壁画颜料中的胶结材料——高效液相色谱分析鉴定壁画颜料中的胶结材料

 
　　在中国，古代壁画的遗存非常丰富，许多壁画的保存状况非常完好，说明在古代，画师们已经掌握了十分高超的绘画材料的制作、使用方法和绘画技巧。但是，有些古代壁画损坏十分严重，环境是主要的影响因素，而壁画颜料中的胶结材料的性能也是不可忽视的内在因素。因此，分析研究壁画颜料中的胶结材料及其老化状况对壁画的保护非常重要。由于壁画颜料中胶结材料的类型、含量及老化状况都与壁画许多病害的产生有直接关系，可为选择新的壁画修复加固材料提供科学依据。
　　经过分析调查证明，敦煌壁画中的颜料绝大部分是天然矿物颜料。由于古代用手工研磨的天然矿物颜料一般颗粒都较大，与水不易均匀调和，即使调和了，也容易产生离析，不但不滋润，而且在壁面上的附着力也很低。因此，古代用天然矿物颜料绘制壁画时往往掺加一定的胶结材料调配。现在工业已经相当发达，机械研磨的天然矿物颜料和人工合成的矿物颜料的颗粒度比古代矿物颜料小多了。如此细的矿物颜料，使用时也必须掺加胶结材料调配。这样色彩鲜明，历久不变，颜料也很好地固着在画面上。
　　于非闇先生在《中国颜色的研究》一书中说：“中国绘画的色彩，鲜艳明快历久不变，是经过画家们不断劳动创造的结果。一方面是选择原料，加工炼制，一方面是利用胶矾，使它固着不剥不落”。这就说明，中国画中胶也是一种非常重要的绘画材料。
　　中国古代有很多关于绘画用胶的记载，唐张彦远在《历代名画记》中说：“百年傅致之胶(阿胶用陈的）千载不剥”。当时没有人工合成的胶结材料，绘制壁画时掺加在天然矿物颜料中的有机胶结材料，或是动物胶，或是植物胶。动物胶一般用牛、马、驴等的皮、筋、骨、角加工而成，明胶(通常又分皮胶和骨胶）是动物胶中最普通的一种，鱼胶、蛋清也属于此类胶。植物胶是植物的杆、茎等分泌出的树脂，以加工提取出来的。中国绘画应用最广的植物胶是桃胶。胶矾水中的明矾不直接起胶结作用，它和胶同时加入颜料，起固定胶中蛋白质的作用，从而也起到固定颜料的作用。以上都是些文献记载，但是过去，有关中国古代壁画颜料中的胶结材料还没有人作出过科学的分析。
　　分析古代绘画或壁画中胶结材料的成分，面临的困难较多，首先是样品量的限制，因为在绘画时所加入的胶结材料的量很少，这样很难得到足够的分析试样，加之文物历经千百年的自然环境侵蚀和胶接材料自身的老化，为分析工作带来了极大的难度。因此在国内，壁画颜料中胶结材料的分析一直滞后于对颜料和其他壁画材料的分析研究，有关这方面的报道也较少。过去，日本国东京文化财研究所的见城敏子(Toshiko Kenjo)先生用改型的红外装置对日本古代绘画中的胶作过大量的分析研究工作，证明了在日本掺加在壁画颜料中的胶是鱼骨一类的动物胶，日本叫にがお。日本较早的壁画主要绘制在奈良、京都等地的寺院、殿堂中，环境不同于中国石窟寺的洞窟环境。同时经历的时间也短，这样颜料中的胶还未完全老化。
　　文献报道分析古代壁画中胶结材料的主要方法为色谱法，如薄层色谱、离子色谱、气相色谱，以及裂解质谱等各种分析方法。前几年，已故敦煌研究院的副研究员李实先生，用高速液相色谱的方法对敦煌壁画中的胶结材料作出初步分析。近几年，敦煌研究院的苏伯民博士，用同样的方法对克孜尔石窟壁画中的胶结材料做了全面、系统的分析研究，确定了克孜尔石窟壁画颜料中的胶是牛皮胶。
　　一、高效液相色谱分析鉴定壁画颜料中的胶结材料
　　本分析研究采用高效液相色谱仪(简称HPLC），对壁画中胶结材料的蛋白质作氨基酸组成的分析，以此数据与已知胶结材料的氨基酸组成数据作比较，确定未知胶结材料的类型，并得到其含量数据。
　　(一）实验
　　1.基本原理
　　在天然胶结材料中，不论是植物性胶类还是动物性胶类，都含有丰富的蛋白质，而蛋白质又主要由氨基酸组成。生物化学的研究表明，各种类型的蛋白质都含有相同的20多种氨基酸。具有特殊意义的是，不同物质的蛋白质中，20多种氨基酸的组成比例各不相同，是一组有特征性的常数。找到这个组成比，从某种意义上来说，就等于确定了这种物质的属性。按照逻辑推断，古代历史上没有合成化学工业，古代壁画中所使用的胶结材料必定取自天然有机产物，不是来自动物，就是来自植物。这一推断可以由古文献和传统绘画技法来证实。因此，有可能通过对该类胶结材料的氨基酸组成的分析来确定它的种类。
　　将样品作必要的纯化处理，通过加水分解反应，使组成蛋白质的各氨基酸离解为游离状态。通过诱导化反应，使游离氨基酸具有紫外线吸收活性。将通过以上处理的样品注入高效液相色谱仪，作氨基酸组成分析。将对照样品作同样分析，拿其氨基酸组成的数据与未知样品的数据做比较，即可确定未知样品的类别。
　　2.对照样品
　　从收集到的资料看，古代各类绘画中所使用的胶结材料种类很多，动物类的有牛、驴、马、猪、兔皮等制的皮胶，有鱼胶、奶酪、鸡蛋等。植物类的有桃胶、面糊、米糊等。考虑到中国绘画，尤其是敦煌壁画的特点，结合沿用至今的传统材料，本研究在普遍考察分析以上材料的基础上，把考察的重点放在动物皮胶和植物类桃胶这两类截然不同的材料上。
　　实验用的桃胶对照样品，取自敦煌目前在绘画中广泛使用的同种材料。牛皮胶分别取日本产品、敦煌市和兰州市售品。猪皮胶、兔皮胶、鱼皮胶等均取自日本、法国、意大利、西班牙等国产品。
　　3.壁画试样
　　待测壁画试样取自敦煌莫高窟壁画残片。壁画制作年代，根据画面色彩、线条、内容等判定，各样品在壁画残片上的分布情况见图4-1。
　　4号残片：年代为北朝晚期至隋代(约500～600年）。在此残片上分别刮取红色、蓝色、白色颜料各约5mg。统一编号分别为4-1R、4-2B、4-3W。
　　5号残片：年代为唐代晚期至宋代初期(约900～1000年）。在此残片上分别刮取红色、蓝色、黄色、绿色、白色颜料及地仗层黏土各约5mg。统一编号分别为5-1R、5-2B、5-3Y、5-4G、5-5W。
　　8号残片：年代与5号残片相似，同为唐代晚期至宋代初期。在此残片上刮取绿色、黑色、白色颜料各约5mg。统一编号分别为8-1G、8-2K、8-3W。
　　4.实验方法
　　(1)试样预处理
　　准确称取样品，置于小试管中，加入超纯水。70℃下，使其溶解45min。离心机中离心5min，使溶液与不溶固体分离。用0.22μm微孔筛过滤上清液。
　　(2)加水分解
　　将滤过的上述清液移入微型玻璃试管中，在真空干燥管中干燥1h。在真空干燥管内、微型试管外部加入含有1%苯酚的6mol/L盐酸。在氮气下，减压至1.5mmHg(mmHg，毫米汞柱，非法定单位，1mmHg=1.33322X10(2)Pa)。保持110℃温度，加水分解21h。
　　(3)诱导化反应
　　在加水分解后的样品中，加入由乙醇、水、三乙胺(组成比为2：2：1）组成的洗净液，充分搅拌后真空干燥。在样品中加入诱导化试剂，在室温下使其进行诱导化反应20min。诱导化试剂由乙醇、三乙胺、水和异硫氰酸苯酯(PITC)组成，比例为7：1：1：1。诱导化反应结束后，对样品进行充分的真空干燥，然后加入磷酸稀释液，即可注入高速液相色谱仪进行氨基酸组成的定量分析。
　　5.使用仪器
　　本实验使用的是美国MILLIPORE公司的Waters-PICO-TAG氨基酸分析系统。该系统的主要组成为：M510型高压泵两台、M680型自动流量转换控制器、M440型紫外线检测器、M741型数据处理机、吸收柱恒温槽和温度控制器。
　　6.分析条件
　　吸收柱型号：Waters加水分解氨基酸分离用逆相吸收柱
　　吸收柱规格：3.9mm×150mm
　　吸收柱工作温度：38℃
　　分析时间：12min
　　流动相：流动相为日本光和纯药公司生产的PICO-TAG，用A型载液和B型载液。在整个实验过程中，两种载液的流量，由M680型自动流量转换控制器按预定的程序调节始终处于变化状态。
　　检测：由M440型紫外线检测器检测254nm处的吸光度。
　　7.检测对象
　　被检测的氨基酸种类为18种。作为标准氨基酸样品，采用PIERCE公司生产的、添加有羟脯氨酸和羟赖氨酸的H型标准氨基酸混合液。
　　待测试样的分析注射量为5～10μl。
　　每一个样品的分析次数为3次。
　　(二）数据处理
　　1.标准氨基酸的分析结果
　　标准氨基酸的分析结果被记入M741型数据处理机，以此制定出氨基酸含量的基本检测标准线，用来进行未知试样氨基酸含量的定量分析。
　　2.对照试样的氨基酸含量分析结果
　　对照试样的氨基酸含量分析结果，被数据处理机打印出吸收峰图，并列出各氨基酸的组成比例。这一组成比，即为该种物质的特征常数。
　　3.壁画试样的分析结果
　　壁画试样的分析结果，同样也被以图和表的形式列出。用这一结果与对照样品的结果作比较，即可进行物质种类的讨论。
　　4.壁画试样与对照试样氨基酸组成的比较
　　壁画试样与对照试样氨基酸组成的比较，采用“氨基酸组成类似率”的数学方法。这种数学计算方法简介如下。
　　作比较的A和B两个样品中，各含有几种氨基酸，形成了具有几个不同氨基酸组成的比的两大群体A(a1，a2，…，an)和B(b1，b2，…，bn)。A与B的比较，实际上是依次作a1与b1，a2与b2，…，an与bn的比较。要得到众多数据的综合比较结果，采用被广泛应用的以下公式：
　　式中：S即为“氨基酸组成类似率”；θ为A、B两样品中的n次空间坐标系里作比较时的向量夹角。从S(AB)=cosθ可以看到，类似率S值在0～1之间变化。当A、B两组氨基酸组成完全相同时，n次空间里各条向量线重合，夹角为0°，S=cos0°=1。而在A、B两组氨基酸组成群体中相同成分完全没有的情况下，S=cos90°=O。S值与1的接近程度，即成为判断两种物质相似程度的指数。
　　本实验中被检测的氨基酸种类为18种，即n=18。
　　在S值的计算中，保留小数点后三位数。
　　(三）辅助实验
　　对与胶结材料密切结合的壁画颜料，本研究作了X射线衍射的化学成分分析，以作为胶结材料分析的补充资料。
　　使用仪器：日本理学电机D-80X射线衍射仪
　　工作电流电压：150mA，40kV
　　分析结果：见表4-1
　　(四）结果讨论
　　1.一些动物胶类的氨基酸组成类似率
　　对于作为对照试样的一些动物胶类，我们首先对它们的氨基酸组成比作了考察，其组成类似率，经计算列于表4-2中。
　　表4-2中所列的胶类来自牛、猪、兔三种哺乳动物和鱼类，它们的制造方法也不尽相同。但三种哺乳动物皮所制的四种胶，其氨基酸组成的类似率都很高，均在0.998以上，甚至等于1。可以认为，这是由于哺乳动物的皮中含有相同种类的胶原体，因此用这些动物皮制得的胶中，具有一致的氨基酸组成。相比之下，鱼类胶的情况就有细微的不同。两种鱼胶与哺乳动物皮胶的氨基酸组成类似率为0.989～0.995，略低于哺乳动物之间的数据。这种差距，在众多的氨基酸组成类似率的计算数据中，是微小的，但仍然是一个重要的信息。它说明，在哺乳动物皮制成的胶和鱼类制成的胶之间，存在着差异。这从几对有特征性的氨基酸百分含量的比较中，可以更清楚地看到。在牛皮胶中，丙氨酸占11.2%，脯氨基酸占12.7%，后者高于前者。其他哺乳动物皮胶也具有相同的倾向。而鱼膘胶中，丙氨酸占12.2%，脯氨酸占9.6%，前者高于后者。鱼皮胶同样是丙氨酸量较高。另外，哺乳动物胶中羟脯氨酸占9.6%～9.9%，远远高于含量3.3%～3.7%的丝氨酸。而鱼皮明胶中，羟脯氨酸含量较低，占5.7%，丝氨酸含量较高，占6.3%，鱼膘胶同样。这种截然不同的现象，反映出了两大类动物胶中的主要成分——胶原体的差异。
　　通过以上分析我们可以认为，各种不同动物制成的胶类，存在着相当一致的共性，具有相似的化学性质，以此而大大区别于植物性胶类。因此，完全可以用其中的一种，如以牛皮胶为代表进行未知样品的比较判定。另外，我们也看到，通过精细分析，能够找出哺乳动物胶类与其他动物胶类的差异。这在今后的动物胶的分析中是很有用的。
　　2.未知样品种类的判定
　　11个未知样品的氨基酸组成的HPLC分析结果，分别列在表4-3和表4-4中，8-1G样品未分析出结果，未列入表中。根据HPLC的分析结果所计算出的各未知试样中的氨基酸总含量(单位：pmol/mg，即每毫克样品中含有若干10﹣12摩尔）及未知试样与几种对照试样的氨基酸组成类似率(S值），列于表4-5中。
　　从表4-5中可以看到，三种动物胶对照试样(日本牛皮胶、敦煌牛皮胶、兰州牛皮胶）对于各种未知试样的S值都很接近，变化幅度一般都在0.01以内。因此，我们选定其中的一种，敦煌牛皮胶为代表，进行S值的讨论。另外，5-5W号试样的数据较为特殊。它的氨基酸总含量是所有试样中最低的，只有673pmol/mg，与其他试样差1～2个数量级。它的S值也低于其他试样。这种特殊现象放在下一节中专门讨论。
　　敦煌牛皮胶的S值除5-5W号试样为0.898以外，其他均在0.900以上，最高的为0.984。与表4-2中所列的标准试样的S值相比，这些数据似乎偏低。但考虑到试样的含量之微、与颜料的混合作用及一千多年来的老化结果等，这组数据已经具有足够的说明能力。可以判定，受检测的这批从500～1000年的，包括红色、白色、蓝色、绿色、黄色等颜料在内的10个试样中，使用了同一种类型的有机胶结材料。
　　进一步看，各个试样与敦煌桃胶的S值，除两个(4-2B和8-2K)略高于0.500以外，其余均低于0.500。这样，桃胶类的可能性即可完全排除。结合文献记载古代敦煌的环境特点及至今沿用的壁画制作材料，我们可以进一步断定，这些颜料试样中使用的天然有机胶结材料为牛皮类动物胶。
　　3.S值和氨基酸含量反映的几个信息
　　(1)氨基酸含量与颜料层粘结强度
　　氨基酸含量与颜料层粘结强度，即使在同一块壁画残片上，各种颜色中的氨基酸含量大不相同，与颜料层粘结强度也大不相同。以5号残片为例，黄色样品的氨基酸含量最高，为56472pmol/mg，白色的含量最低，为673pmol/mg，相差近100倍。其他三种颜色的含量居中，红色为20361pmol/mg，蓝色为2695pmol/mg，绿色为1326pmol/mg。如此之大的差别，不可能是当初作画时所为，只能是千年老化的结果。因此，准确的说，氨基酸的这一含量应该叫做“残留含量”，它在某种意义上反映了胶结材料的老化程度。有意义的是，这一“残留含量”与颜料层的粘结强度有密切的关系。在5号残片各种颜料试样的刮取过程中，明显地发现各颜料的粘结强度大不相同。实验记录为，黄色“粘着牢固，呈硬层”；红色“粘着较牢，略显柔性”；蓝色“粘着不如红色牢固，略显酥脆”；绿色“表面较粗，结构松酥，褪色明显”；白色“柔软、疏松”。这种颜料层强度逐步降低的现象，与其氨基酸含量逐一降低的趋势完全一致。这充分说明，胶结材料的老化则导致壁画颜料层胶结强度降低、颜料脱落的重要原因。
　　(2)氨基酸含量与S值的关系
　　氨基酸含量与S值的关系，可通过对试样氨基酸含量和S值仔细考察，可以发现二者之间有非常一致的变化关系。这种关系绘制在图4-2中。
　　由于氨基酸含量的变化幅度高达两个数量级，因此作图时氨基酸含量坐标数值取其常用对数值lgA(A为氨基酸含量）。S为试样与敦煌牛皮胶的氨基酸组成类似率。各试样的氨基酸含量变化情况如虚线所示，S值的变化情况如实线所示。从图中可以看到，较高的氨基酸含量对应着较高的S值，较低的氨基酸含量对应着较低的S值，而且各试样两个数值的变化趋势完全协调一致。我们已经知道，胶结材料中氨基酸含量反映了材料的老化程度，因此，我们可以得到结论：S值也是天然有机胶结材料老化程度的一个重要指标。
　　(3)不同颜料的S值
　　从表4-5中可以看到，样品的氨基酸含量和S值与颜料种类也有明显的内在联系。总的来说，红色、黄色颜料的数值高，绿色、蓝色的数值低。这等于向我们提出这样一个问题，为什么在绿色和蓝色颜料中的胶结材料老化的较为严重，通过具体分析，不难得出答案。S值为0.984、0.980、0.977的4-1R(红色）、5-1R(红色）和5-3Y(黄色）号试样，经X射线衍射分析，化学成分主要为HgS、Fe2O3、FeS、FE2Si04等，化学性质较为稳定。而S值分别为0.906、0.909、0.954、0.601的蓝色和绿色样品4-2B、5-2B、5-4G，经X射线衍射分析，都毫无例外地发现含有各种形式的铜盐，如2CuCO3·Cu(OH)2、Cu(OH)3Cl等。这些铜盐的存在，可能就是这部分胶结材料老化严重的主要原因。在这里，不妨看一篇相关的论述。李最雄在《敦煌壁画中胶结材料老化初探》一文中认为，在潮湿环境下，壁画中的有机胶结材料为霉菌等微生物的繁衍生长提供了良好的条件，微生物在其代谢中产生的草酸，与石青、石绿等含铜颜料作用，生成草酸铜。如果这一论点成立的话，那么以上化学反应的正向进行，必定加速胶结材料的分解、老化，造成氨基酸含量的降低。反过来看，氨基酸含量偏低，说明存在以上化学反应的可能性非常大。总之，在这一问题上，本研究的结果与李最雄的观点较为一致，并可互相印证。
　　另外，需要特别提到的一点是，8-2K号黑色试样，以X射线衍射分析，证明其化学成分主要是Pb02，不论从试样画面的图形分析，还是从逻辑上推断，它是由铅丹(Pb304)颜料变色而来。该试样中氨基酸含量高达22142pmol/mg，S值也是所有试样中较高的，为0.976。这就是说，胶结材料的老化并不严重。从这一事实可以认为，胶结材料参与铅丹颜料变色的现象不明显。
　　(4)不同层次颜料的S值
　　试样S值的变化，也反映出了颜料在壁画画面上的层次关系。总的变化趋势是，表层的S值较高，下层的S值较低。以5号残片为例，上层的红色样品S值为0.980，下层的白色试样的S值为0.898，地仗层黏土的S值为0.800。可以认为，造成这种现象的原因是，在壁画制作过程中，贴近地仗层的颜料中，因水分的渗入而带进了其他有机成分，尤其是地仗中有大量的植物纤维。由于它的影响，会直接改变邻近层次中动物胶的氨基酸组成比例。这一事实提醒我们，在以氨基酸分析为手段进行胶结材料的判定时，必须充分考虑到地层影响的因素。有利的一点是，随着资料的积累，这一规律将对壁画制作技术的研究产生积极作用。
　　(五）结论
　　本研究利用高效液相色谱法，通过对氨基酸组成的分析和对该组成类似率的计算，对敦煌壁画的胶结材料进行了一次较为成功的探讨，得到以下结论：
　　(1)敦煌壁画在制作时，曾在颜料中使用了动物皮胶作黏合剂。这种皮胶以牛皮胶的可能性最大。
　　(2)这类动物皮胶至今保存基本完好，老化、分解现象不严重，可以有效地检测出来。检测试样量仅需l～2mg。
　　(3)部分胶结材料的老化，是导致敦煌壁画褪色的重要原因。
　　(4)这类胶结材料可能参与了某些含铜颜料的变色过程。
　　(5)高效液相色谱分析法是鉴定敦煌壁画胶结材料的氨基酸组成的有效方法，尤其是它的定量分析结果，对壁画褪色、变色、起甲等病害机理的研究有重要意义。
　　不过，这次对敦煌壁画胶结材料的分析毕竟还是首次，有较大的探索性。在解决了部分问题的同时，又遇到了更多的疑问。今后我们计划对壁画中的胶结材料进行更深入的研究，并在胶结材料老化与环境的关系、不同时代壁画颜料中胶结材料的老化状况、胶结材料与颜料变色的关系等方面作一些探讨。同时，进一步完善实验方法的各个环节。