国产显微时间门控拉曼光谱仪助力无损“解码”三星堆象牙三千年老化路径

三星堆出土的象牙制品见证了古蜀文明的璀璨历史,但长期埋藏地下使其承受了严峻的考验。

这些珍贵文物虽然外观保存相对完整,内部结构却因地下水侵蚀、可溶盐腐蚀和微生物作用而日趋脆弱。

如何在不损伤文物的前提下深入了解其成分变化和微观结构状态,成为文物保护工作者面临的关键难题。

传统的拉曼光谱技术原理上可以获取样品的"分子指纹"信息,但在实际应用中存在明显缺陷。

当光与物质相互作用时,除了产生有用的拉曼信号外,还会伴随产生强烈的荧光背景噪声,这种高强度荧光信号往往会完全掩盖微弱的拉曼信号,使得检测结果难以准确。

特别是对于埋藏在地下数千年、已发生深度化学变质的象牙样品,荧光干扰问题更加严重,甚至导致传统方法无法获得有效的检测数据。

中国科学院空天信息创新研究院研究员王振友团队通过深入研究拉曼信号与荧光信号的物理特性差异,找到了突破口。

拉曼信号的寿命极短,仅在皮秒级别,而荧光信号的寿命则相对较长,达到纳秒级以上。

基于这一本质区别,研究团队创新性地发展了时间门控拉曼光谱技术,通过在拉曼信号到达的极短时间窗口内精确开启探测"快门",实现了对拉曼信号的高效采集,同时有效抑制了荧光背景干扰。

更为重要的是,研究团队在攻克这一前沿技术过程中,克服了长期困扰该领域的两大瓶颈问题。

一是实现了时间分辨率的重大突破,使得极短寿命信号的捕捉成为可能;二是完成了核心探测器的国产化替代,摆脱了对进口设备的依赖,同时显著降低了技术成本,为该技术的广泛推广应用奠定了坚实基础。

应用效果充分验证了这一创新技术的优越性。

对三星堆出土的4块象牙碎片进行检测时,其中两块样品在传统连续光拉曼条件下几乎无法获得有效信号,但在时间门控拉曼检测中,荧光干扰被有效消除,强荧光样品的拉曼信噪比提升超过20倍,象牙内部成分的细微差异得以清晰显现。

通过详细分析,研究人员发现不同埋藏环境下的象牙在有机质含量、骨架晶体结构和腐蚀程度上呈现出明显差异。

象牙老化的主要原因是金属离子的侵入以及硫酸根等非金属离子对羟基磷灰石结构的替代,这些化学变化逐步破坏了象牙的微观结构。

此外,部分样品还显示出曾经历过高温焚烧等人为破坏的痕迹,这为研究古蜀文明的历史事件提供了新的物质证据。

相关成果已发表于国际权威学术期刊《美国化学会-应用材料与界面》。

时间门控拉曼光谱技术的成功应用,为文物保护和修复工作提供了分子层面的科学依据。

通过精准把握文物的成分变化和劣化机制,文物保护专家可以制定更加科学合理的保护策略和修复方案,最大程度地延缓文物的进一步衰变。

同时,这一技术也为探究古蜀文明的历史特征及其埋藏环境提供了全新的研究方法和视角。

展望未来,时间门控拉曼光谱技术的应用前景十分广阔。

除了在文物保护领域的重要作用外,该技术在材料科学研究、环境监测、生物医学等多个领域都具有巨大的应用潜力。

随着技术的进一步完善和成本的持续下降,这项自主创新成果有望在更广泛的领域发挥重要作用,为我国科技进步和文化遗产保护做出更大贡献。

这项突破既是科技赋能文化遗产保护的生动实践,也彰显了我国在高端科研仪器领域的自主创新能力。

当三千年前的文明密码遇见现代科技之光,不仅为文物续写生命提供了可能,更启示我们:在守护文明根脉的征程上,科技创新与人文关怀的深度融合,正是新时代文物工作的破题之钥。