2. Световая микроскопия

В световой микроскопии лучи света от микрообъекта, проходя через систему собирательных линз — объектив и окуляр,- дают в соответствии с законами оптики увеличенное изображение изучаемого образца. Пучок света, проходящий через исследуемый образец или отраженный от него, меняет одну или несколько характеристик (длину волны, интенсивность, фазу или плоскость поляризации), что сопровождается различными оптическими эффектами -— поглощением, отражением, преломлением, дифракцией, интерференцией, дисперсией, люминесценцией и другими, которые в совокупности и составляют изображение. В настоящее время световая микроскопия — это целый комплекс методов, использующих различные оптические эффекты. Наличие тех или иных оптических эффектов, помимо других факторов, зависит от способа освещения: различают микроскопию отраженного и проходящего света. В первом случае пучок света падает перпендикулярно или наклонно на поверхность микрообъекта, а изображение его компонентов строится за счет лучей, отраженных поверхностью; во втором — микрообъект помещается в пучок света, так что изображение его компонентов строится за счет лучей, прошедших через весь объем микрообъекта.

Благодаря многообразию оптических эффектов комплекс микроскопических методов позволяет наглядно выявить наличие различных компонентов в микропробе и их пространственное распределение, а также измерить оптические константы отдельных составляющих, по которым их можно идентифицировать. Чтобы выбрать оптимальную схему микроскопического исследования, необходимо хорошо знать оптические свойства материалов живописи и возможности различных микроскопических методов.

Световые микроскопы — доступные, простые и удобные аналитические приборы. Микроскопы проходящего света состоят из опорного штатива, на оптической оси которого последовательно смонтированы источник света и устройство для его юстировки, полевая диафрагма для ограничения размеров пучка света, конденсор для фокусировки пучка света на микрообъект, встроенная в конденсор апертурная диафрагма для регулирования освещенности препарата, столик для закрепления и перемещения препарата с микрообъектом, а также для фокусировки оптической системы на препарате, фотонасадка. В микроскопах отраженного света между конденсором и объективом помещается полупрозрачный опак-иллюминатор, позволяющий через один объектив освещать микрообъект и наблюдать его в отраженном свете.Увеличение микроскопа равно произведению увеличении объектива и окуляра. Увеличение (например, 10х) обозначается на боковой поверхности объектива и в верхней части окуляра. Смена увеличениу достигается путем смены объективов и окуляров, однако в некоторых современных моделях возможно также плавное изменение увеличения.

Для предварительного просмотра микропроб живописи в отраженном свете, определения ее структуры и примерного состава, а также для приготовления пробы к дальнейшему исследованию и ее микрохимического анализа применяются бинокулярные микроскопы с увеличением до 100х. Они обладают большим полем зрения, а расстояние между объективом и микропробой удобно для препаративной работы. Наличие источника света позволяет работать по методу косого освещения.

Для детального анализа компонентов микропробы наиболее удобны и эффективны поляризационные микроскопы для проходящего и для отраженного света. Эти микроскопы снабжены светосильной оптикой высокого качества, специальным осветителем и бинокуляром, что позволяет получать яркое и четкое стереоизображение при увеличениях до 1000х по методу светлого и темного полей в обычном и поляризованном свете. Обычно микроскопы укомплектованы фотоаппаратом для фиксации микроскопического изображения на фотопленку 35 мм.

Микроскопия в отраженном свете используется прежде всего для исследования поверхности непрозрачных микропроб. Микроскопическое изображение в этом случае строится за счет поглощения, зеркального и диффузного отражений (рассеяния), (1 а в ультрафиолетовой области-также за счет люминесценции.

В отраженном свете наиболее целесообразно проводить стратиграфический анализ многослойных образцов живописи на поперечных шлифах: оценивать количество слоев и их линейные размеры, анализировать распределение отдельных компонентов в пределах каждого слоя, определять цвет, форму, размеры индивидуальных зерен каждого компонента в красочном слое или грунте. Чтобы избирательно выявить отдельные компоненты на поперечных шлифах при работе в отраженном свете, эти компоненты часто окрашивают с помощью специфических микрохимических реакций. Микроскопию в отраженном свете применяют в процессе проведения микрохимического, сорбционного и термического анализов.

_________

1) При зеркальном отражении падающий свет только один раз отражается от гладкой поверхности вещества, так что угол падения и угол отражения равны. При диффузном отражении свет многократно отражается неоднородной поверхностью, прежде чем попадет в объектив.

Источник: ТЕХНОЛОГИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОИЗВЕДЕНИЙ СТАНКОВОЙ И НАСТЕННОЙ ЖИВОПИСИ. ГосНИИР - М., 2000

Микроскопия в проходящем свете

Микроскопия в проходящем свете используется для детального изучения любых окрашенных и бесцветных компонентов. При работе в проходящем свете микропробу обычно помещают в постоянный иммерсионный препарат, что улучшает качество изображения и делает микроскопию более информативной. Микроскопическое изображение в этом случае строится за счет поглощения, пропускания и преломления света. Контуры бесцветных зерен в проходящем свете образуются темной и светлой полосками Бекке, возникающими за счет различий показателей преломления зерен и иммерсионной среды. В некоторых минералах контуры могут строиться за счет красной и голубой полосок, возникающих в результате дисперсии белого света на краях зерен. В самых мелких зернах 0,5-2 мкм, приближающихся по размеру к пределу разрешающей способности микроскопа, контур отмечается разноцветными кольцами, возникающими при дифракции света. Оба эти фактора — дисперсию и дифракцию — необходимо учитывать при анализе цветовых характеристик мелкодисперсных пигментов при работе в проходящем свете.

Микроскопия в проходящем свете, особенно при использовании поляризованного света, а также фазово-контрастного и иммерсионного методов, позволяет получать разнообразную информацию о компонентах микропробы по различиям в поглощении, в морфологических характеристиках зерен и кристаллооптических константах. При средних увеличениях 100-200х проводят общую оценку количества компонентов и их распределение в микропробе. При больших увеличениях 400-1000х детально оценивают и измеряют цветовые и морфологические характеристики индивидуальных зерен и их кристаллооптические константы, а по ним проводят групповую или индивидуальную идентификацию отдельных компонентов.

Метод косого освещения применяется при работе в отраженном свете, обычно при предварительном изучении микропробы. Изображение при таком освещении строится за счет зеркального и диффузного отражений света от компонента микропробы. Варьируя угол освещения и вращая осветитель вокруг оптической оси микроскопа, с помощью этого метода можно выявить в микропробе небольшие примеси зерен с сильным зеркальным отражением на фоне избытка компонентов того же цвета, но с преобладающим диффузным рассеянием, например зерна гематита среди красной глинистой охры, зерна кварца или пленки связующего на фоне мела. Важная особенность косого освещения — наличие темной тени у объемных зерен, лежащей со стороны, противоположной источнику света и увеличивающей контраст между зерном и фоном.

Метод светлого поля основан на освещении препарата пучком света перпендикулярно его поверхности. В этом случае изображение получается на светлом фоне. Если в пробе преобладают компоненты с сильным зеркальным отражением, например кальцит, то при работе в отраженном свете возникают нежелательные эффекты «засветки» поля зрения, что мешает наблюдать другие компоненты и значительно ограничивает возможность применения этого метода. В проходящем свете, особенно с применением поляризованного света, этот метод широко используется для микроскопического исследования любых, и особенно слабоокрашенных и бесцветных, компонентов красочного слоя и грунта в постоянных иммерсионных препаратах.

Метод темного поля применяется, в основном, при работе в отраженном свете. Если объект равномерно осветить светом, падающим под малым углом к его поверхности, то лучи света, зеркально отраженные от деталей образца, не попадут в объектив микроскопа и микроскопическое изображение на темном фоне будет строиться только за счет диффузного отражения. Это позволяет избежать нежелательной «засветки» компонентами с сильным зеркальным отражением. Освещение под малыми углами осуществляется либо с помощью специальных зеркальных объективов, либо с помощью пластинки с зачерненной центральной частью, которая помещается в конденсор. Метод темного поля позволяет наблюдать любые окрашенные компоненты в микропробе на фоне избытка белых компонентов с сильным зеркальным отражением, что невозможно в случае светлого поля. Цветовые характеристики пигментов, полученные при работе в отраженном свете при малых увеличениях по методу темного поля за счет диффузного отражения, будут зависеть не только от поглощения, но и от формы и размеров частиц или степени их неоднородности. Поэтому для более правильной оценки цветовых характеристик в этом случае необходимо работать при больших увеличениях, когда хорошо видны отдельные частицы пигментов.

Метод фазового контраста служит для преобразования различий в показателях преломления отдельных компонентов — фазового контраста — в различия цвета или яркости. Он наиболее эффективен для исследования в проходящем свете прозрачных бесцветных компонентов, различающихся показателями преломления, с близкими величинами двулучепреломления или оптически изотропных. Поэтому метод позволяет различать некоторые минеральные и органические компоненты, в том числе слоистые силикаты, а также выявлять неоднородности состава в пределах одного зерна или агрегата зерен, что бывает важно при анализе пигментов.

Принцип метода состоит в том, что луч света, освещающий препарат, с помощью фазово-контрастной приставки разделяется на два: один проходит через препарат, другой — через специальную пластинку в объективе, позволяющую сдвигать фазу. Между двумя лучами возникает разность хода, которая зависит от различий в показателях преломления компонентов и от величины сдвига фаз в приставке. В поле зрения эти два луча совмещаются и интерферируют за счет разности хода. Поэтому если в микропробе два зерна различаются показателями преломления, то при освещении препарата одно будет темней, а другое — светлей. Эти зерна будут также обладать различной интерференционной окраской, яркость и цвет которой будет зависеть от их показателей преломления и толщины.

Кристаллооптический метод. Для этого метода характерно то, что микроскопическое изображение строится за счет оптических эффектов, возникающих при взаимодействии поляризованного света с компонентами микрообъекта. Для этого применяются поляризационные микроскопы, у которых между конденсором и столиком помещен поляризатор, а между объективом и окуляром — анализатор (специальные пластинки, которые избирательно пропускают лучи только с одной плоскостью поляризации и поглощают все остальные). Поэтому свет, проходя через них, поляризуется. Вращая поляризатор или анализатор вокруг оптической оси микроскопа, можно менять направление плоскостей поляризации света.

В поляризационном микроскопе препарат можно освещать либо параллельным, либо сходящимся (коноскопическим) пучком поляризованного света, для чего между источником света и конденсором вводится специальная коноскопическая линза. Между объективом и окуляром встроена линза Бертрана для наблюдения так называемых коноскопических фигур. Столик микроскопа, на котором фиксируется препарат, снабжен по периметру угловой шкалой. Вращая столик вокруг оптической оси, можно измерять углы между любым выделенным направлением в монокристаллическом компоненте микропробы и направлением плоскостей поляризации в поляризаторе и анализаторе. Микропробу при работе этим методом помещают обычно в иммерсионную жидкость, чаще всего — в постоянный иммерсионный препарат, что улучшает качество изображения. Наиболее доступны, удобны и эффективны при исследовании микропроб живописи поляризационные микроскопы проходящего света.

В поляризационном микроскопе можно выявить компоненты микропробы и оценить их пространственное распределение по различиям в кристаллооптических константах, набор которых характерен для каждого твердого вещества. Это наличие или отсутствие двулучепреломления, его величина, оптический знак, количество и направление оптических осей (осность), угол угасания, плеохроизм. Чтобы в поляризационном микроскопе измерить эти константы и по ним идентифицировать компоненты микропробы, применяются следующие основные кристаллооптические эффекты: интерференционная окраска, ее угасание при вращении поляризатора и анализатора, коноскопические фигуры, изменение цвета и интенсивности окрашенных кристаллов при вращении поляризатора.

Твердые вещества по степени однородности делятся на изотропные и анизотропные. Изотропными называются вещества, у которых физические и химические свойства одинаковы во всех направлениях. Из материалов живописи в эту группу входят все аморфные вещества, такие, как пигменты-стекла (смальта и александрийская фритта), все органические пигменты и связующие, некоторые глинистые минеральные пигменты, а также кристаллические пигменты с кубической сингонией —лазурит (ультрамарин), оксиды Са, Mg, Сu. Все эти вещества имеют единственный показатель преломления n0 и не поляризуют преломленный свет.

Большинство кристаллических веществ, в том числе минеральные пигменты, анизотропны; их свойства не одинаковы по различным направлениям кристаллов. Степень анизотропии определяется симметрией элементарной ячейки кристаллов — так называемой сингонией. В то время как кристаллы с высокой сингонией (кубической) являются изотропными, средняя (гексагональная, тетрагональная, тригональная) и низшая (ромбическая, моноклинная, триклинная) характерны для анизотропных кристаллов.

Анизотропным веществам присуще явление двулучепреломления (двупреломления) — двойного лучепрреломления: по одному направлению распространяются два плоскополяризованных луча, у которых плоскости поляризации взаимно перпендикулярны, а показатели преломления различны. Анизотропные кристаллы в общем случае характеризуются тремя показателями преломления: ng- наибольший, nm-средний, nр- наименьший.

В кристаллах средней сингонии, оптически одноосных, преломленный луч света распадается на два луча: обыкновенный, неполяризованный, с показателем n0, не зависящим от направления падающего луча, и «необыкновенный» (поляризованный) с показателем преломления nе зависящим от направления падающего света. Одноосные кристаллы характеризуются оптическим знаком: если ne> n0, то есть если nе = ng, а n0 = nр, то кристалл оптически положителен, а если n0 > ne, то есть n0 = ng, а nе = n р, то — оптически отрицателен.

В кристаллах низшей сингонии, называемых дву-осными, кроме обыкновенного луча с показателем nm, можно обнаружить в зависимости от направления два «необыкновенных» (поляризованных) луча с показателями преломления ng и np. Двуосные кристаллы характеризуются углом 2V, определяемым по оптической индикатрисе. Если 2V>90°, то кристалл оптически положителен, а если 2V<90° — оптически отрицателен.

Величина двулучепреломления An для любых анизотропных кристаллов равна разнице между наибольшим и наименьшим показателями преломления, то есть An=ng- np.

Бесцветные анизотропные компоненты микропробы можно выявить с помощью кристаллооптического эффекта интерференционной окраски. Если образец осветить монохроматическим светом при скрещенных под углом 90° поляризаторе и анализаторе, то анизотропные компоненты будут выглядеть светлыми на темном фоне. Если в тех же условиях их осветить белым светом, то эти компоненты будут выглядеть окрашенными в разные цвета. Такая окраска называется интерференционной, так как она возникает за счет интерференции в анизотропных кристаллах двух лучей с разными показателями преломления. Изотропные компоненты как в монохроматическом, так и в белом свете будут выглядеть черными и сливаться с черным фоном. Это позволяет наблюдать только анизотропные компоненты.

Цвет и интенсивность интерференционной окраски определяются произведением величины двупреломления An =ng-np и толщины кристалла в направлении распространения света А1, то есть An A1. По мере увеличения этого произведения цвет и интенсивность интерференционной окраски будут периодически меняться. Совокупность окрасок одного периода называется порядком окраски.

Эффект периодического изменения интерференционной окраски особенно наглядно можно наблюдать с помощью эталонного кварцевого или гипсового клина, в котором толщина плавно возрастает. Вначале при очень малой толщине окраска серая, затем по мере увеличения толщины она последовательно сменяется белой, желтой, бурой, оранжевой и красной. Эти окраски образуют первый порядок интерференционной окраски, вслед за которым при дальнейшем увеличении толщины клина последовательно идут окраски второго порядка: фиолетовые, голубые, зеленые, желтые и снова красные. При дальнейшем увеличении толщины окраски в таком же порядке периодически повторяются, но их интенсивность падает. В зернах пигментов обычно наблюдаются окраски 1, 2, 3 и 4-го порядков.

Для оценки порядка интерференционной окраски в зернах ее сравнивают с окраской эталонного кварцевого или гипсового клина. Для этого клин помещают в специальное отверстие в тубусе поляризационного микроскопа и двигают его до тех пор, пока интерференционные окраски зерна и клина не станут близки по цвету и интенсивности. Оценив порядок окраски в зерне, по таблицам можно определить величину произведения An A1. Затем измеряют толщину зерна А1, последовательно фокусируя микровинт на верхнюю и нижнюю грани зерна и отмечая количество делений, на которые он переместился. Предварительно микровинт должен быть проградуирован на образцах с известной толщиной.

По величинам An/A1 и А1 можно определить An =ng-np, то есть величину двупреломления данного анизотропного зерна в микропробе. Необходимо помнить, что измерить величину двупреломления по интерференционной окраске сравнительно просто только в бесцветных кристаллических компонентах. В окрашенных кристаллах интерференционная окраска накладывается на окраску за счет поглощения, что часто затрудняет оценку двупреломления. Кроме того, важно иметь в виду, что сравнивать компоненты микропробы по интерференционной окраске можно только в зернах одинаковой толщины. В зернах разной толщины необходимо вводить поправку: при увеличении толщины порядок интерференционной окраски возрастает, при уменьшении — падает.

Различия в интерференционной окраске позволяют оценить число компонентов в микропробе, не определяя их природы, а также провести их групповую идентификацию.

Кристаллооптический метод — наиболее простой и удобный метод группового определения органических компонентов — пигментов и связующих. Поскольку они оптически изотропны и не имеют интерференционной окраски, их легко отличить от большинства минеральных пигментов, обычно анизотропных. Оптическая изотропность является также диагностическим признаком пигментов-стекол (смальты), некоторых глинистых минералов (аллофана, галлуазита), кристаллических пигментов с кубической сингонией (лазурита, оксидов Сu, Са, Mg).

Очень важно при работе кристаллооптическим методом предварительно просмотреть интерференционную окраску в порошкообразных препаратах эталонных пигментов и связующих.

При работе с поляризационным микроскопом полезно знать некоторые закономерности, связывающие величины двупреломления и строение анизотропных минералов: при возрастании атомного номера катиона в минерале величина двупреломления в его зернах возрастает (Pb>Fe>Ca >Mg), при увеличении размера аниона в минерале величина двупреломления уменьшается (сульфиды > оксиды > карбонаты > сульфаты > глинистые минералы). По порядку интерференционной окраски можно оценивать класс или группу минерала: яркую радужную окраску даже в зернах размером 1-2 мкм имеют оксиды Pb, Sn, Zn, Ti, некоторые сульфиды (реальгар, аурипигмент), яркая радужная окраска в зернах 5-10 мкм наблюдается в большинстве карбонатов и в некоторых слюдах при определенных ориентациях, яркую желтую окраску в зернах 5-10 мкм имеют некоторые гидрослюды; светлая желтая или серая окраска наблюдается в сульфатах, фосфатах, большинстве глинистых минералов, гидрооксидах Аl и Mg.

Не менее существенный момент исследования — определение направления оптических осей и эффекта погасания кристалла. Если оптические оси монокристалла совпадают с направлением плоскости поляризации поляризатора или анализатора, то при скрещенном поляризаторе и анализаторе наблюдается полное затемнение (погасание) зерна кристалла. Если же оптические оси кристалла составляют угол 45° с плоскостями поляризации поляризатора или анализатора, то наблюдается максимальное просветление. Поэтому при вращении препарата вокруг оптической оси микроскопа на 360° в зернах монокристаллов четыре раза будет наблюдаться погасание и четыре раза — просветление. Таким образом можно определить ориентацию оптических осей в каждом анизотропном монокристаллическом зерне. В поликристаллических агрегатах вследствие случайной ориентации микрокристаллов полного погасания и просветления не наблюдается, что позволяет отличить зерна-монокристаллы от поликристаллических агрегатов.

Чтобы определить, какая из осей соответствует осям ng и nр образец при скрещенных поляризаторе и анализаторе ставится на просветление, после чего между препаратом и анализатором вводится специальная компенсационная пластинка с известной ориентацией этих осей. Если одноименные оси в исследуемом кристалле и компенсационной пластинке параллельны, то порядок интерференционной окраски увеличивается, а если перпендикулярны, то — уменьшается. Сравнивая соотношения величин nе и n0 в одноосных кристаллах, определяют их оптический знак.

При освещении препарата сходящимся пучком света с помощью линзы Бертрана при объективах 60х-90х на отдельных зернах-монокристаллах можно наблюдать специфические кристаллооптические эффекты — темные коноскопические фигуры в виде креста для одноосных кристаллов или в форме ветвей гиперболы для двуосных кристаллов. Анализ формы коноскопических фигур позволяет определить в зерне важные диагностические признаки — количество оптических осей, оптический знак, угол 2V. К сожалению, большинство наиболее распространенных минеральных пигментов очень сильно диспергированы и не дают четких коноскопических фигур. Однако в некоторых минеральных компонентах с достаточно большой твердостью, присутствующих в материалах живописи в виде довольно крупных зерен, можно наблюдать эти фигуры.

В кристаллах многих минералов группы, ответственные за поглощение света (хромофоры), ориентированы относительно оптических осей кристалла. Если такие кристаллы вращать вокруг оптической оси микроскопа при включенном поляризаторе и выключенном анализаторе, то они будут менять цвет или интенсивность окраски. Этот эффект называется леохроизмом. Однако необходимо помнить, что обнаружить его можно не при всех ориентациях зерен. Это важный диагностический признак, по которому можно определить вивианит, глауконит, гидрооксиды Fe, некоторые основные и примесные компоненты земляных пигментов — нонтронит, хлорит, ярозит, биотит, роговые обманки, турмалин, апатит, а также нейтральную медную соль уксусной кислоты — одну из разновидностей ярь-медянки.

Иммерсионный метод применяется для определения показателей преломления индивидуальных зерен минеральных и органических компонентов микропробы. Показатели преломления можно измерять для зерен с размерами до 1-2 мкм. Зерна помещают в иммерсионную жидкость с известным показателем преломления. Если зерно минерала или любого другого компонента микропробы, находящегося в среде с другими показателями преломления, осветить параллельным пучком проходящего света, то вокруг зерна за счет преломления света на границе двух сред образуются темная и светлая линии Бекке. Светлая полоска возникает в среде с большим, а темная — в среде с меньшим показателем преломления.

При увеличении расстояния между препаратом и объективом микроскопа светлая линия Бекке смещается в сторону высокопреломляющей среды, а при уменьшении — в сторону низкопреломляющей. Для очень малых зерен, размер которых сравним с шириной линии Бекке, характерно просветление зерна, когда линия Бекке смещается в его сторону, и затемнение, когда она смещается в сторону среды. В минералах с большими показателями преломления могут наблюдаться светлые линии за счет других эффектов, искажающих эффект Бекке, что необходимо учитывать при определении показателей преломления. Если показатели преломления среды и зерна равны, линии Бекке исчезают.

Наборы иммерсионных жидкостей с показателями преломления от 1,4 до 1,78 выпускаются промышленностью. (С течением времени они изменяются и требуют проверки или обновления.) Жидкости с более высокими показателями преломления, чем 1,78, готовят по специальным методикам.

Для определения показателей преломления компонентов микропробы ее необходимо предварительно тщательно растереть иглой или глазным скальпелем на предметном стекле, чтобы разрушить контакт минеральных компонентов и органических связующих. Для этого можно добавить на предметное стекло каплю спирта. Еще лучше отобрать из микропробы или непосредственно из красочного слоя отдельные зерна.

Диспергированную микропробу или отобранные зерна накрывают кусочком покровного стекла и готовят временный иммерсионный препарат, для чего каплю иммерсионной жидкости из стандартного набора с нужным показателем преломления набирают тонкой стеклянной палочкой или пипеткой и касаются ее кончиком одновременно предметного и края покровного стекол. Под действием капиллярных сил жидкость втягивается под покровное стекло.

Наблюдая расположение светлой линии Бекке относительно зерна и ее движение при изменении расстояния между препаратом и объективом, сравнивают показатели преломления зерна n3 и иммерсионной жидкости nж. Если n3 > nж то следующую иммерсионную жидкость нужно взять так, чтобы n3 < nж. Если n3 < nж, то следующую жидкость нужно взять с n3 > nж. Таким образом оценивают интервал, внутри которого лежат значения n3. Постепенно сужая интервал nж, подбирают такую жидкость, для которой n3 = nж, то есть до исчезновения линии Бекке.

Для смены иммерсионных жидкостей с одной стороны покровного стекла помещают кусочек фильтровальной бумаги, а с другой каплю следующей иммерсионной жидкости, как это описано выше. Чтобы, полностью вытеснить одну жидкость и заменить ее другой, процедуру повторяют три-четыре раза. Для изотропных материалов измерение показателей преломления nо в микропробе не представляет трудностей. Для определения анизотропных минералов необходимо измерить показатели преломления ng и nр. Для этого с помощью компенсационной пластинки измеряют ng и nр в нескольких однотипных зернах и выбирают среди них соответственно наибольшее или наименьшее значение. Такая точность, как правило, достаточна для идентификации анизотропных минералов по показателям преломления.

Определение показателей преломления в компонентах микропробы часто затруднено. Во-первых, зерно минералов может покрывать пленка связующего, которая будет искажать его показатель. (Чтобы избежать этого, необходимо выбирать либо зерна без пленок, либо край зерна, свободный от пленок.) Во-вторых, многие минеральные компоненты красочного слоя или грунта сильно диспергированы. Тем не менее даже измерение средних или промежуточных значений ng и nр весьма полезно для диагностики минеральных компонентов.

Для предварительной оценки природы минеральных и органических компонентов микропробы полезно знать некоторые закономерности, связывающие показатели преломления со строением вещества. Величина показателя преломления растет с увеличением атомного номера катиона в минералах и органических пигментах: Pb > Sn > Fe > Ca > Mg; в минеральных и органических пигментах его величины падают с ростом размеров аниона: сульфиды > оксиды > карбонаты > сульфаты > органические анионы, при образовании кристаллогидратов — уменьшаются. В органических пигментах при введении в молекулу катионов металлов величины n0 возрастают.

Примером использования иммерсионного метода при исследовании микропроб живописи может служить выявление небольших примесей ангидрита («1%) в гипсе. Ангидрит в таких количествах почти невозможно выявить ни рентгенофазовым анализом, ни методом ИК-спектроскопии. Эти бесцветные минералы в пигментах похожи по морфологическим характеристикам и близки по величинам двупреломления, но различаются по показателям преломления. Величина nр (наименьший показатель) для ангидрита больше, чем величина ng(наибольший показатель) для гипса. Выбрав иммерсионную жидкость с таким nж, чтобы nр (ангидрита) > nж>ng (гипса), легко выявить по эффекту Бекке присутствие в микропробе малых примесей ангидрита.

Источник: ТЕХНОЛОГИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОИЗВЕДЕНИЙ СТАНКОВОЙ И НАСТЕННОЙ ЖИВОПИСИ. ГосНИИР - М., 2000

Ультрафиолетовая, люминесцентная и инфракрасная микроскопия

Ультрафиолетовая и люминесцентная микроскопия проводится на специальных ультрафиолетовых микроскопах, конструктивно схожих с соответствующими приборами для видимого света. В этих микроскопах применяется оптика из кварцевого стекла, прозрачного для ультрафиолетовых лучей в области 220-400 нм. В качестве источников света используется ртутная лампа высокого давления.

Помимо специальных приборов, в области 360-400 нм, ограниченной пропусканием стеклянной оптики, можно работать на любых световых микроскопах, если использовать в качестве источников света осветитель с галогеновой лампой и набором светофильтров.

Исследование микропроб живописи на ультрафиолетовых микроскопах проводят обычно в свете видимой люминесценции либо в отраженных ультрафиолетовых лучах на шлифах.

На некоторых современных приборах невидимое ультрафиолетовое изображение преобразуется в видимое с помощью флуоресцентных экранов или электронно-оптических преобразователей, и тогда в отраженных ультрафиолетовых лучах можно работать как на обычных световых микроскопах. Если указанные преобразователи отсутствуют, изображение регистрируют фотографически.

Если поместить компоненты микропробы в постоянный или временый иммерсионный препарат, используя для этого кварцевое стекло и нелюминесцируюшие прозрачные в ультрафиолетовой области иммерсионные жидкости, то можно проводить микроскопическое исследование в проходящем ультрафиолетовом свете при больших увеличениях 200-600x по методу светлого или темного поля.

По сравнению с обычной ультрафиолетовая микроскопия имеет ряд важных преимуществ при исследовании микропроб живописи, которые особенно наглядны при стратиграфическом анализе шлифов: в ультрафиолетовой области возрастает разрешающая способность микроскопа, многие бесцветные (не поглощающие в видимой области) компоненты живописи, трудно различимые в обычном микроскопе, обладают «ультрафиолетовой окраской». Кроме того, многие минеральные и органические пигменты, имеют в ультрафиолетовой области более интенсивные, чем в видимой, максимумы поглощения. Спектры поглощения в ультрафиолетовой области многих желтых и бесцветных материалов живописи очень круто спадают в сторону длинных волн, благодаря чему микроскопическое изображение в отраженных ультрафиолетовых лучах получается очень контрастным.

При освещении препарата ультрафиолетовым излучением микроскопическое изображение помимо перечисленных выше эффектов, строится также за счет люминесценции, что позволяет наглядно выявить в микропробе компоненты-люминофоры и их пространственное распределение, а также получить информацию об их составе по основным люминесцентным характеристикам — цвету и интенсивности свечения.

Инфракрасная микроскопия. Осуществляется на специальных инфракрасных микроскопах, снабженных электронно-оптическими преобразователями. Фотофиксация инфракрасного изображения не требует ни специальных приборов, ни осветителей. На обычном световом микроскопе с лампой накаливания в качестве источника света можно фотографировать микроскопическое изображение в инфракрасных лучах, если применять фотопластинки, чувствительные в инфракрасной области 0,8-1,5 мкм.

Наводка на резкость из-за различий в величине фокусного расстояния объективов в видимой и инфракрасной областях требует соблюдения тех же правил, что и при обычной фотосъемке на инфракрасных фотоматериалах.

Источник: ТЕХНОЛОГИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОИЗВЕДЕНИЙ СТАНКОВОЙ И НАСТЕННОЙ ЖИВОПИСИ. ГосНИИР - М., 2000

Подготовка проб для микроскопического исследования

Успех микроскопического исследования в значительной мере определяется качеством препаратов, приготовляемых из микропроб. В световой микроскопии наиболее распространены препараты в виде поперечных шлифов и постоянных иммерсионных препаратов.

Приготовление постоянных иммерсионных препаратов. В постоянном иммерсионном препарате микропроба или ее компоненты заключены в прозрачную, бесцветную, нелетучую иммерсионную жидкость с довольно высоким показателем преломления 1,54 — обычно пихтовый или канадский бальзам, вследствие чего качество микроскопического изображения при исследовании компонентов микропробы в проходящем свете значительно улучшается. Микроскопическое изображение в постоянном препарате строится за счет пропускания, поглощения и преломления света компонентами микропробы. Благодаря этому цветовые характеристики компонентов красочного слоя и грунта мало зависят от эффектов рассеяния света, то есть от формы и размеров зерен, и определяются в основном спектрами поглощения.

Постоянные препараты сохраняются в течение длительного времени. С помощью ксилола всегда можно растворить бальзам в препарате и извлечь компоненты микропробы. Благодаря этому постоянный препарат играет роль документа, позволяя сохранять микропробы и вновь вернуться в случае необходимости к их анализу.

Приготовление постоянных препаратов несложно. Для этого необходимы покровные и предметные стекла, пихтовый или канадский бальзам, спирт, ксилол или ацетон, а также препаровальные иглы, глазные скальпели, микрошпатели. Твердый бальзам предварительно растворяют ксилолом или ацетоном до такой консистенции, чтобы капля жидкого бальзама медленно стекала с кончика иглы.

Исследуемая микропроба помещается на чистое предметное стекло и измельчается с помощью иглы или глазного скальпеля, после чего на нее наносят каплю бальзама и накрывают кусочком покровного стекла. Чтобы бальзам равномерно заполнил пространство между предметным и покровным стеклами и смочил микропробу, препарат можно слегка подогреть на спиртовке или осторожно надавить на поверхность покровного стекла.

Приготовление постоянных иммерсионных препаратов однослойной живописи обычно не вызывает затруднений. Однако приготовить хорошие, достаточно представительные постоянные препараты многослойной живописи довольно сложно. Для этого можно применить два способа. При одном способе можно отобрать кусочек микропробы с хорошо выраженными слоями и поместить его на предметное стекло так, чтобы слои были перпендикулярны поверхности стекла; препарат микроскопируют при небольших увеличениях для определения количества и структуры красочных слоев и основных компонентов в них, после чего микропробу в препарате раздавливают. Для этого можно осторожно надавить обратной стороной препаровальной иглы на поверхность покровного стекла и легко передвигать покровное стекло относительно предметного вращательными или поступательными движениями. Таким образом предварительно просмотренные отдельные слои микропробы можно разделить, а затем наблюдать их, как в препарате однослойной живописи. При другом способе компоненты из отдельных слоев микропробы предварительно разделяют и отбирают под микроскопом с помощью препаровальной иглы и для каждого из них приготовляют отдельный препарат. Хотя этот способ более трудоемок и требует специальных навыков и опыта, он более предпочтителен при исследовании многослойной живописи, так как время, затраченное на приготовление отдельных препаратов, окупается тем, что их микроскопирование проще и удобней, а интерпретация результатов — надежней.

Приготовление поперечных шлифов. Поперечные шлифы необходимы для детального стратиграфического анализа. В него входят микроскопическое наблюдение и фотофиксация количества, структуры, размеров и распределения отдельных слоев в многокомпонентных красочных слоях и грунтах, а также анализ распределения пигментов и связующих в пределах одного слоя (рис. 67, 68).

67. Микрофотография поперечного сечения частицы многослойной живописи, показывающая последовательность нанесения красочных слоев.

68. Микрофотография поперечного сечения частицы красочного слоя с частью штукатурки; а - фрагмент шлифа в обычном свете, б - в свете видимой люминесценции, показывающий двухслойный характер красочного слоя.

Такой анализ можно проводить не только на шлифах. Однако в нешлифованных микропробах поверхности объемных компонентов находятся на разных расстояниях от объектива, и поэтому их трудно наблюдать одновременно при больших увеличениях вследствие малой глубины резкости. Кроме того, в не шлифованных микропробах трудно измерить толщину отдельного слоя и размеры зерен пигментов.

В хорошо отшлифованных и отполированных поперечных шлифах поверхности зерен различных компонентов находятся на одном уровне, и малая глубина резкости не мешает наблюдать и фотографировать различные слои при больших увеличениях. В правильно приготовленных поперечных шлифах слои срезаны перпендикулярно их поверхности, поэтому в таком шлифе можно наиболее точно измерять толщину отдельных слоев. В ряде случаев для увеличения сечения слоев целесообразно делать, наоборот, косые шлифы, в которых красочный слой срезан под острым углом к его поверхности.

Чтобы приготовить поперечный шлиф, микропробу живописи максимально возможной толщины (красочный слой с грунтом для станковой живописи и с частью грунта — для настенной) помещают в полимерный блок. Такие блоки получают в формочках, от которых полимер легко отделяется. Наиболее удобно использовать матрицы из мягких и эластичных силиконовых полимеров с несколькими ячейками глубиной 15-20 мм и диаметром до 10 мм. Такая матрица не прилипает к наиболее распространенным материалам, применяемым для получения полимерных блоков — эпоксидным смолам и акриловым полимерам, а готовые блоки легко вынимаются из ячеек матрицы.

Для приготовления полимерных блоков используют эпоксидные смолы, дающие очень твердые, жесткие и прозрачные блоки, а также акриловые полимеры, применяемые в зубоврачебной технике.

Для получения шлифов хорошего качества необходимо, чтобы твердость микропробы и твердость полимера в блоке были сравнимы, так как в противном случае проба будет крошиться при шлифовке. Жидкие компоненты полимеризационной смеси также должны хорошо смачивать поверхность пробы до начала полимеризации, поскольку загустевшая смесь будет плохо смачивать пробу и при полимеризации вокруг нее возникнут пустоты. При шлифовке такого блока проба будет разрушаться. Поэтому микропробу перед погружением в полимеризационную смесь целесообразно смочить жидкими компонентами полимеризационной смеси.

Обработанную таким образом пробу помещают в ячейку, куда сначала залита свежеприготовленная полимеризационная смесь. При этом красочные слои образца должны быть перпендикулярны поверхности будущего шлифа, для чего эту процедуру желательно контролировать с помощью микроскопа. Если проба полностью не погружается в полимеризационную смесь, поверх нее добавляют еще немного смеси, чтобы она полностью закрыла пробу.

После того как полимеризация блока закончилась, готовый блок вынимают из ячейки. На нижнюю или на боковую поверхность блока наносят обозначения, необходимые для регистрации шлифа в лабораторном журнале. Затем блок шлифуют последовательно на грубых, средних и тонких наждачных бумагах. Если поверх пробы в блоке находится толстый слой полимера, то для ускорения шлифовки его целесообразно удалить на шлифовальной машине до появления пробы на поверхности блока. Окончательную шлифовку проводят на матовом стекле с помощью алмазной пасты, что значительно ускоряет процесс и улучшает качество шлифуемой поверхности. Требуется так же полировка на куске кожи, сукна, фланели.

Шлифы и тонкие срезы сравнительно эластичных образцов масляной живописи можно быстро приготовить в восковых или парафиновых блоках. Для этого расплавленный воск или парафин заливают в пластмассовую трубку диаметром 10-15 мм и высотой 15-20 мм, одним концом предварительно приклеенную капелькой воска к предметному стеклу. Микропроба помещается в расплавленный воск или парафин, а после его застывания вместо шлифовки делается срез опасной бритвой. Этот прием позволяет получать и непрозрачные шлифы, и тонкие срезы, а также упрощает и сокращает процедуру приготовления. Такие шлифы, конечно, хуже по качеству, чем полученные в полимерных блоках. Для темперной и настенной живописи этот метод не применим из-за большой твердости красочного слоя или грунта.

На шлифах микропроб живописи можно проводить локальный послойный анализ химического состава каждого слоя и его отдельных компонентов с помощью микрохимического, лазерного микроспектрального, электронного и микрозондового методов без изъятия этих компонентов из пробы. Очень удобно на шлифах оценивать наличие каких-либо компонентов и их распределение в отдельных слоях пробы с помощью реагентов, избирательно окрашивающих эти компоненты: связующих при окраске гистохимическими красителями, слоистых силикатов (глинистых минералов) с высокой катионообменной емкостью с помощью основных органических красителей и люминофоров, свинцовых белил за счет реакции с KГ в кислой среде.