说文保||显微技术在纸张纤维鉴别中的应用
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2024-03-22 15:14 来源:文物鉴定与鉴赏
摘 要：在对纸本文物进行保护和修复的过程中，运用显微技术进行纸张纤维的观察是必不可少的部分，通过对纤维种类及纸张加工中引入材料的鉴别，进而可以推论出古纸的年代、制作工艺等信息，进一步可辅助获取以纸张为载体的书画古籍等纸本文物的历史背景、版本信息、真伪信息等，也可为纸质文物修复用纸的选择提供科学依据。
关键词：光学显微镜；电子显微镜；纸质文物；纤维鉴别；纸本修复
在对纸张进行分析鉴定过程中，显微技术的运用有助于识别人肉眼无法观察到的信息。通常，在实际的显微观测中，常用到的显微镜包括光学显微镜和电子显微镜。光学显微镜最大放大倍数约为2000①，如纤维测量仪（放大倍数几十倍到几百倍）以及结合数字式的超景深显微镜（几倍到2000倍左右）；电子显微镜放大倍数可从几十倍到几十万倍，如扫描电子显微镜。利用显微镜对纸张的分析包括很多，如纸张纤维，纸张上的字迹、钤印、颜料等。针对显微镜在纸张纤维鉴别中的应用，笔者将其分为直接应用和间接应用。直接应用即通过显微镜直接观察和提取到的信息；间接应用为从直接观测到的信息结合其他理论依据推论出的信息。
1 直接应用
1.1 纤维种类的鉴别
显微技术对于纤维的观测包括纤维颜色、纤维形态特征、纤维的长度及宽度、不同种纤维间的配比等。若借助普通光学显微镜，尤其是透射光下，通常需要采取少量纸样，制成玻璃试片，再结合图像处理系统方可进行观察。通常试样的制作方法如下：用镊子从待测古纸边缘或不影响纸上信息的破碎处取少量纸样，用蒸馏水润湿后，放置在洁净的载玻片上，滴2～3滴染色剂，并用解剖针分散纤维，盖上载玻片，用吸水纸吸去多余的染液即制备完成。对于部分强度韧性较好、较易分散的纸张，一些学者在制样时直接将纸样取下放置在载玻片上，滴1～2滴蒸馏水后再滴染色剂。而有些脆化严重的纸样，如使用胶矾水修复过的民国时期书画，提取纸样时很容易脆裂，且直接置于载玻片分散纤维时，容易碎裂成渣，无法充分分散纤维，在显微镜下观察会是一团，致使观察困难，因此在置于载玻片之前先使用热水浸泡有助于去除纸表胶黏剂等成分促使纤维分散。若借助偏光显微镜，利用偏正光角度制造纤维的色反差，则无需使用染色剂，还可营造出较好的纤维立体感。②
在纤维的观测中纤维颜色是区分不同造纸原料的重要方式之一。国家标准《纸、纸板和纸浆纤维组成的分析（GB/T4688—2020）》中明确了染色剂的种类和制作方法，包括Hersberg染色剂、Graff“C”染色剂和Lofton-Merritt染色剂。由于Hersberg染色剂（碘氯化锌溶液）显色反应差异性明显，因此常用于纸张纤维的染色。其制作方法如下：①将氯化锌加入约100ml温水中直至剩余溶质不再溶解，待冷却至室温，并有氯化锌晶体析出，保存至棕色试剂瓶备用，完成饱和氯化锌溶液的制备；②混合2.1g的碘化钾和0.1g碘，用移液管逐滴加入5ml水，制作碘溶液；③将15ml氯化锌溶液与②中碘溶液混合，静置6h以上，待沉淀物下沉后倒出上层清液至棕色滴瓶中，并加入一小片碘暗处保存，即制备好Hersberg染色剂。需要注意的是，Hersberg染色剂需每两个月重新制备一次。不同造纸原料对Hersberg染色剂显色反应的不同，主要是因为纤维中的木质素与盐类和碱类染料具有亲和力，以及半纤维素对碘具有亲和力③，木质素、半纤维素以及纤维素含量的不同导致了显色的差异。王菊华先生简要列举了各类造纸原料对Hersberg染色剂的显色反应：针叶木化学浆经着色呈蓝紫色，阔叶木化学浆呈深蓝紫色，生料竹浆呈黄色，熟料竹浆呈蓝紫色，草浆为蓝紫色，麻浆及棉浆呈酒红色，树皮纤维呈暗酒红色（图1），叶脉浆为蓝灰色，机械木浆呈黄色，半化学机械木浆为棕黄色，人造丝（粘胶纤维）呈紫红色，合成纤维通常不显色，动物纤维为淡黄色。根据显色反应的特异性，为鉴别纤维种类提供较好的判别依据。
纤维形态特征是显微观测的主要内容，它包括纤维整体形态、中段形态、端部形态、横节纹、有无胶衣、是否含杂细胞、杂细胞的形态等。例如，麻纤维的细胞壁上有纵向条纹和横节纹，节之间的间距较大；桑皮或构皮纤维壁上胶衣明显，浆中有草酸钙晶体（图2）；三桠皮（结香皮）纤维横节纹密集，中段加宽明显，端部呈鱼头状（图3）；竹纤维形态较直挺，含有较多的薄壁细胞及较大的网纹导管（图4）。此外，纤维的长度及宽度也是辅助辨别纤维的手段，通常情况下，麻料纤维的长度最大，其次是皮料纤维，竹料纤维再次之。因此，综合纤维的染色反应、纤维形态特征、纤维的长度及宽度，共同辨别纤维的种类。在很多情况下，造纸所用的原料并不是单一的，如宣纸则是青檀皮和沙田稻草的混料纸，根据不同的配比比例对应相应的宣纸种类，即特净皮（80%青檀皮、20%沙田稻草）、净皮（60%青檀皮、40%沙田稻草）和棉料（60%青檀皮、40%沙田稻草与50%青檀皮、50%沙田稻草之间）。④添加不同种类的原料，对改善纸张的性能有重大意义。因此，通过观察纤维配比有助于分析纸张原料的抄造比例和纸张性能。北京大学图书馆张艳霞等人对馆藏刻本《天经或问》书衣中间层的发笺纸进行了研究，通过光学显微镜及智能纤维测量仪对纸张本体纤维进行了形态、长度和宽度的观测，借助光学显微镜、扫描电子显微镜进行黑丝形貌的观察，最后运用显微红外光谱对黑丝进行成分分析，研究表明该发笺纸的纸张纤维为楮皮，其上的黑丝为人类头发。⑤
纸张的制作过程通常经过砍条、浸料、腌料、蒸料、漂白、打浆、抄纸、压榨、烘纸等步骤。在此过程中，由于腌料可能使用石灰水而引入氢氧化钙；由于抄纸使用纸帘会在纸张成纸后留下帘纹，而不同的造纸厂及不同的年代，帘纹的间隔大小是不同的，比如10世纪末到11世纪初敦煌出土的纸样竖帘纹间距相同，横帘纹每厘米3～6道，黑水城西夏纸样的横帘纹通常是每厘米7～8道。⑥除此之外，纸张后期可能还会进一步加工，包括染色、施胶、涂布、加蜡、洒金银等。例如，生宣变熟宣的过程即是在表面上胶矾；粉笺的制作则需在纸张表面涂覆混有胶黏剂或淀粉糊的白色矿物颗粒，这些白色矿物颗粒（涂布料）可能是烧石膏、高岭土、滑石粉或白垩等细粉⑦。郭文林等人将调和浆糊的土粉子涂刷后，在以川蜡或硬脂酸涂刷的方式成功复原了清宫蜡笺纸。⑧李晓岑对甘肃汉代悬泉置遗址不同土层出土的古纸进行过检测，其中东汉层出土的纸张经显微透射光鉴别为苎麻，经反射光显微观察到纸张正反两面均有填料，经偏光显微镜发现纤维间有大量淀粉颗粒；西汉晚期层出土的纸张为大麻，双面加有填料，淀粉施胶⑨。通过对汉纸的显微观察，证明了在纸张发明的初期，采用淀粉进行浆内施胶，尚未出现使用动物胶进行表面施胶。因此，通过对造纸过程中引入的成分及工艺痕迹进行显微观察，可以推测古纸的制作工序。
对于保存状况较差的纸张，部分可以直接通过肉眼观察看到纸表结构疏松、断裂明显、破碎严重，部分纸张无法直接通过肉眼判断的，可借助显微镜观察。观察内容包括两个部分：一是纤维形态，保存较好的纤维整根形态完整，如麻纤维完整的圆柱形形态，可看到纤维末端呈现完整的尖头状；而保存较差的纤维可看到结构性的破碎，在整根纤维上可看到断裂或部分将断未断的形态。二是看纤维断裂口，一般来说，若植物原料在造纸过程中是被切断的，在显微镜下，纤维断裂的部分呈现分丝现象（图5），而因为自然老化保存较差的纸张，纤维断裂的部分则是齐头断裂（图6），与切断的纤维断裂处的形态是不同的。通过纤维整体形态和断裂口的特征，可以辅助判断纸张的强度及保存状况。
随着时代变迁和科学技术的发展，纸张具有特定的发展规律。如在清代才开始使用的木材纤维⑩，在唐宋才使用的竹纤维，在西汉是绝不可能使用的。有学者根据纸张的发展规律研究了纤维种类与纸龄的相关性。刘畅梳理了我国造纸原料发展表，罗列了我国从汉代，历经魏晋南北朝、隋唐五代、宋元明清直至近现代的原料种类，并整理出部分纤维原料（竹子、麦草、稻草、针叶木、阔叶木、龙须草、蔗渣）用于纸张生产的确切年代。⑪李涛从已公开发表的研究中收集了公元前202年到1911年期间的493例纸样，梳理了两汉到明清时期纸张纤维原料的历时性变化过程。⑫这些研究无疑是为纸张年代的分析提供了强有力的依据。实际上，纸张年代的界定任重而道远，需要大量的实物与文献记载相互佐证。有些古纸即便是有明确纪年的考古出土，但由于土层的扰乱，也为古纸真实年代的鉴别造成一定的难度，有时也需要借助其他手段协同分析。例如，纸张上的字迹可从书法角度、字体的演变规律鉴别。甘肃汉代悬泉置出土的一张原本界定为西汉时期的古纸，因其上有字迹，经书法家辨认其字体应为东汉末至魏晋南北朝时期，故重新修改了该古纸的年代。⑬
国家图书馆易晓辉等人对四种清宫内府刻书所用的“开化纸”和一种“开化榜纸”进行了纤维的显微观察，研究表明，这五种纸均为纯青檀皮，应出自安徽泾县，并非出自浙江开化。⑭由此可见，通过对纸张纤维的显微观察，可对古纸名称的来源有确切的认知，揭开其背后的历史信息。
通过纤维种类的鉴别，从而判断纸张的年代、古纸名称的来源等信息。而纸张作为书画、古籍等纸本文物的载体，可辅助辨别书画作品的年代信息、作者信息，推测古籍的版本信息等。故宫博物院收藏的《王羲之行草书雨后帖页（宋摹本）》，之所以定为宋摹本，除钤印、书法、书写工具行笔效果的依据之外，还依据该画作的纸本信息，经纤维观察检测为竹纤维，在晋代竹纸还未出现，综合多方依据断定为宋摹本。⑮侯妍妍对山东省图书馆馆藏两册刻本《莫愁湖志》进行了纤维显微分析，发现两册所用纸本原料并不相同，并结合开本尺寸认为这两册书并非同一时期印刷。⑯通常来说，要确定书画真伪或古籍版本信息，单凭纸本纤维分析是不够的，有时也可能出现误判，需结合其他方法或从其他角度共同分析。
在古籍修复中，尽可能要求配纸与原纸质地、厚薄、纹理、颜色等相统一，因此通过纤维观察断定纤维种类，可为配纸的选择提供依据。山东省图书馆在修复馆藏宋刻本《文选》时，对不同种类的配纸进行了显微观察，再结合酸碱度、强度等系列指标最终确定了最佳的配纸。刘鹏等人在修复五代北宋间手抄本《金光明经》残卷时，通过对修复配纸进行紧度、抗张强度、撕裂度等机械性能测试外，还运用扫描电子显微镜观察干热老化前后的修复用纸及残卷修复前后的纤维变化，以此说明修复配纸对古籍修复的影响，对选择和评估修复配纸起到一定的辅助作用。⑰
显微技术在纸张纤维鉴别中的应用根据是否为直接观察得知分为直接应用和间接应用。直接应用包括获取纸张纤维种类和抄造工艺的鉴别。间接应用为结合其他辅助手段、经验或文献资料进行推论而得知的信息，包括纸张年代信息、古纸名称来源信息、书画真伪信息、古籍版本、为纸本修复用纸提供选择依据。所使用的显微镜依据观察目的而有所不同，如利用光学显微镜进行透射光、反射光、偏光观察。透射光适用于获取纸张内部纤维种类、原料配比等信息；反射光适用于观察纸本表面填料和施胶等信息；偏光下可用于观察纤维间的矿物晶体颗粒和淀粉颗粒，也可利用其偏正光角度制造纤维的色反差观察纤维形态。还可使用扫描电子显微镜进行更大倍数的观察，更为细致地辨别纤维种类以及评估修复用纸修复效果。总的来说，显微技术的应用无疑是帮助文物保护与修复人员更好地获取纸质文物蕴藏的信息，但若要获取更为全面精确的信息，可结合红外光谱、拉曼光谱等仪器分析，以及从书法、绘画、篆刻等其他角度综合判断更为有效。
注释
①张中卫.多种显微镜介绍[J].现代物理知识，2009，21（3）：19-28.
②蔡梦玲.偏振光显微镜在木斯塘档案纸张纤维检测中的运用[J].文物保护与考古科学，2021，33（2）：52-60.
③刘畅.中国传统手工纸图像分析研究[D].北京：北京科技大学，2015.
④曹天生.中国宣纸[M].武汉：华中科技大学出版社，2016：100-101.
⑤张艳霞，吕淑贤.发笺纸的现代仪器分析—以《天经或问》为例[J].中国造纸，2020，39（4）：52-55.
⑥捷连提耶夫－卡坦斯基.西夏书籍业[Ｍ].王克孝，景永时，译.银川：宁夏人民出版社，2000.
⑦潘吉星.中国古代加工纸十种—中国古代造纸技术史专题研究之五[J].文物，1979（2）：38-48，104.
⑧郭文林，张小巍，张旭光.清宫蜡笺纸的研究与复制[J].故宫博物院院刊，2004（6）：145-152，160.
⑨⑬李晓岑.甘肃汉代悬泉置遗址出土古纸的考察和分析[J].广西民族大学学报：自然科学版，2010，16（4）：7-16.
⑩王菊华.中国造纸原料显微特征及显微图谱[M].北京：中国轻工业出版社，1999.
⑪刘畅，李晓岑，王珊，等.纤维种类与纸龄相关性研究[J].中国造纸，2013，32（8）：63-68.
⑫李涛.古代造纸原料的历时性变化及其潜在意义[J].中国造纸，2018，37（1）：33-41.
⑭易晓辉，田周玲，闫智培.五种清代内府刻书用纸样品纤维显微分析与鉴别[J].文物保护与考古科学，2018，30（6）：53-64.
⑮李艳霞.王羲之行草书雨后帖页（宋摹本），网址：https://www.dpm.org.cn/collection/handwriting/231120.html。
⑯侯妍妍.论古籍修复中纸张检测技术的运用[J].自然与文化遗产研究，2019，4（S2）：133-135.
⑰刘鹏，喻融，李燕，等.纸质文物修复配纸的综合评价—以《金光明经》修复为例[J].复旦学报：自然科学版，2021，60（5）：665-670.
