导言

在文物保护与考古研究领域，传统检测手段长期面临破坏性取样、实时分析能力不足及微观信息提取受限等瓶颈。以敦煌莫高窟壁画为例，其脆弱颜料层与复杂叠压结构使得成分鉴定与修复决策常陷入“经验主导、数据缺失”的困境。拉曼光谱技术基于分子振动能级的非弹性散射效应，通过无损检测获取物质的化学成分、晶体结构及分子键信息，为文物分析提供了原子级精度的科学工具。本文介绍了拉曼光谱技术原理，阐释了该技术在壁画颜料溯源等文物保护行动中的突破性应用，结合敦煌“舍身饲虎图”复原、秦俑“中国紫”工艺解码等实证案例，揭示光谱技术如何重构文物保护从“抢救性干预”到“预防性维护”的范式转型，为文化遗产的精准守护与历史认知的深化提供技术锚点。

一、拉曼光谱技术介绍

1.1 拉曼光谱基本原理

拉曼光谱是一种基于分子振动和转动能级变化的分析技术，基本原理是利用光与分子之间的相互作用来获取物质的化学成分和分子结构信息。通过分析拉曼散射光的特征，可以“读取”分子的“光谱指纹”，从而实现对物质的精准识别。

拉曼光谱的检测过程

[1]Youtube：What is Raman Spectroscopy?

1. 激光照射：首先，一束单色激光（如可见光或近红外光）被聚焦照射到样品表面。

2. 分子振动：激光光子与分子发生非弹性散射，导致分子发生振动或转动。这种振动会改变分子的极化状态，从而引起光子的能量（频率）发生微小变化。

3. 拉曼散射：经过分子振动或转动后，光子的频率发生了偏移，这种现象被称为拉曼散射。

4. 光信号采集：散射光经过光栅分光后，由CCD传感器接收。通过分析散射光的波长偏移（拉曼位移）和光强分布，可以获取分子的振动模式信息。

5. 光谱解析：最终生成的拉曼光谱图，每个峰代表特定的分子振动模式，如化学键的振动或基团的转动。

为什么会发生拉曼散射？

当激光光子与分子相互作用时，样品中的分子获得能量，激发电子跃迁，电子跃迁至虚能态，而虚能态是不稳定的，损失能量后电子会回落至末态能级，并释放一个光子。一般情况下会回落至基态，但有时也会返回至不同的末态振动能级。

当电子回落至基态时，释放出一个与入射光频率相同的光子，我们将这种现象称之为弹性散射，也叫瑞利散射。当回落至非基态时，我们称之为非弹性散射，也叫拉曼散射。在发生非弹性散射时，也会产生两种情况，如果散射后释放光子的频率小于入射光子的频率，即电子吸收了部分能量，电子返回高于原始状态的振动能级，这时我们绘制出的谱图称之为斯托克斯线，反之则为反斯托克斯线。

通过测量传入光子和传出光子的光子频率差 ∆v ，我们可以确定分子的能级差，每个分子的能级差都是独一无二的，所以，我们可以通过测量出不同的分子能级差，确定样本中的带测定的分子成分。

分子振动和拉曼光谱的关系

分子振动是指分子中原子之间化学键的伸缩、弯曲或扭曲运动。

每种物质是由不同的分子结构、不同的化学键组成的，每种分子都有其独特的振动模式，这取决于化学键的类型、键长、键角以及分子的三维结构。例如，C-C键、C=O键、N-H键等不同的化学键具有不同的振动频率。

而每种分子在发生拉曼散射效应后，会回落至不同的振动能级的现象的主要原因是，光子的能量与不同分子和分子键振动的能量发生交换，导致光子的频率发生变化。这种频率偏移（拉曼位移）与分子的振动模式直接相关。

因此，通过分析拉曼光谱中的峰位置和强度，可以推断出分子中包含哪些化学键以及它们的振动特性。

如何观察拉曼散射效应

在传感器接收到拉曼散射光谱后，会形成一张拉曼光谱图，通常由多个峰组成，每个峰对应一种特定的分子振动模式。例如：

·不同的峰代表了某种具体的单一化学键的振动，如C-C键、C=O键等。

·不同的强度代表了某种化学物质的浓度。

·多个化学键组成的基团的振动，如苯环的呼吸振动、聚合物长链的振动等。

·晶格振动，反映材料的晶体结构特征。

不同物质由于分子结构不同，其拉曼光谱中的峰位置和强度也会不同，从而形成独特的“光谱指纹”。这种“指纹”特性使得拉曼光谱能够用于物质的鉴别和分析。

1.2 拉曼光谱技术特点

1. 无损检测：无需取样，尤其适用于脆弱文物（如壁画、纺织品）的表面分析。

2. 高灵敏度：可检测微量成分（如颜料中的矿物杂质或降解产物），分辨率达微米级。

3. 快速响应：单点检测仅需数秒，配合扫描装置可生成二维成分分布图。

4. 适用性广：兼容无机材料（矿物颜料）、有机材料（胶结剂、染料）及生物残留物（如古代微生物代谢物）。

1.3 拉曼光谱在文物保护中的典型应用

1. 颜料鉴定：

o区分天然矿物颜料（如青金石、朱砂）与合成替代品（如现代钛白粉）。

o例如，天然的蓝色颜料中最上乘者来源于青金石（玄奘曾命名为“金精”），通过拉曼光谱等技术确认该颜料产自阿富汗东北部矿区，开采的历史有6000年之久。

2. 修复痕迹识别：

o检测历史修复中使用的现代材料（如丙烯酸树脂），划定原始与修复区域边界。

3. 隐蔽信息揭示：

o发现被覆盖的底稿或修改痕迹

o例如，山西永乐宫壁画中揭露元代画家隐藏的朱砂线稿。

二、拉曼光谱在敦煌莫高窟文物保护中的应用实例

2.1 敦煌莫高窟 第254窟 《舍身饲虎图》

相传，国王大车的三个儿子，一日入山狩猎，见一母虎领数幼虎，饥饿逼迫，将食其子。

三太子摩柯萨埵愿舍身救济，以干竹刺颈出血，投身崖下，以身饲虎。

二兄以萨埵饲虎事还告父母，国王及夫人赶至山谷，抱尸痛哭，收拾遗骸起塔供养。

[2] 引用自数字敦煌：莫高窟 第254窟 主室 南壁

这张壁画是《舍身饲虎图》，来源于敦煌莫高窟第254窟，故事源于“摩诃萨埵太子本生”，讲述了释迦牟尼佛前世，见到饿虎预啖其子，大发慈悲之心，为救幼虎，施舍自己生命喂食饿虎的事迹。该壁画以震撼笔触重现了佛教经典故事，艺术和文化价值巨大。

创作者在虎口处匠心独运地运用特殊矿物颜料，通过叠染技法使虎吻血色呈现出动态流淌的视觉效果，这种"以彩拟生"的绝技，让宗教叙事迸发出摄人心魄的张力。

但历经千年氧化，原本鲜红的虎口血迹已肉眼难辨，唯有借助多光谱分析，才能穿透表面风化层，还原出颜料叠加形成的“血珠凝结”立体效果。

这些脆弱的历史信息承载了我们辉煌的历史文明基因，但在文物保护工作中，稍有不慎又会造成损坏。这种微观层面的保护困境，正是敦煌壁画“延年益寿”工程中极具代表性的技术挑战。

[3] 图片源于央视频：多光谱技术揭开敦煌壁画之谜，《舍身饲虎图》原来长这样！

敦煌壁画《舍身饲虎图》中褪色的虎口血色，是历史留给我们的加密语言——那些肉眼难辨的矿物颜料叠加层，既承载着古代画师的匠心，也隐藏着丝路贸易与佛教东传的密码。

如何不伤分毫地“解码”这些脆弱的历史信息？现代光谱技术给出了答案：

通过拉曼光谱技术，无接触式的捕捉不同物质的分子信号，让我们得以有机会还原文明的记忆。

2.2 拉曼光谱分析文物颜料成分

古壁画中颜料成分的拉曼光谱分析的过程

1. 光谱监测系统的固定

首先将检测装置的横向导轨（基座导轨）置于宽敞空间内；将支架置于方便进行拉曼光谱检测及操作的空间位置并固定：然后将XY轴微调台方向调整为探头方向向下，并检查稳定性。将残片样品或可移动样品平稳放置于探头下方，待测区域靠近探头位置；或将检测装置通过可滑动导轨和粗调二维平台的调整，靠近壁画待测区域表面。

2. 对便携式光纤拉曼光谱仪进行开机及使用前检查调试，保证正常、安全的工作状态。

3. 对残片及壁画样品表面进行观察并对样品表面特征区域进行分区、编号。

4. 检测前安全指数分析

通过表面观察，以颜料为例，通过颜色辨别分析可能存在的构成物质，根据试块样品检测时的经验参数，选择测试安全功率使用范围。

5. 便携式光纤拉曼光谱仪的数据采集及数据数据处理。

[4]引用自：古代壁画中颜料及染料的拉曼光谱研究, 常晶晶 - 长春: 吉林大学, 2010

敦煌莫高窟254窟《舍身饲虎图》的分析结论

敦煌研究院通过采用拉曼光谱、X 射线荧光光谱（XRF）与多光谱成像技术，对 254 窟 “萨埵太子本生” 壁画进行原位分析。通过对比颜料光谱数据库，识别出铅丹（红色）、靛蓝（蓝色）等矿物颜料，并在红外光下显现肉眼不可见的修改痕迹（如老虎尾巴的二次绘制）。

[5]图片源于知乎：科技观测敦煌壁画

2.3 敦煌研究院成功开展文物保护行动

[6]图片源于数字敦煌：莫高窟 第254窟 北魏

目前，研究院已经根据原位分析结果，使用多光谱技术开展了深入的数字化模拟复原工作。数字化模拟复原的莫高窟254窟壁画“萨埵太子本生”，如同刚刚绘制成，艳丽明亮，与斑驳黯淡、饱经沧桑的原始壁画形成鲜明对比。敦煌研究院副研究馆员柴勃隆介绍，这是莫高窟首幅用多光谱技术复原的壁画。在紫外光、红外光下，肉眼看不到的壁画线条、有机颜料使用位置等细节都浮现出来，如同人民币在紫外线下会呈现防伪标识一般。运用多光谱技术，最终可以对壁画颜料层及绘画技法进行“科学”而非主观的复原，还原到壁画最初创作时的模样。而且这种方式是无损的、非接触的，不会对壁画造成损害。[7] 引用自敦煌研究院：千年敦煌绘新卷 | 现代科技守护古老敦煌

三、拉曼光谱在文物保护行动中的广泛应用

敦煌莫高窟的《舍身饲虎图》文物保护案例并非孤例，据国家文物局统计，全国馆藏文物中50.66%存在腐蚀损害，彩绘陶俑的褪色、青铜器的粉状锈、纸质文物的酸化脆变、丝织品的纤维断裂，每年造成的文化信息流失难以估量。

除了敦煌莫高窟外，以下重要文物保护中也用到了拉曼光谱技术，产生了巨大价值：

1、“中国紫”：秦俑彩绘中发现的 “中国紫”，是战国至秦汉独有的人工合成颜料，自然界无对应矿物，其合成工艺失传千年，传统鉴定无法解析其分子结构与工艺起源。秦始皇帝陵博物院使用拉曼光谱及其他技术手段，确认秦俑中的“中国紫”的主要成分乃是硅酸铜钡（BaCuSi2O6），证实“中国紫”是秦代独立发明高温固相合成技术，原料为铅钡玻璃与孔雀石的偶然产物，推翻 “受埃及蓝启发” 的假说。

[8]图片源于搜狐：秦朝先民发明的“中国紫”只在超导世界中发现，这是如何做到的？

2、“北魏陶俑”： 洛阳市文物工作队利用拉曼光谱，测量了洛阳地区两座北魏墓葬出土的陶俑，通过陶俑上彩绘颜料的拉曼光谱与标准颜料样品拉曼光谱进行比较分析，识别出了其颜料的成分。本次测量，首次在彩绘陶俑上发现青金石颜料，这对于研究当时经由丝绸之路的东西方贸易和文化交流，实证北魏通过丝绸之路引入青金石，构建 “颜料贸易 - 工艺传播” 证据链，具有很重要的历史价值。

[9]图片源于仪器信息网：巧用拉曼光谱测颜料，无损探秘古代艺术品

3、《蚱蜢与紫菀花》：通过包括拉曼光谱等的多种无损分析技术，成功鉴定了画作中的大多数颜料成分，还揭示了其退化特征，为理解清代绘画技法和艺术风格提供了重要依据，为这幅艺术品提供了更为深入的解读。并系统性地分析纸质文物的颜料、结构和退化情况，推动了纸质文物保护方法的发展，为类似艺术品的保护与修复提供了可借鉴的经验和技术路径。[2]引用自微信公众号：文献推荐|课题组与国家博物馆合著文章——清代卷轴画《蚱蜢与紫菀花》的无损颜料鉴定与表征

[10]图片源于微信公众号：文献推荐|课题组与国家博物馆合著文章——清代卷轴画《蚱蜢与紫菀花》的无损颜料鉴定与表征

从秦俑的“中国紫”到敦煌的“千年蓝”，拉曼光谱以纳米级精度重构文物的物质基因，不仅是颜料的“分子指纹”，更是文明的“时光密码”。

展望未来，我们将继续深化多光谱技术在文物保护中的应用，推动考古和文物保护工作迈向分子级别，为文化遗产的传承与保护注入新的活力。

来源声明：

[1]Youtube：What is Raman Spectroscopy? | https://www.youtube.com/watch?v=hue2TrYXY54

[2]数字敦煌：莫高窟 第254窟 主室 南壁 | https://www.e-dunhuang.com/cave/10.0001/0001.0001.0254

[3]央视频：多光谱技术揭开敦煌壁画之谜，《舍身饲虎图》原来长这样！ | https://w.yangshipin.cn/video?type=0&vid=m0000664dqw

[4]古代壁画中颜料及染料的拉曼光谱研究, 常晶晶 - 长春: 吉林大学, 2010

[5]知乎：科技观测敦煌壁画 | https://www.zhihu.com/market/album/1189975536305291264/section/1190322745408544768

[6]数字敦煌：莫高窟 第254窟 北魏 | https://www.e-dunhuang.com/cave/10.0001/0001.0001.0254

[7]敦煌研究院：千年敦煌绘新卷 | 现代科技守护古老敦煌 | https://www.dha.ac.cn/info/1021/5034.htm

[8]搜狐网：秦朝先民发明的“中国紫”只在超导世界中发现，这是如何做到的？ | https://www.sohu.com/a/549841245_121381785

[9]仪器信息网：巧用拉曼光谱测颜料，无损探秘古代艺术品 | https://www.instrument.com.cn/news/20170615/221977.shtml

[10]微信公众号：文献推荐|课题组与国家博物馆合著文章——清代卷轴画《蚱蜢与紫菀花》的无损颜料鉴定与表征 | https://mp.weixin.qq.com/mp/wappoc_appmsgcaptcha?poc_token=HOKJ52ejg1GjWVYBGo3Hhe-98ePby3xGGG_UF3Gb&target_url=https%3A%2F%2Fmp.weixin.qq.com%2Fs%2FwP0Oxk3bDy5459H-UVHw1g