● 摘要
古代文物作为人类在历史发展过程中遗留下来的遗物和遗迹具有宝贵的历史、艺术和科学价值。然而，随着时间的流逝，古代文物长期受到各种自然环境的影响，如大多数土遗址出现表面风化、开裂、坍塌等严重病害。其中水分在这些病害中发挥着极为重要的作用。尽管土壤中水分测定已有许多方法，但存在为游离水和吸附水难以分辨问题。而游离水和吸附水对土样物理化学行为有着显著的差异性，也因此在病害的产生与发展中发挥着不同的作用。纸质文物由于其自身材料及环境因素的长期作用使纸张产生发黄、卷曲、断裂，甚至字迹色变等病害。尽管产生这些病害原因复杂，但酸性对纸张文物的损伤作用是很明确的。文物彩绘褪色是一个普遍存在的严重问题，也常常将其归因于颜料的氧化分解。从原理上而言，光散射对染色材料的颜色具有淡化作用是无需置疑的，但基于表面因素的光散彩绘褪色机理却鲜见报道。针对以上与文物保护相关的问题，本研究提出了基于荧光探针法解决上述问题的新思路。根据该思路以及上述研究与文物保护关联性，通过建立与文物保护研究要求接近的模拟样，系统研究荧光探针的荧光行为与上述问题的关联性，以期为文物保护研究提供具有潜在应用价值的理论及技术支持。
荧光探针具有敏感性强、选择性高、类型和方法多样等特点。依据上述研究目标，本论文提出基于荧光探针法探测重塑土样中的水理行为，为土遗址保护模拟研究提供有效的水分含量及形态跟踪检测方法奠定基础；以荧光探针法探测光散射光程，为光散射文物彩绘褪色机理研究提供有效实验证据；利用酸敏感荧光探针直接检测纸张酸性，为建立纸张中游离及结合质子酸的综合检测方法奠定基础。
(1) 水形态敏感荧光探针设计与合成
4′-N,N-二乙基-3-羟基黄酮(FE)是一种对水形态极为敏感的荧光探针。FE在存在分子内质子转移过程，可分别形成正常基态(N)，正常激发态(N*)，异构体激发态(T*)和异构基态(T)。由正常态和异构体相应的荧光相对强度对溶剂极性及氢键作用具有高度敏感性，因而表现出N*与T*态之间相互转化及其荧光发射强度相对变化对环境的敏感性。因此，以两波长发射光谱强度比作为评价指标，具有内参比优势。同时，该荧光探针具有较长的激发波长(400 nm)，避开了紫外光激发时测试样普遍存在吸收而降低其荧光强度的缺陷，具有广泛适应性。因此，该荧光探针具有作为土壤中水分形态探测的可行性和优势。为此，依据文献报道，对FE进行了合成和表征。
以邻羟基苯乙酮和对二乙氨基苯甲醛为原料，在氢氧化钾的作用下回流，发生醛酮缩合反应，再在碱性条件下经过氧化氢氧化，得到4′-N,N-二乙基-3-羟基黄酮，利用气质联用、红外光谱、核磁共振谱、元素分析等手段对其进行了表征。结果表明，所得产物与文献报道一致。
(2) 重塑模拟土样的制备及水形态荧光探针法研究
以所合成的4′-N,N-二乙基-3-羟基黄酮为水形态敏感荧光探针，对TEOS加固前后重塑土样中的吸水性及微量水分挥发过程进行跟踪测定，以其N*与T*强度比率为指标，结合波长变化，将水分形态及相应量变与土样微观结构相关联，同时，与经典介电常数法测定结果相比对。结果表明：与未加固重塑土样相比，TEOS加固重塑土样具有良好的水挥发性。这与未加固样存在较多难以挥发吸附水而加固样存在较少吸附态水有关。从土壤水理行为上，较好地解释了加固样与未加固样在水分挥发上的差异性原因。这一结论与本课题组前期从加固与未加固土样土壤团粒微观结构及组成差异性推测结论一致。与传统方法相比，荧光探针法在重塑土样水分形态探测上不仅具有可行性，而且具有明显优势。
(3) 基于荧光探针法的光散射光程探测研究
从原理而言，光散射可致使颜色淡化。为了证明光散射对颜色的淡化作用可能与缩短光程有关，以负载4′-N,N-二乙基-3-羟基黄酮(FE)荧光探针标记的薄膜和植物叶片作为响应材料，将其置于具有不同孔隙结构的尼龙6有机微孔滤膜之下，用丙三醇或丙酮对其进行浸渍处理以调控其孔隙结构，实现对其光散射能力的调节，利用荧光光谱、多角度全表面反射光谱、扫描电镜、荧光显微镜等手段系统地研究了不同散射程度样品的光散射行为与荧光灵敏度之间的关联性。结果表明：对多孔材料的孔隙进行不同程度填充，可有效消除光散射以增加入射光在材料中的光程，从而提高颜料或荧光探针的光吸收，使淡化色彩明度降低、饱和度提高，使样品中内源性荧光物质的检测荧光灵敏度提高。从原理上证明了光散射可致使颜色淡化机理。
(4) 酸性敏感荧光探针法测定纸张酸度研究
pH敏感荧光探针的光物理行为具有对其微环境酸度敏感响应性，依据该与原理，以尼龙6有机微孔滤膜作为纸张模拟样，用不同pH酸性水溶液将其进行酸化处理，利用对酸性敏感的荧光探针曙红Y钠盐(Eosin Y)对不同程度酸化的尼龙6滤膜进行荧光光谱表征，并采用毛边纸作为模拟纸质文物对其酸度进行测定，系统地比较了国标法测定纸张酸度及荧光探针法测定纸张酸度结果的准确性与可靠性。结果表明：利用Eosin Y作为酸性pH敏感荧光探针测定纸张酸度具有一定的可行性，且该方法具有准确度高、探针敏感度高、操作简便、测量快速及仪器响应时间短等特点。同时，与国标法测定纸张酸度相比，荧光探针法更为准确且可在纸张不同部位进行原位无损测定，对于不可破坏的纸质文物具有普遍适用的效果，也验证了非质子酸也可存在于纸张纤维结构中，通过国标法无法测定纸张中不可溶于水的吸附态质子，而荧光探针法则可满足该测定需求。综合而言，本研究部分结果证实了本文提出的酸性纸张中存在的游离酸和吸附态酸，表明测定水溶液pH以推断纸张pH存在明显误差。通过高灵敏度酸性pH敏感荧光探针法测定纸张的酸度可以同时测定游离态和吸附态酸，且该方法对于原位测定纸张不同部位的酸度具有快速简便的特点。