhì)地均勻，黃色區(qū)域可能包含較多的礦物顆粒。杜騫等采用微區(qū)X射線熒光光譜儀面掃描技術分析歷史文物建筑混凝土材料的成分和工藝，獲得混合成分的元素分布圖，為歷史建筑材料的修復保護提供科學的數(shù)據(jù)支撐。李曼采用μ-XRF面掃描技術分析鄭州地區(qū)出土蜻蜓眼元素成分，快速地獲取各元素分布圖像，更加直觀地展示了各著色元素的分布區(qū)域，討論樣品成分、著色和制作工藝研究。此外，王穎竹等使用掃描電鏡能譜儀面掃描技術研究秦代鉛鋇玻璃腐蝕特征，Qin Q L[7]等用LA-ICP-MS分析云南廣南出土的三顆腐蝕玻璃珠，獲得不同深度的元素成分，討論玻璃珠的制造工藝和腐蝕機理取得了良好的效果，有益于該設備在文物研究中的廣泛應用。

微區(qū)線掃描和面掃描技術在玉石玻璃文物中的應用包括樣品表面顏色成分和呈色機理的研究，更為直觀地顯示各元素分布圖像，探討其制作工藝和產(chǎn)地。

4.其他材質(zhì)文物方面

微區(qū)線掃描和面掃描技術在其他材質(zhì)文物上也有著重要的應用，如實現(xiàn)殘留物分析，施繼龍等采用掃描電鏡能譜儀線掃描和面掃描技術分析了出土的蕭梁公式女錢范的殘留物，厘清了錢范用途，為發(fā)掘者關于該遺址是鑄造銅錢遺跡的觀點提供了科技支撐。胡耀武等采用SEM-EDS線掃描技術對山東滕州西宮橋遺址出土的古代人骨沿骨內(nèi)表面至外表面進行分析，對古代人骨作線掃描分析，揭示元素沿骨骼剖面的變化規(guī)律，探索不同元素在成巖過程中的行為差異，進一步為骨骼樣品的預處理提供借鑒。黃可佳等應用μ-XRF面掃描技術研究“南海Ⅰ號”出水船體木材中的鐵、硫含量和分布，在二維尺度上揭示了元素分布的特點和規(guī)律，為研究木材中硫、鐵的來源、富集以及耦合關系等提供線索。為探討海洋出水木材中的硫、鐵及其化合物的沉積和循環(huán)機制以及相關文物的保護和修復工作，提供重要的科學支持和有益借鑒。

此外，也有學者嘗試其他設備的線掃描和面掃描技術，如王娜等運用紅外衰減全反射（ATR）面掃描研究北京故宮博物院東華門城樓紙本天花綠色顏料層所用的膠結材料。

三、常見設備的微區(qū)線掃描和面掃描技術的不足及展望

使用微束XRF技術進行面掃描獲取元素分布時普遍存在信噪比低、圖像不清晰、有效信息不突出等問題。為了達到足夠的信噪比，獲取理想的元素分布圖像，通常需要延長圖像獲取時間，這種方法大大降低了實驗的分析效率。微束X射線源、探測器的研究和開發(fā)、視覺效果較好的元素圖示軟件也是完善儀器性能的重要發(fā)展方向，隨著整機性能進一步提升，未來在文物研究與保護中具有更廣闊的應用前景。

使用掃描電子顯微鏡能譜儀和電子探針的缺點是樣品需要導電性，前面的處理過程相對復雜，拋光后通過鍍膜機進行噴金、碳化等處理，該過程對樣品具有破壞性。對樣品進行面掃描也需要延長時間獲取高質(zhì)量的元素分布圖像。

同步輻射X射線熒光因其設備比較龐大，機時比較昂貴，因此很難將其用于考古科學中大量樣品的原位分析和現(xiàn)場分析。隨著新光源技術的使用、分析軟件的更新和定量分析方法的發(fā)展，使該設備能夠更廣泛地應用于文物研究與保護領域。

激光剝蝕—電感耦合等離子體質(zhì)譜法目前較常用的是點分析和線掃描分析，面掃描在文物研究中應用較少，文物在測試過程中束斑大小、剝蝕效率、定量分析標準參考物質(zhì)等都會對檢測結果造成影響，因此，對于激光器研發(fā)、數(shù)據(jù)的校正是未來可以發(fā)展的方向。

四、結語

綜上所述，研究者根據(jù)不同類型的檢測需求，運用線掃描或者線、面掃描方法，已經(jīng)取得一定成效。目前，微區(qū)線掃描和面掃描技術在文物保護與科技考古應用中還處于起步階段。文物樣品具有復雜性和多樣性的特點，微區(qū)線掃描和面掃描技術主要應用于陶瓷胎釉成分、化妝土、彩繪技法、元素分布以及呈色機理等的研究分析；對金屬文物來說，可以研究青銅器銹蝕產(chǎn)物、銹蝕機理、合金配比、制作工藝等；在玉石玻璃等材質(zhì)文物的無損鑒別及有機類文物保護研究等方面，該技術也有所發(fā)展。

軟硬件的提升是微區(qū)線掃描和面掃描技術應用的迫切需求和發(fā)展的重要方向，隨著科學技術的不斷進步和多學科互相交融，將會持續(xù)推動微區(qū)線掃描和面掃描技術的發(fā)展。

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作者簡介：

吳金濤（1991—），男，漢族，陜西咸陽人。大學本科，文博館員，研究方向：文物保護。