同步辐射X射线荧光（sXRF）成像

戴维·瑟罗古德（David Thurrowgood）

1．分类

同步辐射X射线荧光（synchrotron X-ray fluorescence，sXRF）成像是对平面上的元素进行定性和定量测量的技术，用的是电磁频谱中的X射线，属于非侵入式成像技术。不同于传统的X射线照相，这种方法提供的不是重元素的密度分布图，而是通过对元素的精确鉴定，用波谱数据生成平面上的元素分布图。

2．说明

X射线荧光（XRF）测量的是特定原子对高能光子照射的反应方式。X射线光子发射到对象表面，引发光子与待测元素间的相互作用。探测器通常与样品表面成角度放置，以测量X射线与样品中元素相互作用后性质的变化。不同的元素对入射辐射的反应不同，因此探测器接收到的辐射也会有专属于每种元素的特性。根据对（微观或宏观）表面上各种元素的检测结果，可绘出一套不同元素在样品中的浓度分布图。可将这种分布图当作图片来查看，但它是由样品表面许多单个分析点位排列成的点阵。sXRF只有在使用同步辐射源的情况下才能取得最佳效果，不过人们正在开发更为有效的实验室方法和便携方法。

3．应用

XRF既可进行宏观水平的检测，也可进行微观水平的检测。光斑大小可从纳米级到毫米级。这种灵活性意味着它既可以测量一个颜料层断面上颜料颗粒的分布变化，也可以测量整幅画面上的元素分布。这项技术主要适用于较重的金属元素，不过在某些实验配置下也可检测较轻的元素。XRF是针对绘画作品在创作过程和复绘过程中所发生变化的最有效检测工具之一，也可以有效地验证一件作品上是否存在与推定的艺术技法和创作时代相符的元素。此外，这种方法对痕量元素的检测也非常有效。这种技术最近在处理采集数据的能力方面有了进步，已可进行数字解构与重建，可对绘画的分层结构进行电脑着色，包括对底色层的色彩重建。这种技术在分析颜料层断面时，可以提供颜料颗粒级的成分细节，包括氧化态信息，这些信息对艺术品的劣化机制评估和作者归属都有价值。sXRF的测量通常需要几天时间。

4．局限性

宏观sXRF成像的应用已经越来越便利，但同步辐射实验要进行全商业化运作仍很复杂，也很昂贵。当画作带有很厚或覆盖性很强的复绘层，或存在多层图像时，这种检测可能会生成几太字节（TB）的高度复杂的数据，部分原因是底层元素的X射线荧光会导致邻近材料的二次激发。信号解析可能需要很高的技术水平和处理性能很高的计算机。衔接性的含铅底料层也可能给检测带来问题。研究对象运送至同步加速器所在地可能也有困难，且实验还可能需要使用特殊的支架。一些研究报告指出，这种检测存在造成有机成分破坏或诱导氧化态变化的潜在机制；另一些研究报告则称，就算故意将样品置于实际实验所需的数千倍辐射之下，也并未造成样品损伤。这种方法还太新，这个问题暂且无法得到充分解答。可依靠一些基金获得免费使用同步加速器的机会，但这些基金都是竞争性的。

警示：若无训练有素的专业人员严格执行安全措施，X射线辐射是极其有害甚至致命的。

同步辐射是出色的和高度可控的手段，仅需毫秒曝光即可取得分析结果，所需的能量也只有传统X射线照相术的几分之一，但如果检测对象含敏感材料，如毛发中的DNA物质，就应当慎重使用这种方法。

5．补充技术

红外照相术、红外反射成像、红外假彩色照相术以及X射线照相术。

6．技术规范与注意事项

—同步辐射X射线束源

—约12.6 keV的2~5 μm X射线束

—探测器，最好为探测器阵列

—可以2 μm步距移动样品的X-Y数控工作台

—数据收集系统，最好为动态可视化数据收集系统

—时间，高度依赖于实验装置

—数据处理能力

7．技术简史

sXRF的出现，可以说是X射线照相术在艺术品研究领域的一项重要进展。2008年，杨森斯（Janssens）用该技术取得了一项对凡·高画作的实验研究成果，并在2013年发表了关于这一技术的评论文章。2016年，瑟罗古德（Thurrowgood）发表了一篇关于高分辨率扫描加色彩重建的论文，展示了该技术的进步。随着技术的发展，这项应用也会得到越来越成功的展现。

8．文献

[1] Thurrowgood D., D. Paterson, M. D. De Jonge, R. Kirkham, S. Thurrowgood, D. L. Howard, ‘A hidden portrait by Edgar Degas’, Scientific reports, 6, pp. 29594. (2016)

[2] Janssens K., M. Alfeld, G. Van der Snickt, W. De Nolf, F. Vanmeert, M. Radepont, C. Miliani, ‘The use of synchrotron radiation for the characterization of artists’ pigments and paintings’, Annual Review of Analytical Chemistry, 6, dd. 399-425. (2013)

[3] Dik J., K. Janssens, G. Van Der Snickt, L. van der Loeff, K. Rickers, M. Cotte, ‘Visualization of a lost painting by Vincent van Gogh using synchrotron radiation based X-ray fluorescence elemental mapping’, Analytical chemistry, 80 (16), pp. 6436-6442. (2008)