告别破坏性取样:新技术实现对古象牙的无损分析

  

告别破坏性取样:新技术实现对古象牙的无损分析(图1)

  来自科学院航空航天信息研究院的研究团队成功研发出一款微型时门拉曼光谱仪,能够对脆弱的考古象牙进行微米级无损化学分析——即便是在强荧光通常会遮蔽信号的恶劣条件下,仍能精准捕捉关键数据。

  作为古代蜀文明的瑰宝,三星堆遗址出土的象牙器物距今已逾三千年,具有无可替代的历史与文化价值。然而,长期的地下埋藏环境——充斥着地下水、可溶性盐类及微生物活动——已经严重侵蚀了这些象牙的内熊猫体育直播平台部结构。令人棘手的是,这些熊猫体育直播平台文物的表面往往看似完好无损,这使得传统的取样分析极具破坏性风险。因此,开发一种既能穿透表象直达微观结构,又不会对文物造成丝毫损伤的高分辨率分析工具,成为文物保护与修复工作的当务之急。

  拉曼光谱技术因其能够精准分析物质的分子组成而被广泛应用于材料科学领域,理论上,它是分析古代象牙的理想工具。但在实际操作中,考古材料在激光照射下往往会产生强烈的荧光背景。这种背景噪声的强度常常远超微弱的拉曼散射信号,就像在正午的阳光下试图寻找星星,导致传统的拉曼测量完全失效。

  为了解决这一技术瓶颈,科学院航空航天信息研究院王振友教授团队另辟蹊径,开发了一种基于“时间门控”原理的拉曼分析法。其核心逻辑在于利用拉曼信号与荧光信号在时间尺度上的根本差异:拉曼散射信号在激光激发后几乎是瞬时产生的,而荧光信号的持续时间则要长得多。

  通过将探测器的检测窗口缩短至极短的时间范围,并与拉曼信号的产生时刻精确同步,该仪器成功地将瞬时的拉曼信号从漫长的荧光背景中“截取”出来,从而有效抑制了干扰,实现了从强荧光材料中提取清晰拉曼光谱的壮举。

  通过硬件设计的精巧构思与算法优化的深度协同,研究团队不仅实现了高效的荧光抑制,还大幅提升了关键化学成分的定位精度,同时有效降低了系统成本——这标志着时门拉曼技术在文物科学领域的推广应用迈出了关键一步。

  为了验证新仪器的性能,研究团队选取了三星堆出土的四块象牙碎片进行测试。在常规连续波拉曼光谱仪的检测下,其中两块样本因强烈的荧光干扰,屏幕上一片噪点,几乎无法获取任何有用的光谱信息。

  然而,当时门拉曼光谱仪启动后,奇迹发生了:荧光干扰被有效压制,强荧光样本中的信噪比被提升了20倍以上。原本被掩盖的内部成分差异,如同拨云见日般清晰地展现在研究人员面前。

  分析结果表明,不同埋藏环境下的象牙在有机物含量、矿物结晶度及腐蚀程度方面存在显著差异。这一发现为理解象牙的降解机制提供了微观层面的确凿证据。

  更深入的数据揭示,金属离子的渗入与非金属离子的置换是导致象牙深度退化的核心机制。此外,部分样本还呈现出了可能暴露于高温环境的独特谱学特征,这暗示了这些象牙在历史上可能经历过火灾相关的损伤——这一发现为三星堆的祭祀仪式或历史事件提供了新的线索。

  本研究有力地证明,时门拉曼光谱技术能够提供分子级别的直接证据,这对于理解古代象牙的长期劣化过程至关重要。更为重要的是,该方法不仅适用于象牙,还可广泛应用于陶瓷、壁画、纺织品等各类受强荧光困扰的珍贵考古材料的无损分析。

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