文物检测中用到的结构分析仪器及其分析方法

摘要：在进行文物保护时，需对文物样品进行检测，了解样品的结构。本文对四种可用于文物样品结构分析的检测方法进行了概述，分别是X射线衍射法、红外光谱法、拉曼光谱法及质谱法，从分析原理、仪器构造和样品制备几个方面进行了阐述。

关键词：文物；检测；结构分析

一、X射线衍射仪

（一）原理

1895年德国物理学家伦琴（W.K.Rontgen）在研究阴极射线时发现了一种未知的射线，由于对其本质和特性不了解，伦琴将其命名为X射线。X射线本质是电磁波，波长出于紫外线的上端，同物质相互作用后会发生反射、投射和衍射的现象。X射线衍射仪正是应用了X射线在晶体上发生衍射这一现象来表征晶体物相结构的。

（二）仪器构造

1.X射线发生器：提供测量所需的X射线。2.衍射测角仪：测定X射线的入射角。3.辐射探测器：检测衍射强度，同时检测衍射方向，通过仪器测量记录系统可以得到多晶衍射图谱数据。4.测量电路：将光信号转换成电信号。5.控制操作与数据处理计算机系统：现代X射线衍射仪都附带安装有专用的计算机控制系统和衍射图处理分析软件系统，它们的特点是自动化和智能化。

（三）样品制备

通常情况下进行X射线衍射测试时需要的样品量比较大，一般为几百毫克，样品研磨至200目后，压制在铝質样品框或玻璃板样品槽中，放入衍射仪的样品架上进行分析。但是，在进行文物分析时，如果取如此大量的样品将对文物造成永久性的破坏。为此，采用一种单晶硅片样品板，分析用量少，一般仅需几毫克，适合微量文物样品的分析。分析时，将样品仔细放于单晶硅片中心，滴少量无水酒精，待酒精挥发后样品就贴附于单晶硅片上。分析结束后，用小刀将样品小心刮取长期保存。

二、红外光谱仪

红外光谱是鉴定化合物分子结构最有效的方法之一，广泛应用于有机化合物的鉴定，也可应用于无机物分子结构的分析。

（一）原理

红外光是0.5-1000ηm波长范围内的电磁辐射。当红外照射到分子时，分子会吸收特定频率的红外光，由较低的能级跃迁到较高的能级，当红外光的振动频率和分子中的振动频率相同时红外光被分子吸收，振动不相同时红外光就不被吸收。因此，用连续频率的红外光照射样品时，通过样品的红外光在一些区域较弱，在另一些区域较强，把分子吸收红外光的情况记录下来，就得到红外光谱图。红外光谱是一种分子谱，也是一种电磁辐射谱，可以定性测定化合物的结构，同时也可以进行定量分析。

（二）仪器构造

1.红外光源：理想的光源是能连续发射高强度红外光的物体。自光源发射的红外光，经过两个凹面镜，反射成两束强度相等的光，分别通过样品池和参比池到达斩光器。斩光器为具有两个直角扇形的可旋转的反射镜，使测试光束和参比光束交替通过入射狭缝进入单色器。2.单色器：是红外光谱仪的心脏，把复色的红外光分为单色光。3.检测、放大、记录系统：把照射在检测器上面的红外光变为电信号，再经过放大器多级放大，整流后进入记录仪。

（三）制样

在进行红外光谱测定时，样品应该是单一组分的纯物质，纯度应大于98%，才便于与纯物质的标准光谱进行对照。多组分的试样应在测定前尽量进行分离提纯，否则各组分光谱相互重叠，难于判断。

固体样品的制备：将KBr和样品混合研磨，KBr和样品的比例为100：1或50：1，研磨颗粒应尽量小。为了防止样品潮湿情况下有水的红外吸收峰，样品研磨要在红外灯下进行。置于模具中，在油压机上压成透明薄片。

液体样品的制备：取少量KBr研磨，压成薄片后，在表面均匀滴上一滴待测样品。

三、拉曼光谱仪

近年来拉曼光谱发展迅速、应用广泛，具有无损测量，灵敏度高，快速便捷等优点。可用于鉴定无机及有机物的分子结构。拉曼光谱常与红外光谱共同使用，在有机结构分析中二者可以相互补充。

（一）原理

拉曼光谱是一种散射光谱，也是一种分子光谱。当用一束光照射分子时，在分子上会发生两种散射。一种散射的频率和光的入射频率相同，这种散射叫做瑞利散射；另一种散射的频率和入射频率不同，这种散射叫做拉曼散射。

发生拉曼散射时，散射光的频率可能大于也可能小于入射光的频率。当 时，称为拉曼散射的斯托克斯线，当 时，称为拉曼散射的反斯托克斯线。 和 的差称为拉曼位移。用不同频率的光照射分子时，拉曼散射的频率不同，但是激发频率和散射频率之间的差值却相同，即拉曼位移相同。

（二）仪器构造

1.激光器：用激光作为光源具有谱线窄、亮度高、方向性强等优点，大大提高了测量精度，缩短了摄谱时间。2.外光路系统：在激光器之后、单色器之前，有一整套光线系统，称为外光路系统，是为了分离出所需要的激光波长，最大限度地收集拉曼散射光。3.单色器：是把拉曼散射光分光并减弱杂散光。拉曼散射的谱线很弱，约为瑞利散射的10-6。很强的瑞利散射光及各种杂散光对拉曼谱线的检测有很大影响，这就要求单色器的分辨率高而杂散光低。4.检测、放大和记录系统：经检测和放大处理后的拉曼信号，推动外接的电位差计，记录下清晰的拉曼光谱图。

四、质谱仪

质谱法是有机化合物的一种有效分离分析方法，特别适用于有机质文物的定性、定量分析。它在文物材料分析中的应用十分广泛，几乎所有的文物材料都可应用质谱法进行分析。

（一）原理

质谱分析法是通过对样品离子的质量和强度测定来进行物质材料成分和结构分析的一种方法。化合物分子在真空条件下受电子流的“轰击”电离成离子，同时发生某些化学键有规律的断裂，生成具有不同质量的带正电荷的离子，这些离子按质荷比的大小被收集并记录。

在质谱图中，每个质谱峰表示一种质荷比的离子，质谱峰的强度表示该种离子的多少。所以，根据质谱峰的位置可进行定性分析，根据质谱峰的强度可进行定量分析。对于有机化合物的质谱，根据质谱峰的质荷比和相对强度，还可进行有机物结构分析。

（二）仪器构造

1.高真空系统：为避免离子与分子之间的碰撞，质谱计必须是在高真空条件下工作。2.进样系统：固体和沸点较高的液体样品可通过进样推杆送入离子源并在其中加热汽化，低沸点样品在贮气器中汽化后进入离子源，气体样品可经贮气器进入离子源。3.离子源：离子源是样品分子的离子化场所。4.质量分析器：在离子源中生成的并经加速电压加速后的各种离子在质量分析器中按其质荷比的大小进行分离并加以聚焦。5.检测、记录系统：不同质荷比的离子束，按大小先后通过出口狭缝，到达收集器，它们的信号经放大后用记录仪记录在感光纸上或送入数据处理系统，由计算机处理以获得各种处理结果。

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