SciAps赛谱司手持式LIBS光谱仪在文物研究中的应用

SciAps赛谱司 Z-903 LIBS分析器最近借给了文物保护和科学研究部的文物管理员阿里尔·奥康纳；梅隆大学资深科学家布莱斯·麦卡锡博士；和来自史密森尼学会国家亚洲艺术博物馆的保护和科学研究部门的负责人Donna Strahan对收藏品进行了研究。这项研究最终将出版一本关于它们的类型学、历史、材料和制造技术的书。

SciAps赛谱司 Z-903手持式光谱仪采用了更新的形式和软件，可测量元素周期表中从H到U的每一种元素。扩展光谱仪的波长范围从190纳米到950纳米，允许测量更长波长的元素发射线，如H、F、N、O、Br、Cl、Rb、Cs和s。其他优势包括对675纳米附近的锂具有更灵敏的线，实现2-5 ppm范围内的检测限。由于元素范围广，Z-903最广泛用于矿物勘探、法医鉴定、鉴定和考古。

分析过程

在开始研究之前，研究小组必须弄清楚如何分析400多个汉代的带钩,具有不同的尺寸、材料和腐蚀阶段，目的是将结果与该部门前任负责人W. Thomas Chase在1970年进行的研究进行比较。然而，1970年的分析是通过钻取小的金属粉末样品(直径2-3毫米)并对其进行湿化学处理来进行的。与1970年的研究不同，这项研究的目标是使用无损检测，但微破坏性是第二选择。

起初，O'Connor和McCarthy使用手持X射线荧光光谱仪(XRF ),但他们意识到，由于XRF是一种表面技术，所以与湿化学分析相比，他们得到的数据非常不同。他们需要找到一种分析大块合金的分析方法。

麦卡锡开始四处寻找技巧。“我们最初想到的是电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)。但是，在这个项目中，在一个房间里放入一台仪器和400件物品(其中一些相当大)是不现实的，”麦卡锡说。

他们渴望有一种方法能给出金属本身的结果，而不是腐蚀层的结果。“我们发现耶鲁有人在用你的LIBS，所以我打了电话。

奥康纳和麦卡锡能够利用学术计划并让公司的顶级产品专家在LIBS上对他们进行培训。在整个租借期间与团队合作，回答问题并提出解决他们独特问题的方案。

“我是物品管理员，不是科学家，”奥康纳说，“所以我真的很感激摩根和乔纳森与我们共度的时光。试图分析古代合金在博物馆界是一个挑战，因为每种方法都有其挑战，我们对是否可以对文物进行采样有所限制。让Morgan和Jonathan帮助我们思考如何在腐蚀和取样的限制下尽可能地获得最佳数据，这是非常宝贵的。”

挑战

在他们开始分析之前，该团队为合金中的主要元素开发了新的校准方法。今天大多数商业合金倾向于含锌黄铜。它们与古代中国物品中的成分不同。

他们根据博物馆的标准创造了一种新的校准方法。奥康纳还借鉴了其他博物馆同事的标准。“特别是高锡，因为我们没有这些参考收藏，”奥康纳说。

这是一个漫长的校准过程，因为中国古代青铜合金中含有大量的微量元素，而且许多元素的浓度范围很广。“我们做了41次试校准，”奥康纳说。

分析皮带挂钩

摩根的准确分析建议是捕捉3-5个点。因此，奥康纳和麦卡锡选择检查每个样品上的3个点。挑战在于选择在哪里选择这三个地点。他们不会分析正面或任何有装饰的部分。奥康纳说，尽管LIBS是一种微破坏性技术，但这个斑点仍然是可见的。奥康纳的计划是分析按钮上的一个点和背面的两个点。"我试图挑选一个看起来腐蚀最少的地方。"她戴着一个放大优化器，它有7倍的放大率来帮助她选择一个点。

“我在升降台上搭建了一个带有V形凹槽的平台，这样它就可以移动了”奥康纳说。光谱仪很好地安装在平台上，由于角度的原因，相机有点挑战性，激光击中艺术品的地方与相机有点偏离(在SciAps赛谱司手持式光谱仪Z-903中)。奥康纳说:“我了解了位置的细微差别，所以我可以精确到一毫米以下。

下一个挑战是如何使用SciAps赛谱司手持式光谱仪和校准来找到工件中每个元素的百分比。“McCarthy说:“因为开发校准可能需要很多时间，所以我们希望能够调整校准。”

“我们还希望能够通过未来的校准运行数据，”奥康纳说。“最初，我们必须从光谱仪中获取光谱，但后来它以一种不允许我们通过不同校准来运行它的方式导出了光谱。当我们通过Profile Builder软件获取光谱时，我们只能获得强度比数值，但我们需要每种元素的百分比，这只能从分析仪中获得。”

团队再次联系了摩根。他向他们介绍了进行测试的软件功能，即光谱校准分析。“这就是我们如何测试多重校准，而无需对皮带扣进行额外分析，”奥康纳说。“我们可以灵活地通过每次新的校准重新运行所有的对象数据。奥康纳说:“摩根的建议真正改变了我们的一切。

“事实上，对我们来说更好的是。麦卡锡说:“我们对这项技术有了更多的了解，从长远来看，结果更好。”。

后续步骤

“我们的下一步是让Ariel处理所有的数据。然后做一些统计和分组，看看它们如何与来自比较考古学和艺术史的数据相匹配，”麦卡锡说。“我们还将观察一些X射线荧光进行比较，因为XRF是许多博物馆的唯一选择。然后，我们将把所有这些数据与所有其他分析的结果放在一起，并创建一个类型，”麦卡锡说。

此外，他们花了大量时间在显微镜下仔细检查每一件物品，同时拍摄制作和装饰技术的详细照片，并测量工具痕迹的宽度和深度。“我们也在关注皮带扣的生产、使用和维修。奥康纳说:“在我们开始观察趋势之前，需要收集每个对象的大量数据。最终，他们还将研究大块合金成分以及在皮带扣中使用锡和铅的情况。“我们也对每一个皮带扣进行x光检查，”奥康纳说。“对于实心带钩，某些区域的孔隙可以告诉我们铸造方向。对于那些经过锤炼或以其他方式制造的钻石，x光能为我们提供进一步的技术信息。”

McCarthy说:“让赛谱司 SciAps LIBS参与这个项目非常重要。“除了皮带扣，我还能看到LIBS在许多方面的用途，例如，在研究我们的陶瓷和大量中国青铜器收藏方面。”