通过非侵入性方法研究结构和色素赋予羽毛的颜色特征

《ACS Omega》：Investigating Structurally and Pigmentary Colored Featherworks via Noninvasive Methodologies

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羽毛和羽毛制品在文化遗产领域传统上研究较少，它们提供了多种着色机制，因为颜色可能来源于色素、结构色素或两者的结合。在这项研究中，通过一种利用翠鸟羽毛制作复杂设计的工艺——“天翠”（tian-tsui），采用多分析方法对这些制品进行了研究，涵盖了从粘合剂和镀金材料到鸟类种类和色素等多个方面的材料特性和鉴定。值得注意的是，这项工作首次使用高光谱成像技术对羽毛和结构色素进行了分析和表征。通过整合光谱和成像方法，我们展示了多模态方法如何揭示复杂的混合颜色系统，并为研究有机和无机复合材料中的光-材料相互作用建立了框架，强调了理解羽毛色素性质的重要性，以便全面考察物体的物质性。此外，所探索的概念为系统研究羽毛制品的方法提供了新的见解，并揭示了生物纳米结构如何贡献于颜色，推动了文化遗产科学以及光子学、光学和仿生设计等材料科学领域的非破坏性策略的发展。

**引言**
“天翠”（tian-tsui），或称“diǎncuì”，是一种使用翠鸟羽毛制作羽毛制品的特定工艺。据信这种工艺可以追溯到公元前530年，并在清朝达到鼎盛时期。(1) 那些鲜艳的蓝色羽毛被精心地粘贴在支撑材料上，形成复杂的设计，其精确的层叠和制备方法仍然是当前研究的活跃领域。使用这种技术制作的物品包括小型珠宝和发夹，更罕见的情况下还包括屏风面板或壁画。(1?4) 根据物品的形状，单个羽毛倒钩可能被浸入粘合剂中并粘贴在支撑材料上，或者将多个羽毛倒钩粘贴在背板上，然后切割成所需的尺寸和形状。(1?3) 这种工艺的复杂性和耗时性，加上制作这些作品所需的羽毛材料的可获得性，使得这些物品备受重视和追捧。图1展示了一组来自芝加哥菲尔德自然历史博物馆的日历屏风面板（目录编号118334），这些面板看起来是由连续介质制成的，但插图显示了观察到的颜色是由精心排列和粘合在一起的细小羽毛片产生的。

**羽毛制品**
羽毛制品，即包含羽毛的文化文物或艺术品，如使用“天翠”制作的制品，在文化遗产领域是一个传统上研究不足的领域。(5) 通常，艺术品和文物的着色是由于使用了染料和色素。相比之下，羽毛可以包含基于结构的着色（即生物色素）、基于化学的色素，或者两者的结合。(6) 此外，在尝试使用常见的成像和光谱技术识别和表征材料时，羽毛的方向和照明角度可能会带来挑战，例如改变反射行为。(5,7,8) 在这项研究中，通过主要采用非侵入性方法的多分析方法分析了菲尔德博物馆的12个日历屏风面板（图1）。通过对与“天翠”和翠鸟羽毛相关的文献进行文献计量分析，为该领域未探索的研究问题提供了思路。特别值得注意的是，这项研究首次尝试使用高光谱成像（HSI）方法对文化遗产物品上的羽毛和结构颜色进行表征。通过这种方法，研究了色素和染料以及着色机制，并通过非破坏性技术识别出特定材料（如羽毛的鸟类种类或色素）。除了色素之外，还分析了其他材料（如镀金和粘合剂），以更全面地了解物体的物质性。除了技术分析之外，这项工作还探讨了在使用成熟的文化遗产方法检查含羽毛物品时遇到的挑战和能力。通过这样做，这项研究旨在增进对这些复杂艺术品的理解，强调它们在文化遗产中的重要性，同时也解决了这些复杂异质物品材料表征中的总体挑战。

**结果与讨论**
这件羽毛制品由12个单独的屏风面板组成（图1），每个面板代表一个月或一年中的某个时期。面板的顶部插图包含一个宗教符号，而中间插图则描绘与一年中该时期相关的植物或花卉。底部插图包括各种装饰性花瓶和带有植物及花卉元素的展示。(1) 每个面板的高度约为110厘米，宽度略超过20厘米，12个面板的总宽度约为2.5米。通过深入的文献搜索并结合JSTOR和Web of Science数据库的文献计量分析（使用模式匹配和关键词提取方法），发现了学术论文中关于翠鸟和特定技术的参考文献。通过文献计量分析，找到了1500多篇与“翠鸟”、“艺术品”和“羽毛”相关的文章。通过余弦相似度、正则表达式和硬编码指标，根据与“扫描电子显微镜”（SEM）或“光纤反射光谱”（FORS）等相关技术的关键词筛选出了相关文章。研究结果表明，“翠鸟”一词最常用于讨论鸟类行为和栖息地，或描述具有独特蓝色的物品。(9,10) 关于某些翠鸟物种的着色机制、结构和反射特性的研究已经发表在文献中，但对于涉及“天翠”和翠鸟羽毛的文化遗产物品的文献非常有限。(11,12) 在这些文章中，主要关注的是材料制备和鉴定，而不是色素表征。(2?4) 在非“天翠”制品的羽毛制品文献中，色素表征几乎完全集中在基于色素的着色或染色羽毛材料上。(5,13,14) 本研究旨在通过分析和表征参考样本和文化遗产物品来填补这一知识空白。

图1中的羽毛制品是一个特别有趣的“天翠”案例，因为它具有大规模和多样的着色效果。假设在面板上同时使用了基于结构和基于色素的着色方法，为研究不同的着色机制提供了独特的机会。图2a和b展示了其中一个单独的屏风面板及其底部插图的细节。数字显微镜观察显示了羽毛的排列和其他绘画特征。图2c突出了粘合在一起的羽毛倒钩的密度以及典型的翠鸟蓝色。图2d展示了一张参考翠鸟羽毛的扫描电子显微镜（SEM）图像，展示了纳米结构特征——一种类似海绵的角蛋白通道矩阵，相邻特征之间的间距约为200纳米，这种结构产生了典型的翠鸟蓝色。最初认为翠鸟羽毛的着色来源于瑞利散射，但后来的研究表明，这种蓝色是由准有序纳米结构产生的相干散射造成的，由于亚波长尺度和形态，这些纳米结构与入射光相互作用产生了观察到的鲜艳蓝色。(6,11,12)

**初步研究**
初步研究旨在通过光纤反射光谱（FORS）、光学散射测量和高光谱成像（HSI）来表示羽毛反射特性的定性和定量范围。选择了常见的翠鸟（Alcedo atthis）作为现代参考样本，以尽量减少对文化遗产羽毛制品的破坏性采样，因为蓝色是“天翠”制品中最常用和最明显的颜色。图3a展示了翠鸟参考样本的FORS数据随角度的变化情况。尽管翠鸟羽毛的着色角度范围不如其他物种广泛，但这种变化仍然值得关注，特别是考虑到文化遗产制品的三维特性。在某些情况下，甚至使用了可移动部件（如弹簧或悬挂元素）来捕捉和与光线相互作用。(1) 测量是在垂直于表面的固定光源下进行的，光谱仪沿着羽毛倒钩的平面旋转，每次旋转15°。在最小角度15°时，最大反射率为523纳米，而在600纳米以下的光谱整体反射率较高，直到375纳米（图3a, 15°）。随着角度的增加，光谱的形状逐渐改变，反射最大值向更短的波长移动，主要光谱特征也变宽，这与文献中的报道一致（图3a, 30–75°）。(12) 为了进一步阐明FORS数据中的角度变化并可视化着色范围，使用了光学散射测量。光学散射测量也称为光学测角法，可以在更细的间隔（某些系统中达到度的分数）下收集反射光谱。图3b显示了散射测量的结果，其中反射数据已转换为RGB颜色空间，并按收集角度以1°的间隔绘制。该图表有助于说明翠鸟羽毛制品可能的着色情况，并有助于更好地捕捉和展示物体羽毛材料的动态特性。选择的角度范围旨在减少大角度下的信噪比问题，并尽可能代表通常观察到的角度范围。高光谱成像（HSI）是一种常用于文化遗产的技术，它可以在连续的光谱带内收集图像，通常定义为小于10纳米，从而为测量数据集中的每个空间像素生成反射光谱。(15,16) HSI已被用于多种不同材料组成的文化遗产物品，但该方法尚未用于表征文化遗产制品中的羽毛或结构色素。(15,17,18) 开发羽毛制品和结构色素HSI数据集的最佳实践不仅有助于更深入地了解之前讨论的材料的反射特性和行为，还可以通过单一的非侵入性分析技术表征给定文化遗产物品上的所有类型的色素。选择了羽毛轴两侧不同方向和区域的羽毛进行HSI分析（图3c）。根据感兴趣的方向和区域，反射最大值范围从大约490纳米（图3c, 区域1）到510纳米（图3c, 区域7），如垂直虚线所示。整体峰值形状和宽度根据所选区域而变化，尤其是区域2和7。尽管这些区域仅包含蓝色着色，但相应的区域位于羽毛轴上羽毛颜色从蓝色过渡到棕色的地方，这表明该区域的着色机制或纳米结构特征可能发生了变化。虽然这项分析超出了本研究的范围，但这种纳米结构的演变是未来研究的重点。对于第1、3以及4-6区域，光谱特征形状和宽度更加一致，但仍存在一些变化，这表明同一物种的不同羽毛之间、同一根羽毛的不同部位之间以及基于羽毛方向的HSI数据存在定量差异。尽管所呈现的分析绝非全面详尽，但它为开发评估方法提供了起点和讨论基础，尤其是在研究具有结构色成分的文化遗产对象时。此外，对包括HSI在内的不同技术的比较突显了在分析羽毛色素（特别是基于结构的色素）时照明、物体几何形状和仪器设备的重要性。

图3展示了使用FORS（a）、光学散射测量法（b）和HSI（c）对现代普通翠鸟参考样本的分析。

日历屏幕的分析从第十二个面板中的第五个面板开始，该面板描绘了一个扇子——道教八仙之一的钟离权的象征、葡萄藤和花瓶。选择第五个面板中的葡萄藤进行研究的原因是其颜色多样，包括蓝色、紫色和品红色，如图4a中选定的区域所示。此外，第五个面板的底部插图中还含有引人注目的绿色闪亮羽毛。根据初步的视觉观察和历史文献，假设该屏幕区域至少有两种翠鸟的羽毛颜色，分别对应葡萄的蓝色、紫色和品红色：（1）蓝色区域的HSI（图4b光谱1）显示出一个从大约400到575纳米的宽反射带，反射最大值在490纳米，这与之前使用差分反射光谱技术对翠鸟羽毛的研究结果一致；（2）紫色区域的光谱（图4b光谱2）的反射最大值在425纳米，与预测的准有序蓝紫色鸟类结构色相符；（3）品红色区域的光谱（图4b光谱3）虽然也有一个局部反射最大值在425纳米，但在整个可见光范围内有强烈的吸收，随后反射强度急剧增加，这与蓝色和紫色区域的光谱不同。这导致了一个假设：除了基于结构的色素外，还有其他色素可能参与了观察到的着色。为了验证这一假设，通过XRF映射分析了图4a中指定的区域，检测到了汞（Hg）的存在，尤其是在品红色葡萄对应的区域，元素图（图4c）进一步表明朱砂可能是这种额外色素。朱砂是一种硫化汞（HgS），早在商朝时期就经常出现在中国艺术品中，并且有记录显示17世纪的木刻插图中已经有关于朱砂合成方法的信息。此外，制作天翠的艺术家和工匠通过分层不同颜色或类型的材料或改变羽毛密度来调整感知的颜色和质地。图4d中的显微照片进一步支持了这一观点，它显示了底层红色色素上稀疏分布的紫色羽毛。同样的HSI方法也被用来分析屏幕面板底部插图中的绿色羽毛，所得光谱显示出一个主要的光谱特征，即一个较窄的反射带，最大值在530纳米左右（图S1）。这些数据结合分类学观察表明，这种闪亮的绿色很可能是由纯粹基于结构的着色机制产生的，类似于孔雀和绿头鸭的情况，而不是像许多鹦鹉那样由蓝色结构成分与黄色生物色素结合产生的非光谱绿色。这种多模态方法有助于识别复杂的混合颜色系统，并展示了如何将天然羽毛材料中的纳米结构色素与色素结合以改变文化遗产作品中的着色。

图4展示了屏幕面板中通过XRF分析的区域（用虚线标出），以及通过HSI分析的区域（用编号框标出）。图片由菲尔德博物馆提供，编号为118334，摄影师Madeline Meier。

菲尔德博物馆对参考样本的FORS测量有助于识别用于制作面板的鸟类物种。由于羽毛制品的脆弱性以及基于现有FORS设备配置对文化遗产对象进行非破坏性分析的偏好，无法直接在屏幕面板上进行FORS测量。图5a展示了与天翠相关的最常用物种A. atthis的FORS结果。整体光谱形状和535纳米处的反射最大值（图5a，15°）随着角度的增加逐渐向更短波长偏移（图5a，30–75°），这与现代参考数据一致。对于黑冠翠鸟（Halcyon pileata），主要特征是一个从300到550纳米的反射带，反射最大值在432纳米（图5b，15°）。与A. atthis相比，反射光谱的整体形状在角度增加时变化较小，但反射最大值仍随角度增加而持续减小。虽然已经研究了产生黑冠翠鸟紫色色调的纳米结构特征，但这是首次报道对H. pileata的反射光谱和角度依赖性的研究。最后，图5c中相对较窄的反射带最大值在547纳米，在较大角度下出现蓝移，这与之前发表的绿头鸭（Anas platyrhynchos）绿色头部羽毛的反射数据一致。通过之前讨论的多模态分析和历史参考羽毛样本，蓝色、紫色和绿色羽毛分别被归因于普通翠鸟、黑冠翠鸟和绿头鸭。图S2展示了普通翠鸟参考羽毛样本和屏幕面板的HSI结果，以便更好地直接比较并证实普通翠鸟羽毛作为天翠制作中蓝色色素的使用。此外，比较表明HSI有潜力作为一种多分析方法来识别结构色素和羽毛材料。虽然无法一对一地比较HSI和FORS数据，但结合历史知识、天翠所用鸟类的记录、经典分类学（例如羽枝和羽小枝的形态）以及产生结构色素的纳米结构的形态学，以及本文讨论的HSI和FORS数据，使得对其他物种（黑冠翠鸟和绿头鸭）的识别具有很高的信心。

除了具有结构色特征的羽毛外，面板中还使用了多种材料来丰富色彩调色板。非结构色色素（即颜料）是通过HSI和XRF的结合方法识别的。图6a展示了非结构色色素的代表性光谱。每种材料的结果在补充信息中完整呈现，并在此简要讨论。在整个面板中的花瓣和花卉细节中使用的粉红色色素（图6a光谱4和图S6）在533和570纳米处有吸收带，表明使用了基于昆虫的色素，如胭脂虫红或虫胶。XRF（图S3）在屏幕面板的细节和特征中发现了铅白的存在，并且通过HSI（图6光谱1）发现反射在可见光范围内逐渐增强。图6光谱1中535和570纳米附近的额外特征归因于含有部分相邻粉红色色素的混合物。图6光谱2被鉴定为有机黄色，因为XRF未检测到明确的无机元素，而HSI特征在450纳米处有宽吸收带。图6a光谱3和图S4中用于花萼的第一个绿色色素被鉴定为有机黄色和靛蓝的混合物，因为分别在440纳米处有强吸收和670纳米处的吸收最大值。XRF分析未检测到特征性的无机元素。图6a光谱6中发现的第二个绿色色素位于斑点状底纹中，通过XRF映射和HSI反射最大值（图S5）被鉴定为铜基绿色色素，可能是孔雀石。图6a光谱5显示，在整个可见光范围内接近420纳米处有吸收带，这可能归因于绿色色素本身的材料特性或与白色色素的混合。最后，图6a光谱5表明使用了朱砂，因为在整个可见光范围内有特征性的低吸收，并且通过XRF检测到了汞（图S7）。

除了羽毛（特别是那些具有结构色特征的羽毛）之外，面板中还使用了多种材料来增加色彩层次。非结构色色素（即颜料）是通过HSI和XRF的结合方法识别的。图6a展示了非结构色色素的代表性光谱。每种材料的结果在补充信息中完整呈现，并在此简要讨论。图6a光谱4和图S6中的粉红色色素在花瓣和花卉细节中使用，其在533和570纳米处有吸收带，表明使用了基于昆虫的色素，如胭脂虫红或虫胶。图6光谱1中反射在可见光范围内逐渐增强的现象归因于含有部分相邻粉红色色素的混合物。图6光谱2中的有机黄色特征由于XRF未检测到明确的无机元素，并且在HSI特征中在450纳米处有宽吸收带。图6光谱3和图S4中用于花萼的第一个绿色色素被鉴定为有机黄色和靛蓝的混合物，因为分别在440纳米处有强吸收和670纳米处的吸收最大值。图6光谱6中的第二个绿色色素位于斑点状底纹中，通过XRF映射和HSI反射最大值（图S5）被鉴定为铜基绿色色素，可能是孔雀石。图6a光谱5表明在整个可见光范围内有朱砂的特征性低吸收，并且通过XRF检测到了汞。

除了色素外，还研究了粘合材料和镀金装饰元素。图6b展示了粘合样本的傅里叶变换红外光谱（FTIR）。3310 cm–1（N–H伸缩）、1652 cm–1（C═O伸缩）、1544 cm–1（C–N–H弯曲）、1450 cm–1（CH弯曲）和1242 cm–1（CN伸缩和NH弯曲）的带状特征证实了胶水主要是蛋白质性质的，因为光谱上观察到的特征与胶原蛋白肽的振动相关。图6c和图6d中的XRF显示了屏幕面板七上银色装饰元素中的三种不同无机材料组。XRF对镀金区域的分析表明，装饰特征基于锡（Sn）。图6d中的显微照片展示了银色装饰区域的细节。中美洲的羽毛工艺品以其精湛的工艺和复杂的设计而闻名，经常使用黄金等贵重材料以及镀金工艺进行装饰。（30）镀金技术已被广泛应用于绘画、壁画等多种艺术形式，但在羽毛制品上的镀金元素通常仅出现在较大规模的屏风或壁画上，这些作品代表了该工艺的最高水平。（1,3,31,32）通过添加镀金元素和色素着色剂来扩展整体色彩范围，进一步凸显了制作这些作品所需的各种材料和精湛工艺的多样性。

结论：羽毛工艺品为材料分析和表征提供了一个独特而复杂的案例。没有任何一种单独的反射光谱能够在选定的几何形状、方向或光照条件下，适用于所有具有某种颜色的羽毛，即使对于那些基于色素着色的羽毛也是如此。在结构着色情况下，由于角度变化导致的颜色动态范围更加复杂，这一情况更加明显。本研究提供的累积数据为我们了解这种罕见的大规模羽毛工艺品所使用的材料和着色剂提供了见解。对于翠鸟的羽毛成分，从定性和定量角度探讨了其反射特性的范围和差异，以便更好地比较常用的技术，并开始制定评估羽毛工艺品的最佳实践方法，特别是那些包含结构着色成分的羽毛，包括首次研究黑冠翠鸟羽毛反射特性的角度变化。通过整合多种分析方法揭示的混合色素和结构着色现象，强调了多学科研究方法的重要性，这可能会启发生物启发式和仿生材料系统的新架构和设计。所展示的高光谱成像（HSI）数据证明了其作为多模态分析工具的可行性，具有巨大的潜力来研究结构着色剂。未来的工作将基于这项研究，评估HSI分析基于色素着色以及结合结构和色素着色的羽毛的能力。该方法还将扩展到其他表现出不同形式结构着色的文化遗产材料，包括研究HSI在这些光学动态材料中检测角度变化的潜力。同时，未来的研究还将探讨结构着色羽毛的耐光性，并评估纳米结构特征的局部排列如何影响观察到的颜色变化。

实验部分：
- **X射线荧光（XRF）分析**：使用Bruker Elio X射线荧光分析仪进行非侵入式分析，该分析仪配备硅漂移探测器（SDD），Mn Kα线的半高宽分辨率小于140 eV。仪器包含一个铑（Rh）透射靶，电压范围为1–50 kV，可调光束电流为5–200 μA。测量在40 kV电压、50 μA光束电流下进行，点分析的停留时间为60秒，地图分析的停留时间为600毫秒。XRF地图的空间步长为1.0毫米。数据使用PyMca软件进行处理。
- **高光谱成像（HSI）**：使用Resonon Pika II Pushbroom系统记录400–900 nm范围的高光谱成像数据，光谱分辨率为2 nm。系统连接到一个可移动平台上，可以扫描样品的整个宽度。采集过程中，物体由两个宽谱钨卤素灯以45°角照射。使用朗伯参考反射器（Epson UltraSmooth Fine Art Paper，13″ × 19″，A3+，325 g/m2）作为校准目标，将图像立方体转换为漫反射数据。高光谱数据处理使用SpectrononPro软件完成。
- **傅里叶变换红外光谱-衰减全反射（FTIR-ATR）**：使用Bruker Tensor 27 FTIR光谱仪和Hyperion 2000自动FTIR显微镜记录FTIR数据，该显微镜配备氮冷宽带MCT探测器，覆盖4000–450 cm–1的范围，扫描分辨率为4 cm–1，样品来自含有目标粘合剂的屏风面板。为了减少采样和破坏性分析的需要，其他材料未使用FTIR-ATR进行分析。光谱分析和处理使用Opus软件完成，鉴定通过与IRUG库光谱的比对完成。
- **光纤反射光谱（FORS）**：使用OceanView USB2000+光谱仪和Ocean Optics PX-2脉冲氙光源，在200–900 nm范围内收集FORS数据。
- **扫描电子显微镜（SEM）**：使用FEI Quanta 650 ESEM获取扫描电子显微图，工作距离为10毫米。在高真空模式下，加速电压为2.50 kV进行显微图采集。在采集显微图之前，参考翠鸟羽毛样本先经过Denton IV Desk Sputter Coater涂层处理。
- **光学散射测量**：使用Synopsys REFLET 180S Bench 3D（半球形）散射仪和ThorLabs OSL2IR宽带卤素光源进行测量。
- **数字显微镜**：使用usb Dino-Lite数字显微镜和DinoCapture 2.0软件获取数字显微图。
- **文献计量分析**：文献计量分析使用Python完成。正则表达式处理通过re模块实现，余弦相似度的嵌入方法使用Sentence Transformer中的all-MiniLM-L6-v2模型完成。用于文献计量分析的源代码可在GitHub上获取（https://github.com/nulib-ds/FeatherArt.git）。